探索柔性機(jī)器人 推進(jìn)科研產(chǎn)業(yè)化
——記同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院教授唐一超

張 聞 劉玉杰

唐一超

20世紀(jì)50年代，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）曾暢想，未來人類將不再需要外科醫(yī)生來進(jìn)行手術(shù)，只需要將微型機(jī)器人放入人體，機(jī)器人就可以自行在體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)和藥物的釋放等操作。這個(gè)在60多年前看似天馬行空的科研設(shè)想，如今已在科技的推動下逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

近年來，體內(nèi)微型醫(yī)療機(jī)器人成為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域新的發(fā)展方向。它可以應(yīng)用于體內(nèi)藥物注射、腫瘤切除、疏通血管、腹腔手術(shù)成像等，在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛?。深耕在柔性機(jī)器人、柔性結(jié)構(gòu)、人造肌肉等新興領(lǐng)域多年，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院教授唐一超在海內(nèi)外求學(xué)和工作十余年間，積累了豐富的跨學(xué)科研究經(jīng)驗(yàn)。在我國醫(yī)療機(jī)器人疾速發(fā)展的大環(huán)境下，他找到了自己科研創(chuàng)新工作新的土壤。

以興趣驅(qū)使的求學(xué)之旅

本科與研究生階段，唐一超先后就讀于北京科技大學(xué)、美國伍斯特理工學(xué)院的材料科學(xué)專業(yè)，學(xué)習(xí)成績優(yōu)異。在這一時(shí)期，他日益感受到新工科在未來世界的重要性逐漸增加，尤其感覺到機(jī)器人、人工智能等技術(shù)的日新月異終有一天將改變世界。在這一背景下，唐一超在研究生最后一年做出了一個(gè)大膽的決定——將研究轉(zhuǎn)向這些新興學(xué)科，攻取自己幾乎沒有任何基礎(chǔ)的機(jī)械工程專業(yè)博士學(xué)位。

然而，申請跨學(xué)科專業(yè)的博士學(xué)位談何容易，雖然唐一超向許多大學(xué)提交了讀博申請，但大多郵件都石沉大海，因此在讀研的最后一年，唐一超備感迷茫和壓力。功夫不負(fù)有心人，最終美國天普大學(xué)機(jī)械學(xué)院的尹杰教授向唐一超遞出橄欖枝，邀請他加入剛建立的課題組，進(jìn)行與柔軟結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)的研究。自此，唐一超開始了全新的科研筑夢之旅。

尹杰教授師從美國工程院院士、時(shí)任麻省理工學(xué)院機(jī)械系系主任博伊斯（Mary Boyce）院士，是力學(xué)領(lǐng)域的杰出學(xué)者。他為人謙和、心胸寬廣，對學(xué)生的研究方向沒有條條框框的限制，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自由探索和自主創(chuàng)新，這是與許多博士生導(dǎo)師不同的指導(dǎo)風(fēng)格。這一時(shí)期，唐一超在尹杰教授的指導(dǎo)下進(jìn)步迅速，順利進(jìn)入“自創(chuàng)課題-自主研究”的博士研究階段。在出色完成力學(xué)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，唐一超開始嘗試探索自己更為感興趣的機(jī)器人領(lǐng)域，而這一想法也得到了尹杰教授的全力支持。因此，從博士三年級開始，唐一超正式開始在機(jī)器人領(lǐng)域的前沿方向——柔軟機(jī)器人領(lǐng)域展開研究攻關(guān)。

辛苦探索，終有所得。在多年的科研開拓下，唐一超成功研發(fā)了世界上第一個(gè)兩棲全軟體爬壁機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了柔性機(jī)器人在高載荷、復(fù)雜兩棲環(huán)境下工作的突破，極大地拓寬了柔性機(jī)器人的工作范圍，對柔性機(jī)器人在復(fù)雜空間、復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜任務(wù)等相關(guān)后續(xù)研究工作具有重要的意義和貢獻(xiàn)。此外，針對軟體機(jī)器人領(lǐng)域的共性難題——能量密度低、輸出力不足等問題，唐一超受到自然界中脊柱動物可以快速儲存和釋放能量的啟發(fā)，將主流柔軟機(jī)器人與雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)巧妙結(jié)合，提出了全新的仿生柔軟機(jī)器人架構(gòu)，大幅提升了柔軟機(jī)器人在力、速度、剛度、能耗方面的性能。得益于所提出仿生架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，這些機(jī)器人的性能大幅領(lǐng)先于同類機(jī)器人。

