突破“光”與“生物”的前沿共性難題
——記北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院、北京市智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心教授張帥龍

倪海波

2018年，諾貝爾物理學(xué)獎的一半授予美國科學(xué)家阿瑟·阿什金，以表彰他對光鑷技術(shù)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。正如阿瑟·阿什金所說：“精準(zhǔn)操控細(xì)胞的能力，為我們打開了研究細(xì)胞功能的大門?！惫忤囎鳛橐豁?xiàng)多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，正吸引越來越多科學(xué)家投入其中。2005年，張帥龍導(dǎo)師的導(dǎo)師——美國加州伯克利大學(xué)的Ming Wu教授在光鑷技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了“光電鑷子”，為科學(xué)家開通了用光捕捉最佳細(xì)胞的路徑。此后，Ming Wu教授創(chuàng)辦的Berkeley Lights公司在納斯達(dá)克上市。公司開發(fā)的光電鑷產(chǎn)品在抗體開發(fā)、細(xì)胞療法、新冠疫苗研發(fā)等領(lǐng)域取得了卓越的成就。

“和國外相比，我國在相關(guān)產(chǎn)學(xué)研方面主要存在的問題是一些關(guān)鍵技術(shù)和專利還沒有掌握，如用于光學(xué)操控的光電三極管材料開發(fā)難題還沒有攻克；領(lǐng)域交叉學(xué)科的人才尚有欠缺；國家在相關(guān)方面缺乏長遠(yuǎn)的投資支撐等。”張帥龍如是闡述中國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展面臨的一系列難題，而這也是他回國開啟新征程的主要原因。

解碼神奇的光電鑷微納機(jī)器人

什么是光電鑷？它在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用會給人類生活帶來怎樣的影響？

光電鑷，顧名思義，是一種利用光電場抓住物體的工具。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)，它利用光束誘導(dǎo)產(chǎn)生電場，對微小粒子如細(xì)胞器、生物大分子等進(jìn)行夾持、操縱及微加工，是一種理想的微觀研究工具。近年來張帥龍所關(guān)注的微納機(jī)器人研究發(fā)展正是基于光電鑷技術(shù)的前沿交叉研究。

早在1966年上映的電影《奇幻旅程》中，就有了對未來微納機(jī)器人的神奇想象：一名醫(yī)學(xué)科學(xué)家將5名同事縮小到納米尺寸并注入自己的體內(nèi)，讓他們“游”到患病區(qū)域替自己治療。如今，當(dāng)年的科幻夢想已經(jīng)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)——近年來，依靠微尺度光操控平臺對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動的光操控微納機(jī)器人技術(shù)正趨向成熟，已應(yīng)用于細(xì)胞操控、生物組織定向培養(yǎng)等領(lǐng)域。其中基于光電鑷技術(shù)的微納機(jī)器人技術(shù)具有易操控、多功能、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，是微納操作機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。

但由于受機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和介電材料限制等，現(xiàn)有微型機(jī)器人無法在高電導(dǎo)率的細(xì)胞培養(yǎng)液中工作，限制了它的生物學(xué)兼容性和在細(xì)胞操作領(lǐng)域的應(yīng)用。為了突破這一技術(shù)瓶頸，張帥龍開發(fā)出一種新型微米量級的光電驅(qū)動機(jī)器人。它由光電鑷系統(tǒng)產(chǎn)生的介電泳力驅(qū)動，可對細(xì)胞、生物組織等微小目標(biāo)進(jìn)行“捕獲”“運(yùn)輸”“釋放”“裝配”等靈巧操作，也可在單細(xì)胞層面上進(jìn)行細(xì)胞分選、培育和基因測序等工作。該機(jī)器人不僅可有效對目標(biāo)施加操控力，同時(shí)支持多機(jī)并行操控。它的制作工藝簡單，整套系統(tǒng)操控精度高，生物毒性低，大大降低了微型機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化門檻。

這項(xiàng)成果為生物醫(yī)學(xué)研究提供了一種高效且無傷害的細(xì)胞操控工具，使得細(xì)胞存活率比原有技術(shù)提升30%，細(xì)胞移動速度提升2倍以上。成果發(fā)表在世界著名雜志《美國科學(xué)院院刊》（PNAS），得到了媒體的廣泛報(bào)道。光電鑷發(fā)明者M(jìn)ing Wu教授高度評價(jià)該技術(shù)稱：“這種機(jī)器人在操作那些很難直接用光電鑷移動的物體時(shí)會非常有用?！?/p>

雖然研究取得突破性進(jìn)展，但張帥龍對于光電鑷微納機(jī)器人的探索和思考仍一直在繼續(xù)。隨著不同學(xué)科日新月異的發(fā)展，學(xué)科交叉融合引導(dǎo)著一項(xiàng)項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)的面世。在張帥龍看來，光電鑷微納機(jī)器人技術(shù)充分體現(xiàn)了“共性導(dǎo)向，交叉融通”的學(xué)科特性。

