翁鼎：追蹤仿生科學(xué)前沿

劉江

《星球大戰(zhàn)：最后的絕地武士》中的天行者盧克，在與黑武士光劍對(duì)決中失去了一只手之后，換上了靈巧的機(jī)器臂。這只機(jī)器臂不僅擁有人手的外形，還擁有人手一樣的功能。在現(xiàn)實(shí)中，天行者盧克靈活有觸覺(jué)的機(jī)器臂讓無(wú)數(shù)人向往，很多人都希望這種技術(shù)能真正實(shí)現(xiàn)，造福一些手臂殘疾人士。前美國(guó)宇航局天體物理學(xué)家和《星球大戰(zhàn)科技》的作者Jeanne Cavelos曾說(shuō)：“很多時(shí)候科幻小說(shuō)把靈感帶給了偉大的科學(xué)。”現(xiàn)在，在科幻電影出現(xiàn)的機(jī)械臂，也在現(xiàn)實(shí)生活中現(xiàn)形——仿生機(jī)械臂。

仿生機(jī)械臂的出現(xiàn)，不但給截肢患者帶來(lái)的希望，還在微電子制造與封裝、反恐排爆、位置環(huán)境探索等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。清華大學(xué)機(jī)械工程系助理研究員翁鼎也對(duì)仿生機(jī)器臂進(jìn)行了研究。現(xiàn)在，他正竭力探索如何把生物能運(yùn)用到機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)上，把現(xiàn)在仿生機(jī)械以擬態(tài)仿生轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)生理功能的仿生。他說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要走的路還走很遠(yuǎn)，很長(zhǎng)，但他會(huì)不斷前進(jìn)，長(zhǎng)期堅(jiān)守。

科研之路始于必然

作為一個(gè)從小在清華園長(zhǎng)大的孩子，在翁鼎看來(lái)，走上科研這條路是必然的選擇。家庭的熏陶使“科研”這兩個(gè)字很早就刻印在他的頭腦里了，再加上自己從小“腦洞”比較大，對(duì)科學(xué)研究有濃厚的興趣。

2002年，翁鼎考入清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)班數(shù)學(xué)物理方向。本科畢業(yè)后，翁鼎前往美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）化工系攻讀博士學(xué)位，師從盧云峰教授，對(duì)納米技術(shù)、能源材料、自組裝技術(shù)及材料—生物界面進(jìn)行探索。在讀博期間，研究病毒納米水凝膠之時(shí)，翁鼎對(duì)生物學(xué)產(chǎn)生了興趣，2012年獲得博士學(xué)位后，他便進(jìn)入哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院，在Myron Spector教授指導(dǎo)下開(kāi)展了可注射生物水凝膠和干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)的研究。

不管走多遠(yuǎn)，報(bào)國(guó)情懷始終是中華兒女不變的追求。出國(guó)深造前，翁鼎便沒(méi)有打算留在國(guó)外，出國(guó)只是為了更好地回國(guó)。所以，在國(guó)外積累10年之后，2016年年底，翁鼎回國(guó)進(jìn)入清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。在這里，他向表界面工程及異相介質(zhì)控制、生物3D打印和仿生機(jī)械三座“大山”發(fā)起了進(jìn)攻。

所謂表界面工程，主要是通過(guò)化學(xué)修飾、吸附、雙電層調(diào)控等手段實(shí)現(xiàn)界面的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)調(diào)控，從而賦予界面減阻、超疏水、超親水、生物相容、生物排斥等性能。翁鼎介紹說(shuō)，該研究在油水分離、界面減阻、仿生、生物防污等方面有廣闊的應(yīng)用空間。目前他計(jì)劃把對(duì)表面工程的研究與生物3D打印、仿生機(jī)械的研究結(jié)合起來(lái)，以此來(lái)構(gòu)建更加靈活的仿生機(jī)械。

“生物3D打印是結(jié)合了3D打印的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和組織工程的交叉學(xué)科，因而是非常熱門(mén)的生物制造手段。”翁鼎說(shuō)，生物3D打印軟組織以生物水凝膠作為細(xì)胞外支架類(lèi)似物進(jìn)行打印，結(jié)合干細(xì)胞誘導(dǎo)增殖，來(lái)實(shí)現(xiàn)皮膚、神經(jīng)、肌肉等軟組織的再生，進(jìn)而制造具備生理功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以期在一定程度上替代因手術(shù)或外傷造成的大面積組織損失，填補(bǔ)生理結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生理功能。現(xiàn)在，他以酶催化生物水凝膠為打開(kāi)含細(xì)胞生物3D打印技術(shù)大門(mén)的鑰匙，但是對(duì)應(yīng)的工藝和平臺(tái)還沒(méi)有完全建立，他希望自己的研究能把這條路先打通。

