研發磁控導絲 拯救萬千生命
——記中國科學技術大學工程科學學院近代力學系教授王柳

祝傳海

據2019年的一項調查顯示，我國每年大約有1000萬心血管疾病患者死亡，其中約有450萬人死于中風。導致患者中風死亡的重要因素之一就是血栓阻塞。目前，心血管疾病的除血栓手術一般采用血管內介入式微創手術，但是由于傳統機械導絲具有固定端頭，在復雜血管網絡中巡航能力差。

針對這一問題，中國科學技術大學工程科學學院近代力學系教授王柳和他在美國麻省理工學院的導師趙選賀教授提出一種磁控導絲機器人的概念，在導絲的端頭里面嵌入微尺度的磁性顆粒。這樣導絲會在外界磁場的作用下靈活地偏轉它的端頭，快速巡航復雜血管網絡，做到精準快速的除血栓操作。

王柳

“如果研究順利的話，我想在不遠的將來磁控導絲機器人可以拯救成千上萬的生命。”王柳如是說道。

命運偏愛樂觀者

出身農門，王柳的家庭經濟條件并不好。對他來說，努力讀書，去國外看一看，是他當時唯一的理想。初中時，王柳每天五點半起床，騎自行車到10公里以外的學校去上學，因為路途遙遠，他中午不回家就在學校操場上午休。寒冬酷暑，從不遲到。

特別是寒冷的冬天，王柳的手和腳全是凍瘡，凍瘡時間一久就會發癢，甚至潰爛，他咬牙堅持了下來。就像明代宋濂在《送東陽馬生序》中寫的一樣：“窮冬烈風，大雪深數尺，足膚皸裂而不知。”

為了心中的理想，王柳付出了幾倍于同齡人的努力。2010年9月，他以優異的成績被中國科學技術大學理論與應用力學錢學森力學英才班錄取。甫一入校，王柳就勤奮刻苦，不落人后。不僅如此，他還開始準備起了托福和GRE（研究生入學考試），為之后出國作準備，并在大學期間獲得了前往荷蘭特文特大學暑期交流學習的機會。

“我當時在宿舍里貼了一張美國地圖，上面標注了美國100所大學的位置。我對每一所學校都做了詳細的了解，包括地理位置、學校環境、優勢專業和知名導師。”用心的背后，是王柳十幾年如一日的專注。

4年時間倏忽而過，王柳從中國科學技術大學畢業，繼續朝著他心中的理想邁進，他順利地拿到了美國得克薩斯大學奧斯汀分校的錄取通知書。正是這番際遇，讓王柳遇到了人生中的明燈——博士生導師魯南姝教授和博士后合作導師趙選賀教授。

“兩位老師不僅學術高超，而且平易近人，積極帶我參加各類學術會議，給我引薦知名學者，讓我盡早融入學術圈。并且兩位老師的科研方向都比較前沿，視野寬闊，他們教會我如何去發掘更新的問題，不只是為了科研而科研，為了寫文章而寫文章，而是為了解決某一關鍵問題。”王柳感慨道。與魯南姝教授、趙選賀教授相處的點點滴滴成為他人生中極為重要的一段經歷。

獨當一面破難題

在世界范圍內，中風和心臟病等心血管疾病是導致患者長期致殘和死亡的主要原因。目前，心血管疾病的常規微創治療通常采用被動式導絲和帶有預成形端頭的導管，需在放射線成像下進行操作。

這種被動式導絲和導管的手動操作通常受到以下限制：在復雜血管系統中的可操縱性低，且難以進入小的血管分支，操作時間長，操作過程中累積的輻射量會對病人和操作醫生造成損害。

為了克服這些挑戰，人們嘗試通過遠程方式來實施機器人輔助的微創治療。由于磁場的束縛性和生物相容性，最近出現了一種具有應用前景的機器人輔助微創平臺，此平臺基于磁場控制的彈性纖維——磁控連續體機器人。

“趙選賀教授于2019年提出了磁控導絲機器人的概念。他和團隊巧妙地在導絲的端頭上摻雜一些微尺度的磁性顆粒，這樣導絲在外界磁場的作用下就能靈活地偏轉端頭，實現快速精準的操作。”王柳說，磁控導絲機器人領域目前尚處在發展階段，許多研究成果都還沒有走向成果轉化，達到實際應用的標準。

