微納技術(shù)：機(jī)器人技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的“敲門磚”
——訪中國(guó)科學(xué)院外籍院士福田敏男

文/張曉

就像猿猴在叢林里游蕩，機(jī)器人的雙臂交替著抓著單杠向前；一支智能的手杖底部居然有幾個(gè)輪子，遇到障礙物會(huì)自動(dòng)停止，還能預(yù)防傾倒；在一個(gè)細(xì)胞的四周，很多微小的粒子要合作起來(lái)推動(dòng)目標(biāo)細(xì)胞的移動(dòng)……

這些都是福田敏男教授關(guān)于機(jī)器人的研究。真是神奇，大到如真人般的仿生機(jī)器人，小到比細(xì)胞還要小的粒子，這些居然都是機(jī)器人的研究范圍。

炎炎夏日，福田敏男教授剛剛在首都師范大學(xué)做了一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告——多尺度機(jī)器人。隨后，在他北京理工大學(xué)的辦公室，我專訪了這位機(jī)器人領(lǐng)域的大師——北京理工大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院外籍院士福田敏男（Toshio Fukuda）。與人們印象中古板嚴(yán)肅的科研者不同，福田敏男親切活潑，你一下子就感受到他眼神里傳遞的親切和溫暖，他的微笑、他對(duì)機(jī)器人研究的熱情瞬間就感染了我。

產(chǎn)業(yè)展望：服務(wù)機(jī)器人

“人們常說(shuō)的四大機(jī)器人巨頭，瑞士ABB、日本發(fā)那科及安川電機(jī)、德國(guó)庫(kù)卡，都集中于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。其實(shí)在二三十年前，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)幾乎不存在，但在如此短的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)誕生了很多優(yōu)秀的企業(yè)在做這方面工作，比如新松機(jī)器人，雖然可能現(xiàn)在精度沒(méi)那么高，但找到了很好的應(yīng)用?！?/p>

采訪伊始，福田敏男教授就如數(shù)家珍般地介紹起了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。他說(shuō)：“雖然工業(yè)機(jī)器人很普及，但可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)空間更大的是服務(wù)機(jī)器人，比如老齡化社會(huì)會(huì)更需要幫助打掃、照顧老年人的機(jī)器人。”

最近十年來(lái)，福田教授一直帶領(lǐng)日本名城大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究一種智能手杖，他稱之為icane?！癷就是智能的意思，能感知人的步態(tài)、提前預(yù)防跌倒。服務(wù)機(jī)器人需要更加聰明，得先對(duì)環(huán)境作出判斷然后才能作出反應(yīng)，所以，我們需要更多的傳感器成為我們的眼睛、耳朵的延伸?！?/p>

談到傳感器，福田教授提到了大疆無(wú)人機(jī)，“大疆無(wú)人機(jī)已經(jīng)占有了全世界70%的市場(chǎng)份額，在航拍上應(yīng)用很廣。大疆的創(chuàng)始人汪滔是香港科技大學(xué)畢業(yè)的，是香港科技大學(xué)機(jī)器人技術(shù)教授李澤湘的研究生。大家都知道大疆的無(wú)人機(jī)，其實(shí)李澤湘帶領(lǐng)的固高科技在電機(jī)控制領(lǐng)域也非常厲害。誰(shuí)在機(jī)器人的哪個(gè)方面比較牛，我都知道啊！”福田教授像個(gè)老頑童般調(diào)侃說(shuō)。

隨即他讓學(xué)生新打開包裝拿來(lái)一個(gè)類似自拍桿的家伙，但是比自拍桿多了N個(gè)軸。福田教授把手機(jī)卡住，隨即對(duì)著自己照了起來(lái)，瞪大眼睛來(lái)個(gè)笑臉，喜上眉梢，再換個(gè)角度，教授似乎瞬間變成了超級(jí)可愛(ài)的自拍美少女。他這演員般的動(dòng)作展示再加上他的英文講解，我總算明白，無(wú)論你在手機(jī)面前如何移動(dòng)，這個(gè)超級(jí)自拍桿會(huì)可以帶動(dòng)手機(jī)前后左右地移動(dòng)時(shí)刻追蹤你的臉，那些個(gè)桿就相當(dāng)于我們的手腕啦。“大疆的無(wú)人機(jī)可以在空中實(shí)現(xiàn)這種定位、追蹤和拍攝。”

微納操作機(jī)器人領(lǐng)域的開拓者

對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，福田教授看好軟件的發(fā)展，“我預(yù)計(jì)軟件可能在未來(lái)五到十年會(huì)有一個(gè)大的提高。機(jī)器人來(lái)到人類中間，必須要有個(gè)交互，要嵌入到人類社會(huì)生活里邊去?！?/p>

另一項(xiàng)影響機(jī)器人長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的技術(shù)是微納技術(shù)。福田教授認(rèn)為，微納技術(shù)將會(huì)成為機(jī)器人技術(shù)獲取長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的一塊“敲門磚”。