在采訪中，翁鼎說(shuō)，他有著交叉學(xué)科的背景，這是他開(kāi)展科研探索的得力工具。他還準(zhǔn)備結(jié)合機(jī)器人和生物3D打印技術(shù)，來(lái)構(gòu)建生物機(jī)器人。“在生物仿生領(lǐng)域，我希望由生物能作為驅(qū)動(dòng)能來(lái)研發(fā)生物機(jī)器人。該研究涉及到仿生機(jī)械、材料、生物3D打印、組織工程等多個(gè)領(lǐng)域，在微型機(jī)械、肌肉萎縮、截肢、截癱、康復(fù)訓(xùn)練、人體外骨骼機(jī)器人、仿生機(jī)器人等方面有廣闊的應(yīng)用前景。”

十年寒窗磨一劍，只待今朝問(wèn)鼎時(shí)。在國(guó)外積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的翁鼎，回國(guó)后，希望用自己學(xué)到的知識(shí)為祖國(guó)科研打開(kāi)一扇窗。他也相信，組織工程與生物3D打印結(jié)合也將是生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的一大趨勢(shì)，他將不斷追求科學(xué)前沿，力攀科學(xué)高峰。

機(jī)械手臂創(chuàng)造無(wú)限可能

20世紀(jì)中期，計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這些需求背景下，美國(guó)首先于上世紀(jì)40年代開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械臂。隨后，更多國(guó)家投入到研發(fā)機(jī)械臂的隊(duì)伍中。

驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)械臂的重要組成部分，按驅(qū)動(dòng)方式可主要分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式等，在制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都有重要意義。回國(guó)后，翁鼎也對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行了深入研究。他說(shuō)，隨著科技的發(fā)展，仿生機(jī)械臂現(xiàn)有的減速電機(jī)、液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)暴露的缺陷同優(yōu)點(diǎn)一樣明顯，要使機(jī)械臂在生物醫(yī)療方面發(fā)揮更大的作用，開(kāi)發(fā)新的驅(qū)動(dòng)能源勢(shì)在必行。在生物材料領(lǐng)域有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的翁鼎，在國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“生物能驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的基礎(chǔ)研究”中，提出把生物能運(yùn)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)中的設(shè)想，以期拓展機(jī)械臂的在生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。

翁鼎介紹說(shuō)，在醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域，人造肌肉目前大都存在小型化與負(fù)載能力的矛盾，以及與生命體融合的可能性較低的問(wèn)題。近年來(lái)，利用生物能來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)成為一大研究熱潮。“生物能驅(qū)動(dòng)單元可以是心肌、骨骼肌、鞭毛等生物組織和生物材料。尤其是骨骼肌組織，相較于傳統(tǒng)純機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元，在小型化和生物相容性上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電磁信號(hào)更隱蔽。”這些優(yōu)點(diǎn)使基于骨骼肌電控驅(qū)動(dòng)單元的生物機(jī)械在未來(lái)更有可能和人體實(shí)現(xiàn)高度融合，在肌肉萎縮、截肢、截癱、康復(fù)訓(xùn)練、人體外骨骼機(jī)器人、仿生機(jī)器人等方面有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)也將對(duì)我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生甚至軍事實(shí)力方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

那么，如何提高生物機(jī)械整體結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力？翁鼎說(shuō)，這就不得不對(duì)生物3D打印技術(shù)進(jìn)行探索。“近年來(lái)，生物3D打印技術(shù)與組織工程學(xué)結(jié)合得越來(lái)越緊密。在軟組織再生方面，生物3D打印將細(xì)胞外支架類(lèi)似物（通常是水凝膠材料）與細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等通過(guò)層疊堆積的方式構(gòu)建出需要的宏觀形貌，之后通過(guò)組織工程技術(shù)使細(xì)胞增殖并產(chǎn)生生理功能。這種方法非常適合構(gòu)建生物機(jī)械的驅(qū)動(dòng)單元。然而，由于水凝膠材料自身的強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力有限。因此，提升整體結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力仍是現(xiàn)在生物3D打印構(gòu)建生物機(jī)械的主要難題。”

為解決這一難題，在項(xiàng)目研究中，翁鼎將從水凝膠分子設(shè)計(jì)、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和3D打印成型等角度來(lái)嘗試突破，利用生物3D打印，構(gòu)建機(jī)械強(qiáng)度較高又適于骨骼肌組織再生的高分子水凝膠，再通過(guò)體外訓(xùn)練提高體外再生骨骼肌的承載能力，以此來(lái)達(dá)到提高生物機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元負(fù)載能力的目標(biāo)，為靈活的機(jī)械臂的問(wèn)世鋪墊基礎(chǔ)。

行勝于言。這影響了一代又一代清華人的精神，鼓舞了一大批治學(xué)、興業(yè)、治國(guó)的英才，挺起民族的脊梁，在科技進(jìn)步和學(xué)術(shù)發(fā)展中，填補(bǔ)一個(gè)又一個(gè)空白，刷新一項(xiàng)又一項(xiàng)的紀(jì)錄。從清華子弟、到清華學(xué)子，再到清華職工，這筆筆精神財(cái)富翁鼎從未丟棄，而是時(shí)時(shí)激勵(lì)他不斷突破創(chuàng)新，追求卓越。展望未來(lái)，翁鼎說(shuō)，在走好當(dāng)下之路的同時(shí)，要把科研和國(guó)家的需求有機(jī)融合在一起，在自己專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造更多可能。