2020年，張帥龍作為主要項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者參與了加拿大政府和英國物理研究學(xué)會共同資助的重大科研項(xiàng)目——用于自動大腦解剖的微型機(jī)器人研究。該項(xiàng)目的核心任務(wù)就是利用光操控機(jī)器人技術(shù)對神經(jīng)元干細(xì)胞進(jìn)行挑選，這是一個(gè)非常棘手的問題。最終，張帥龍利用自己研發(fā)的光操控機(jī)器人成功解決了這一問題。“這是一個(gè)跨國性的研究項(xiàng)目，加拿大團(tuán)隊(duì)主要是負(fù)責(zé)硬件、機(jī)器人和系統(tǒng)的研發(fā)；英國團(tuán)隊(duì)則負(fù)責(zé)軟件的開發(fā)，即如何正確識別神經(jīng)元干細(xì)胞?！痹陧?xiàng)目實(shí)施的過程中，張帥龍深刻體會到了會聚多交叉學(xué)科知識，融會貫通助力科研的魅力，更加篤定了自己要走學(xué)科交叉融合創(chuàng)新之路的決心。

做飲水思源的科研人

研究立足科學(xué)前沿，解決多學(xué)科領(lǐng)域交叉的共性難題，這是張帥龍這些年研究的主要特點(diǎn)。而這一科研思維方式的養(yǎng)成，與他的研究經(jīng)歷有著緊密的聯(lián)系。

張帥龍本科畢業(yè)于北京理工大學(xué)信息工程專業(yè)，畢業(yè)后前往英國斯特萊德大學(xué)光子研究所攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，研究半導(dǎo)體光學(xué)器件。在加拿大進(jìn)行博士后研究期間，他轉(zhuǎn)向生物和微流控研究，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，逐漸將自己接觸的多個(gè)學(xué)科知識進(jìn)行交叉融合，走上了這條“共性交融”的跨學(xué)科前沿問題研究之路。

歷經(jīng)多個(gè)世界科學(xué)研究殿堂，置身全球一流科研團(tuán)隊(duì)開展研究，感受名家大師、新銳學(xué)者的風(fēng)范，領(lǐng)略國際前沿科技發(fā)展趨勢……沐浴在學(xué)術(shù)自由的文化氛圍里，張帥龍收獲了豐富的國際化工作經(jīng)驗(yàn)和深厚、扎實(shí)的前沿科學(xué)研究背景。正是這些沉淀，成就了一個(gè)在微納操作研究領(lǐng)域建樹頗豐的青年學(xué)者。

2021年，張帥龍響應(yīng)國家的號召，回到母校——北京理工大學(xué)發(fā)展。加入北京市智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心的福田敏男院士團(tuán)隊(duì)。福田敏男是全球首位提倡微納操作機(jī)器人的開拓者、領(lǐng)軍者，中國科學(xué)院外籍院士，其帶領(lǐng)的北京理工大學(xué)微納機(jī)器人團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成為領(lǐng)域里的佼佼者。置身這樣的環(huán)境，有一群志同道合的人，張帥龍期望能將自己的優(yōu)勢更好地發(fā)揮出來，助力相關(guān)行業(yè)的跨越發(fā)展。

作為一名85后年輕博士生導(dǎo)師，即使在領(lǐng)域里已經(jīng)小有成就，但張帥龍一直保持著謙遜的態(tài)度，時(shí)刻懷著一顆感恩的心?！霸趪饬魧W(xué)和工作的11年中，我得到了很多人的幫助，比如我的博士生導(dǎo)師Martin Dawson教授和顧爾丹教授，博士后導(dǎo)師Steven Neale博士、Jonathan Cooper院士和Aaron Wheeler教授，他們的指導(dǎo)與支持是我在科研道路上不斷前行的動力。我還要感謝北京理工大學(xué)的張軍校長、陳鵬萬院長、黃強(qiáng)主任、周勇書記、杜寧主任、石青教授、段星光教授、王化平教授、劉曉明教授等，他們在引進(jìn)我回國工作的過程中給予了我很多的支持與幫助?！?/p>

張帥龍想要感謝的，還有自己的親人。在得知自己想要回國的想法后，妻子蔣王紫微毅然舍棄了在加拿大的優(yōu)渥生活，陪他回到北京。同是大學(xué)老師的父母，從小到大對張帥龍秉持的教育方式是言傳身教，默默支持和鼓勵著他做的每一個(gè)決定，他們是張帥龍人生路上最大的助力。心懷感恩首孝悌，飲水思源當(dāng)報(bào)國。對張帥龍來說，回國是無悔的選擇。

在張帥龍看來，作為一名科研人，不僅要不斷攀登專業(yè)高峰，還要讓科研之光照亮更多青少年。2012年至今，他為小學(xué)生、中學(xué)生和普通群眾組織了10多次科普活動?！耙环矫妫蚁氚蜒芯砍晒窒斫o大眾，另一方面為了激發(fā)青少年未來能夠?qū)茖W(xué)研究的興趣?！睆垘淉堈f，他希望能針對國家的重大需求，做更多原創(chuàng)性、創(chuàng)新性的研究，比如“癌癥的早期篩查”“單細(xì)胞的分析和提取”“抗體藥物開發(fā)”等，最終將實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用到人民大眾的生活中去。