“與工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、特種機(jī)器人等不同的是，微納操作機(jī)器人不是獨(dú)立存在的，它是一種可以嵌入到任何一種機(jī)器人里去的一種技術(shù)，應(yīng)用成功的話，機(jī)器人就如虎添翼，它將成為所有種類機(jī)器人親密的伙伴和寵兒。微納技術(shù)是未來(lái)十至二十年最有潛力的技術(shù)之一，將會(huì)帶給整個(gè)世界以革命性的改變?！?/p>

早在1984年，福田敏男就開始研究微納操作機(jī)器人。

“回想起促使我出發(fā)的起點(diǎn)，有一點(diǎn)很奇妙，那還是20世紀(jì)80年代初的一天午后，我在一條小河上悠閑地劃船，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)活動(dòng)于水中的生物，我便用一個(gè)空飲料瓶帶了一瓶水回學(xué)校，在顯微鏡下，小水滴里竟然有那么多的微生物，這個(gè)肉眼看不到的世界竟是如此神奇。”福田敏男不禁想用手去抓住它們，然而，對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)，手實(shí)在太大了，根本就不可能抓得住。好奇心驅(qū)使他一直在思索如何抓住如此微小的生物，探索如何設(shè)置一種特殊的裝置來(lái)控制“抓取”這個(gè)動(dòng)作的開合、握力的大小等。可以說(shuō)，福田敏男從事微納操作機(jī)器人研究的靈感就來(lái)源于此。

“五十年前電腦跟一個(gè)房間那樣大，而如今微型計(jì)算機(jī)就跟芯片一樣大。微納操作機(jī)器人未來(lái)將會(huì)越來(lái)越小，也將會(huì)越來(lái)越有效率。比如我們手臂上的肌肉，它由一個(gè)個(gè)微小的細(xì)胞組成，而手臂卻能運(yùn)動(dòng)并具有驚人的力量。可以看到，如今整個(gè)世界都在做微納技術(shù)，比如碳納米管、生物傳感器等，都是這方面典型的案例?！?而福田教授正是碳納米管微納操作技術(shù)的首創(chuàng)者。

雖然看不到摸不著，但如今微納技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在我們的日常生活中。福田教授介紹，20年前，非常昂貴的汽車才會(huì)配有安全氣囊，原因就在于那時(shí)汽車的加速度計(jì)太大。加速度計(jì)是一種傳感器，用來(lái)感知加速度的變化，加速度變化過(guò)快就會(huì)提示啟動(dòng)安全氣囊。而現(xiàn)在的加速度計(jì)非常小，成本降低，這才使得我們的汽車都配備了安全氣囊。正是微納操作技術(shù)的發(fā)展使得加速度計(jì)可以由大變小。本世紀(jì)初，福田敏男教授成功地進(jìn)行了世界首次對(duì)碳納米管的三維操作，將三維操作縮小到10納米之內(nèi)，為半導(dǎo)體制造技術(shù)帶來(lái)了重大革新。

為了展示微納技術(shù)的廣泛應(yīng)用，福田教授邊說(shuō)邊畫了一輛自動(dòng)駕駛汽車?！捌嚿嫌性S多微小的傳感器，是最新的微納技術(shù)產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、零部件的自動(dòng)控制等，比如汽油中加入納米燃油添加劑，使燃燒更加完全，減少了尾氣的排放污染；微納技術(shù)還可以應(yīng)用在鋰電池中，使電池更耐用 ……”

基于導(dǎo)軌混合驅(qū)動(dòng)的模塊化微納操作機(jī)器人系統(tǒng),有效提高了生物目標(biāo)顯微操作的靈活性與高效性

福田敏男（左二）與北京理工大學(xué)仿生機(jī)器人與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、長(zhǎng)江學(xué)者黃強(qiáng)教授（左三）等合影

再比如每個(gè)公司辦公室隨處可見(jiàn)的打印機(jī)，電腦連著打印機(jī)，而打印噴頭用的就是微納技術(shù)，如果沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，打印機(jī)不可能這么便宜，打印機(jī)的成本因微納技術(shù)而降低。這些都佐證著微納技術(shù)如何進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，又如何給人類營(yíng)造一個(gè)更舒適的生活。

福田敏男教授特別喜歡一部老電影《神奇旅程》中的一個(gè)情節(jié)：科學(xué)家被縮得非常小，注射進(jìn)人體內(nèi)完成了手術(shù)。由此，他引出了一種新型的機(jī)器人——納米機(jī)器人。比如現(xiàn)在已經(jīng)在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用的一種納米級(jí)別的磁性粒子，給病人注射這種磁性粒子，在磁場(chǎng)的作用下，就可以控制這些粒子在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而把藥物送達(dá)病灶，或者是可以直接高溫?zé)腊┘?xì)胞。

要在中國(guó)栽下“兩棵樹”

