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孫立寧:創新不止,無“微”不至

時間:2020-04-08 11:25 瀏覽:207

    孫立寧教授

  他是發明家,醉心微納機器人前沿研究與技術探索近30年,所獲成果無數。

  他是推動者,突破多項關鍵技術與系列化智能制造裝備的研發與產業化,為我國工業機器人的發展進步保駕護航。

  他是領軍人,較早在國內開展醫用機器人研究,所研制的腹腔鏡手術機器人代表了我國手術機器人的最高水平。

  他是探索者,以機器人技術為核心,多學科交叉融合,不斷拓展微納機器人的邊界與未來。

  他就是哈爾濱工業大學機器人研究所教授、機器人與系統國家重點實驗室副主任;蘇州大學特聘教授、機電工程學院院長、博士生導師孫立寧。

  微納機器人,是孫立寧一生的關鍵詞。潛心篤志30年,他帶領團隊,不斷以新理念、新技術、新工藝、新材料為微納機器人賦能,將它與微納制造、生命科學、生活服務,以及更多的行業緊密相連。

  

  孫立寧(左)在恰佩克頒獎大會上被授予突出貢獻獎,和恩師蔡鶴皋院士合影


  隨著微納技術與機器人融合發展,微納機器人逐漸走進人們的視野,成為共融機器人中的一員。

  那么,到底什么是微納機器人?

  孫立寧介紹,微納機器人指尺寸在微納米級別的可對微納空間進行操作的功能器件,也指能夠處理微納米尺寸部件的機器人。它的最大特點,就是操作尺度小,小到尺度為毫米、微米和納米量級的零件都能輕松操控。

  微納機器人體積雖小,但功能卻十分強大。憑借在微納尺度上優異的靈活性、適應性,它在生物醫學、微納制造和軍事等領域中的應用愈發廣泛。

  自上世紀80年代由被譽為“微納機器人之父”、來自日本的國際機器人權威專家福田敏男提出后,微納機器人一直作為機器人領域的前沿方向,吸引了一批國內外優秀科研工作者投身其中,潛心攻堅。

  1990年,正在哈工大攻讀博士的孫立寧在導師蔡鶴皋院士的引領下,通過一根“壓電陶瓷”開啟了他微機器人技術的研究之路,成為我國較早開展相關研究的科技人員之一。

  他率領團隊經過5年的不懈努力,研制出了高性能壓電陶瓷驅動電源與全數字控制器、納米級微驅動系統,這些成果廣泛應用于微位移輸出裝置、力發生裝置、機器人、光學掃描等領域。與此同時,他還開發了6自由度并聯微驅動機器人、6自由度納米級宏/微操作并聯機器人、2自由度大行程微驅動機器人等多種納米級微驅動機器人。立足該方向,他先后承擔和完成了多項國家項目,分別于1996年和1998年獲航天工業總公司科技進步獎二等獎。

  從1996年起,孫立寧以微驅動機器人為基礎,進行了面向MEMS組裝和封裝、生物工程、光纖作業等領域的微操作機器人的研究,分別建立了微操作機器人系統,其成果被評價為“達到國內領先、國際先進水平”。同時,他研制出的8種微操作機器人得到推廣應用,其中“神光Ⅲ”靶支撐和傳感器支撐機器人,應用于國家重大科學工程項目上;激光陀螺精密調腔機器人,應用在國防軍工生產上,包括型號研制、生產和科研,填補了國內空白,2007年獲國家科技發明二等獎。

  值得一提的是,孫立寧不僅帶領團隊做到了立足當下,解決現實所需,還時刻關注國際科研發展趨勢,著眼未來提前布局研究方向。醫用機器人便是一項成功探索。

  世界上第一臺手術機器人出現在1983年,首次使用是1985年。但醫用機器人真正在臨床較廣泛應用是進入21世紀之后,且隨著相關技術的快速發展,呈現愈發火熱的研究與應用態勢。而早在上世紀90年代中期,孫立寧就敏銳覺察到了醫用機器人的廣闊前景。