博士期間，唐一超取得了豐碩的學(xué)術(shù)成果，以第一作者或通訊作者在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）、《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文。由于在柔軟機(jī)械領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，他獲得了國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）旅行獎(jiǎng)等多個(gè)重要獎(jiǎng)項(xiàng)。盡管取得了一些成果，唐一超卻逐漸感覺到柔軟機(jī)器人領(lǐng)域存在的一些瓶頸，尤其是領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者大多聚焦于自己課題組的研究，而沒有正視柔軟機(jī)器人是否真正能夠在現(xiàn)實(shí)世界中獲取可靠的應(yīng)用場景。經(jīng)過多年的思考，唐一超開始意識到這個(gè)領(lǐng)域的未來在生物醫(yī)療領(lǐng)域，因此他毫不猶豫地將研究向醫(yī)療領(lǐng)域有目的地進(jìn)行了擴(kuò)展。

為了在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)新的知識、積累相關(guān)的科研經(jīng)驗(yàn)，唐一超又先后前往美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、德國馬普所智能系統(tǒng)所從事人工肌肉和醫(yī)療機(jī)器人的研究，為醫(yī)療微型機(jī)器人在人體內(nèi)應(yīng)用方面的研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的研究成果，包括在《科學(xué)》（Science）雜志、《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

立足我國現(xiàn)狀的醫(yī)療機(jī)器人探索

“其實(shí)我在研究生畢業(yè)、打算考博士的時(shí)候，就一直有回國的打算。”唐一超說。近些年來，國家對于科研工作者的支持力度加大。在初心的牽引和滿足祖國科技發(fā)展需要的責(zé)任感驅(qū)使之下，2021年，唐一超踏上了回國征程，在同濟(jì)大學(xué)這一科研平臺繼續(xù)施展自己的科研抱負(fù)。

如今，在中國社會老齡化的背景下，新型醫(yī)療機(jī)器人能更好地輔助老年人的生活并助力疾病的治療，并且具有傳統(tǒng)醫(yī)療手段不具備的無創(chuàng)、無痛等特點(diǎn)。唐一超主要從體內(nèi)醫(yī)療及體外助力這兩個(gè)層面展開研究，以更好地服務(wù)我國社會。

人造肌肉是未來制造“類人”柔性機(jī)器人的根基。在此之前，唐一超曾提出預(yù)測“螺旋肌肉”變形的新理論模型，模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測該種人造肌肉的應(yīng)變大小和能量密度，并對肌肉如何實(shí)現(xiàn)大變形和高能量輸出給出理論依據(jù)?，F(xiàn)如今，他和研究團(tuán)隊(duì)也正在著手開發(fā)一套由液壓驅(qū)動的、基于人工肌肉的外骨骼系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以為人類提供更大的能量密度，幫助人們?nèi)ラ_展相關(guān)工作。

研究工作之外，唐一超還與上海本地多家三甲醫(yī)院建立了合作。他經(jīng)常深入醫(yī)院一線，了解現(xiàn)如今臨床手術(shù)的痛點(diǎn)，幫助醫(yī)生設(shè)計(jì)更好的手術(shù)器械，而他們開發(fā)的微型醫(yī)療機(jī)器人就能夠通過磁場控制，降低病人在手術(shù)過程中的痛苦，并且可以深入體內(nèi)，在傳統(tǒng)醫(yī)療器械無法觸及的體內(nèi)深處位置進(jìn)行成像、診斷、治療，具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然目前一系列研究工作都在穩(wěn)步推進(jìn)，但是唐一超深知：醫(yī)療機(jī)器人的臨床應(yīng)用仍需要他們做出更多努力。今后，他會將研究方向和國家重大需求相結(jié)合，并努力向產(chǎn)業(yè)化方向推進(jìn)?！翱茖W(xué)研究不能脫離現(xiàn)實(shí)和國情，希望未來我能夠利用自己的專業(yè)技能和多學(xué)科背景，為我國醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級作出貢獻(xiàn)?！碧埔怀f。

專家簡介

唐一超，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2012年獲得北京科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2018年獲得美國天普大學(xué)博士學(xué)位，其后分別在美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校和德國馬普所智能系統(tǒng)所進(jìn)行博士后研究。2021年擔(dān)任同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)獒t(yī)療機(jī)器人、微型機(jī)器人、具身智能，近年來在《科學(xué)》（Science）、《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）、《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）等期刊發(fā)表論文，研究成果被國家自然科學(xué)基金、英國《每日郵報(bào)》、美國國家科學(xué)基金會、新浪網(wǎng)等多家媒體或機(jī)構(gòu)報(bào)道。曾獲得國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、德國洪堡學(xué)者、世界人工智能大會青年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。主持國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。