2012年，福田敏男入選我國(guó)首批“千人計(jì)劃”外國(guó)專家項(xiàng)目，受聘為北京理工大學(xué)智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)主任，全職加入北京理工大學(xué)。

微納操作機(jī)器人其實(shí)只是福田敏男教授的一個(gè)研究方向。比如，早前在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，他首次提出了用于仿猿猴機(jī)器人的一種擺動(dòng)控制器，為機(jī)器人的自然運(yùn)動(dòng)和智能控制研究起到了極大的推動(dòng)作用。來(lái)中國(guó)，他把研究方向定在了微納操作機(jī)器人。

“有人疑惑，我來(lái)到中國(guó)并沒(méi)有選擇其他的領(lǐng)域，而是鎖定在了微納操作機(jī)器人的基礎(chǔ)性研究領(lǐng)域。很多國(guó)家制定戰(zhàn)略規(guī)劃搶占機(jī)器人的高地，中國(guó)也制定了‘中國(guó)制造2025’，機(jī)器人研究在中國(guó)有了培育土壤。如果把未來(lái)中國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)比作一棵茂盛的大樹，那么技術(shù)就是地下龐大的根須系統(tǒng)，以往中國(guó)在很多方面一直在模仿，從國(guó)外引進(jìn)一些先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)在中國(guó)有需求做真正屬于自己的機(jī)器人，技術(shù)創(chuàng)新尤為重要。樹沒(méi)有根須會(huì)死掉，這個(gè)淺顯的道理似乎大家都明白。沒(méi)有基礎(chǔ)研究，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)之樹長(zhǎng)不高。

“所以我來(lái)到中國(guó)并沒(méi)有選擇其他的領(lǐng)域，而是鎖定在了微納操作機(jī)器人的基礎(chǔ)性研究領(lǐng)域。微納操作機(jī)器人研究的基礎(chǔ)不僅要牢固，也要廣泛，把基礎(chǔ)打牢才能將產(chǎn)業(yè)化做得更好，中國(guó)在微納操作領(lǐng)域需要更多基礎(chǔ)性的研究成果?！?/p>

入職北京理工大學(xué)后，福田敏男代領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)“首個(gè)”：一是創(chuàng)建了世界首個(gè)跨尺度協(xié)同生物組裝機(jī)器人系統(tǒng)，制作出世界上最小的人工血管，實(shí)現(xiàn)了200微米人工微血管的自動(dòng)化加工；二是創(chuàng)建了世界首個(gè)納米操作機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞原位特性表征。

來(lái)中國(guó)這幾年，福田敏男教授感受到了中國(guó)機(jī)器人技術(shù)的快速進(jìn)步和市場(chǎng)的高速成長(zhǎng)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，“比如追求快出成果的應(yīng)用研究相對(duì)較多，理論研究較少，這不利于機(jī)器人技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展；現(xiàn)在機(jī)器人在中國(guó)非常熱，如何把這個(gè)熱度維持下去是我們應(yīng)該考慮的問(wèn)題；中國(guó)系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展非?？?，但零部件技術(shù)，比如電機(jī)、減速器等發(fā)展相對(duì)緩慢，需要加大力度?！?/p>

福田敏男教授指出，做好機(jī)器人基礎(chǔ)性研究，有三個(gè)條件缺一不可。一是人力資源方面，需要更好的科學(xué)家，踏踏實(shí)實(shí)從事科研工作；二是要資金，現(xiàn)在中國(guó)政府設(shè)了很多基金，來(lái)扶持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這是個(gè)好事兒；第三個(gè)就是機(jī)會(huì)，從政府到學(xué)校都重視基礎(chǔ)性研究，便會(huì)給科研人員很多機(jī)會(huì)和很好的環(huán)境做研究。

在他看來(lái)，學(xué)生就像棵樹，給足夠的水和陽(yáng)光，就能茁壯成長(zhǎng)?！拔艺J(rèn)為學(xué)生不是由教授來(lái)培養(yǎng)的，教授的職責(zé)是啟發(fā)學(xué)生，教授需要做的只是給學(xué)生好的機(jī)會(huì)，當(dāng)然也需要給他們好的建議，另外進(jìn)入一所好大學(xué)、有一個(gè)好的環(huán)境也非常重要。”迄今為止，他已培養(yǎng)了30多名中國(guó)博士生，包括“千人計(jì)劃”專家郭書祥教授在內(nèi)的大部分學(xué)生已成為中國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域的中堅(jiān)力量。在福田敏男教授的電腦里，他把自己所有的博士研究生的頭像，都集合在一張圖片里，他喜歡給大家介紹這位在做什么研究，那位最近又取得了什么成果。

這兩棵樹，就是這位年近70歲的院士的動(dòng)力。正如他的學(xué)生所說(shuō)，老師對(duì)科研絕對(duì)是“真愛(ài)”!（孫韜在此次采訪中提供幫助，特此致謝?。?/p>