      新世紀伊始,手術機器人領域研究在國際上剛剛興起,在國內基本是一片空白。孫立寧果斷抓住這一機遇,集結國內優質的醫學團隊和工科團隊,在科技部的支持下率先在國內開展了“機器人輔助骨科手術系統”的研究。該研究突破了影像導航、主從操作、力位控制等多項關鍵技術,實現了國內當時最完整的全數字化骨科手術機器人系統。此后以該項目為基礎,他們又先后開發了“椎間盤置換手術機器人”和“脊柱微創手術機器人”等多個種類的骨科手術機器人。

  經過10年的技術沉淀后,孫立寧又帶領團隊轉向了更為復雜的腹腔鏡微創手術機器人系統的研究。團隊相繼承擔了多項國家級的腹腔鏡微創手術機器人項目,攻克了多自由度手術機械臂、主操作手、微小型手術器械、主從實時直覺操作等多項核心關鍵技術。

  瞄準國際科技前沿,創新不止。2008年,孫立寧率領團隊針對微納操作機器人、納米藥物基礎理論與國際前沿技術,提出了融合納米游動機器人和微納操作機器人而形成的任務協同、功能共融的多尺度微納米機器人創新體系結構,實現了納米器件的三維制造,并為主動靶向納米游動機器人的研究提供了平臺支持。目前這一研究仍在不斷創新突破中。

  理論研究和科研成果不應束之高閣,而是要轉化為實際生產力,服務于實際生產和生活,推動社會經濟發展。這一理念始終貫穿孫立寧的科研工作中。

  為了推動其在微納領域取得的一系列成果實現科技轉化和產業化,孫立寧帶領團隊先后建立了微納米機器人與系統集成研究平臺、高性能工業機器人及機電一體化裝備研究平臺、醫療微創手術機器人集成研究平臺,推動產學研用協同發展模式,整合資源,鼓勵團隊創新創業,最終在這三方面均實現了產業化推廣與示范應用。

  ● 微納技術裝備產業化

  深耕多年,孫立寧團隊所攻關的納米微驅動技術大多實現了產業化,相關產品亦推廣應用,替代進口產品,受到了用戶廣泛認可。

  比如,他們研制出了8種微操作機器人并推廣應用,研制的神光III靶支撐和傳感器支撐機器人,應用于國家重大科學工程“神光III原形裝置”項目上;研制的激光陀螺精密調腔機器人,應用在國防軍工生產上;面向MEMS制造領域,研制的6種微操作機器人,應用于型號研制、生產和科研中,并通過了技術鑒定,填補了國內空白,取得良好的經濟與社會效益,并在激光約束聚變、慣性器件制造、MEMS制造、生物醫學、光學精密工程、集成電路封裝與測試、超精密加工等領域顯示出廣闊的應用前景。

  這些成果,不僅為提升我國精密/超精密作業機器人與機電一體化裝備的自主創新能力和研發水平起到了重要的示范帶動作用,更為國家重大科學工程提供了技術和設備支撐,切實提高了相關行業領域的操作精度、產品質量和生產效率。

  目前相關產業化成果已累計產生經濟效益達2.5億元。

  ● 微創外科手術機器人示范應用

  2019年1月,一臺特殊手術在福建福州成功實施。一位醫生在操作端遠程操控手術機器人,為50公里外醫院內的實驗動物實施了肝小葉切除。

  這是全球首例基于5G網絡的遠程動物手術,所采用的手術機器人即為孫立寧團隊研制的腹腔鏡手術機器人。

  在孫立寧的領導下,這個自2008年起研究至今的手術機器人系統,在設計思想、人機協作控制算法、機械臂結構等多個方面實現了突破,在2013年通過了科技部項目驗收。此次遠程手術的實施,正是團隊近年著力推動其產業化的結果。

  值得一提的是,其中一款腹腔鏡手術機器人產品,在2019年通過了國家創新醫療器械特別審查,向產業化邁出一大步。

  除了腹腔鏡手術機器人,他們開發出的微創外科手術機器人,基于生物信息控制的智能假肢、助行與康復訓練機器人以及腸道診療機器人等醫療機器人系統和多種教育與家政服務機器人等產品,實現了應用示范,產生了重大的社會效益,帶動一系列相關醫療領域高新技術應用的研究與開發。