實際上，磁控導絲機器人的現有設計在很大程度上依賴于反復試驗或數值模擬，缺少高效設計和優化工具。這對于具有大量參數的磁控導絲機器人設計或優化而言并不理想。因此，能夠最大化磁控導絲機器人工作空間的有效設計策略仍然是一個重要但尚未解決的挑戰。

鑒于此，王柳創造性地提出一種進化設計策略，通過集成理論模型和遺傳算法來確定磁控導絲機器人內的最佳磁化強度和剛度模式，從而最大化導絲機器人的工作空間。這意味著優化的磁控導絲機器人在微創治療中具有卓越的可操縱性。這種設計和優化方法還可以輕松地納入其他設計參數，為設計和優化未來的磁性軟機器人和執行器提供了強大而有效的工具。此項研究以題為《磁性軟連續體機器人的進化設計》（Evolutionary design of magnetic soft continuum robots）的論文發表在最新一期《美國科學院院報》（

PNAS

）上。

走向未來的道路

2022年5月，王柳結束了他的美國學習和工作之旅，回到了祖國，入職母校——中國科學技術大學，擔任教授和博士生導師。如同當年很早就開始計劃出國一樣，學成歸國也是王柳很早就安排好的。“我感激國家對我的栽培，希望能回來為國家貢獻一份力。至于為什么選擇科大？我對科大比較有情感，它的辦學理念我也很認同。”在王柳申請回國的過程中，工程科學院院長吳恒安教授對他的申請工作給予了大力的支持，目前各項研究工作正在平穩有序地展開。

8年的國外科研經歷，讓王柳深刻地意識到，科學絕對不是閉門造車，特別像他這樣做基礎研究工作的學者。“力學是一門基礎性學科，我們常說它是服務性的學科，與材料、生物、化學領域的學者合作，彼此相互學習，相互認可，這是一個互利共贏的過程。”王柳說，廣泛的交流與合作使得他的學術視野更加開闊，合作的成果得到了更多的認可。

“我在博士期間積極與韓國首爾大學的金大亨（Dae-Hyeong Kim）教授合作，發表了好幾篇《自然》（

Nature

）子刊論文，獲得了很高的學術引用。后來我還與南方科技大學、華中科技大學、中山大學的老師進行合作，發表了3篇《自然·通訊》（

Nature Communications

）和1篇《科學·進展》（

Science Advances

）。”豐富的合作經歷，讓王柳意識到合作是一個相互學習的過程，多方的專業知識能解答研究中的許多疑惑，推動研究走上更高的層次。

好的合作更是離不開團隊的幫助，盡管現在王柳的團隊還在組建中，不過他已經有了初步的想法和計劃。“我覺得從博士和博士后導師那里學到的最寶貴的經驗，是營造自由平等的學術氛圍。頭腦風暴很重要，大家可以積極踴躍討論問題。另外，凝聚團隊最好的方法是親力親為，只要有時間我就會手把手地教導學生如何去做任務、寫文章、畫圖等。”

面對培養學生，王柳說他會更加注重學生發現問題的能力。他說：“第一要讓學生多閱讀最前沿的文獻，積極幫助學生開闊視野，結合自己所學的東西發現問題。第二要多鼓勵學生，因為導師不是萬能的，學生會有很多比導師更好的想法。”

因為年少時經歷過真正的苦難，所以長大后再遇到任何困難，王柳反而表現得很堅韌樂觀。“我是村里第一個大學生，也是第一個能出國的大學生。我走到今天，已經遠遠超出了所有人的預期。對于科研工作者來說，最重要的就是腳踏實地，不要好高騖遠。發揮自己的特長，腳踏實地地走好每一步。”

老子說：“萬物之始，大道至簡，衍化至繁。”在王柳看來，科研工作者不是非要鉆研很難的科研問題，可以從基礎做起，有時越簡單，越基礎的事情，影響力反而是更大的。他說：“未來，面向生物醫療領域，我想推動磁控導絲機器人向臨床應用發展，真正服務人類的健康，拯救患者的生命。”