  此外他們還建立了若干個機器人輔助外科手術系統、沉浸式手術仿真系統、基于增強現實的影像導航系統、康復與護理服務機器人系統等樣機,應用于動物實驗或臨床。

  路仍在延伸,孫立寧深感仍在帶領團隊潛心攻關,不斷拓展微納機器人的新邊界。

  比如在納米游動機器人領域,他們正探索這一多學科交叉的前沿熱點,提出了一種融合納米游動機器人和微納操作機器人而形成的任務協同、功能共融的多尺度微納米機器人創新體系結構;構建了集測試、操縱功能于一體的微納操作機器人,實現了跨尺度生物分子/細胞的精密操控、多維生物信息檢測和多特征參數提取,為主動靶向納米游動機器人的設計制備優化、運動控制、精準靶向給藥提供了方法和平臺支持。相關論文已發表于多家領域內國際頂級期刊,獲得高度評價。其中多項成果以封面論文的形式發表于頂級期刊上,并得到專門撰文介紹、網站高亮展示。

  這些成果,不僅拓寬了機器人技術在微納尺度下的應用邊界,還將為現代納米醫學提供關鍵理論與技術支撐,增強我國在生物醫藥與治療領域的自主創新能力,加速我國靶向藥物研發進程。

       潛心篤志30年,孫立寧帶領團隊專注微納機器人的研究和開發,圍繞機器人結構、驅動與控制、作業機理與方法、系統集成等基礎理論與關鍵技術突破、高性能工業機器人機器機電一體化裝備研究、醫療微創手術機器人的前沿探索與集成研究,他們在微納領域實踐出一條從理論到應用再到產業化的生態發展之路。

  一路走來,挑戰重重,并不平坦,但是所有的付出最終收獲了肯定。多年來,孫立寧主持973、863、國家自然科學基金、國防基金等項目20余項,帶領團隊獲得了包括國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎在內的國家、省部級獎勵10余項,贏得了業內外高度認可。

  如今,微納機器人發展日新月異,無“微”不至。在生物醫學領域具有最廣泛的應用前景,如靶向藥物傳送與釋放、疾病診斷與治療等;在軍事方面也有著舉足輕重的地位;在納米加工、高端制造和環境監測之中的應用也不容小覷。隨著人工智能、云計算、5G等新技術的不斷賦能,其產品迭代將加速,未知應用領域將被挖掘,一個個新的課題研究方向也將不斷形成。

  微電子、微光學、微機械……在這個對精密與精準要求越來越高的時代,微納機器人擁有不可被定義與限制的未來。目前,中國、日本、美國以及歐洲等全球主要國家和地區都高度重視微納機器人的發展,爭相布局,力圖以此作為機器人產業發展的新突破。孫立寧深感任重道遠。

  步履不停,創新不止。孫立寧正帶領他的團隊抓住“微”時代的發展機遇,為“神奇”的微納機器人創造更多的“奇跡”。

  孫立寧,哈爾濱工業大學機器人研究所教授、機器人與系統國家重點實驗室副主任;蘇州大學特聘教授、機電工程學院院長、博士生導師。長期從事微納機器人前沿研究,主持973、863、國家自然科學基金、國防基金等項目20余項,在機器人機構、驅動與控制、作業機理與方法、系統集成等方面取得重要成果,并在神光Ⅲ等重大工程及微納制造、生命科學及國防等領域得到成功應用。先后榮獲國家杰青、長江學者特聘教授、萬人計劃領軍人才等稱號,并擔任中國微米納米學會微納機器人分會理事長,中國醫療器械行業協會醫用機器人分會理事長,中國機電一體化技術應用協會副會長,中國自動化學會機器人委員會副主任,國家863計劃微納制造領域專家,MEMS重大專項總體組組長。獲國家技術發明/科技進步二等獎2項、省部級獎勵8項,發表論文300余篇,發明專利80項,出版專著5部。組建了一支具國際競爭力的機器人團隊,為機器人相關學科的創建與發展做出了卓越貢獻。

  原文刊載于《科技創新與品牌》雜志2020年01月刊


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