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《中国科学报》福田敏男:微纳机器人之父

发布日期: 2017-10-25

 

作为全球首位提倡微纳操作机器人的开拓者、领军者,“培养更好的科学家,踏实从事科研的人”,是福田敏男来到中国,除了科研之外,正在努力的事。

在电影《神奇的旅程》中,有这样一组镜头。科学家被缩小,注射入人体内完成手术。然而在未来,同样的场景也许不再只存在于科幻电影,随着微纳技术的发展,某一天微纳机器人甚至可以直接钻入人体完成某一大手术,再从某部位钻出来。

引领这一梦想的,是一名来自日本的国际机器人权威专家、“外国专家千人计划”入选者、北京理工大学智能机器人研究所特聘教授——福田敏男。作为全球首位提倡微纳操作机器人的开拓者、领军者,他的理想与中国迅速发展的人工智能不谋而合。

泛舟而来的灵感

“有时候,回想梦想的起点,有一点奇妙的感觉。”福田敏男说。

那是上世纪80年代初的一个午后,福田敏男悠闲地泛舟河上,无意间瞥见水中的生物,便用一个空饮料瓶将河水带回学校。在显微镜下观察,他发现众多的微生物在小水滴里“跳舞”,“这个肉眼看不到的世界竟是如此神奇”。从水滴中的微生物得到的灵感,让他对微纳操作机器人产生了浓厚的兴趣。而那时中国机器人研究刚起步,中国将智能机器人主题纳入“863计划”是在那之后两年的事。

1984年起,福田敏男将微纳机器人作为科研的主攻方向,用半生的努力致力于这项事业,以推动机器人发展的大跳跃。

对于微纳机器人,也许人们比较陌生。与工业机器人、服务机器人、水下机器人不同,微纳机器人不是独立存在的,而是众多机器人的服务者而非敌对者,它可以嵌入任何一种机器人里去,帮助实现特殊的性能。

虽然看不到摸不着,但事实上微纳技术已经被植入大系统中。比如,汽车上的陀螺仪用于判断姿态、方向,将微纳技术注入陀螺仪,汽车的提前预警速度大大提高,对于人们安全出行大有帮助。这一项技术的实现得益于本世纪初,福田敏男开创的碳纳米管的微纳操作技术。

不仅如此,福田敏男还成功地进行了世界上首次对碳纳米管的三维操作,将三维操作缩小到10个纳米之内,为半导体制造技术带来了重大革新。他将中空的碳纳米管注入金属,两端施加电压,金属融化但碳纳米管由于熔点高完好如初,熔化后的组件就像沾了墨水的毛笔,一端可用金属书写各种形状、结构,从而实现了纳米的3D打印。

他还是将自动化技术应用在纳米领域的第一人。通过机器人化的纳米操作以及自动化技术,把尘埃的飘浮不定变成有规律的动作,目前已达10纳米甚至以下的量级,有效地帮助工厂提升效率与精准度。

在中国领衔开展原创性研究

时代证明了福田敏男的眼光。如今,微纳操作机器人研究已经开展近30年,中国、日本、美国以及欧洲等国家都在暗自竞争微纳操作技术,力图以此作为机器人产业发展的新突破。

而福田敏男与中国的不解之缘也从1995年开始,应两院院士宋健邀请参加中国制造技术与装备高峰论坛,并在人民大会堂受到国家领导人接见。此后他多次访华,担任中科院自动化研究所、哈尔滨工业大学等十多个机器人重点研究单位的客座教授。

2008年,他受聘为北京理工大学机器人领域“111引智计划”的海外学术大师。2012年入选我国首批“外国专家千人计划”,成为第一位在中国全职工作的日本工程院院士,为中国培养优秀人才,开展创新研究,作出了卓越的贡献。

开头提到的电影场景,虽然目前尚未实现,但福田敏男有自己的“时间表”。在北京理工大学,他带领团队提出了一系列面向生物医疗与极端制造的先进机器人技术。

他创建了世界上首个跨尺度协同生物组装微机器人系统,制作出世界上最小的人工血管,直径为200微米的人工血管突破了毛细血管在微小之处无法实现氧分供应的瓶颈,将3D打印做出毫米级别的人工血管远远地甩在身后,为人造器官替代衰死器官带来了福音。

世界首个纳米操作机器人系统诞生于福田敏男的实验室,实现了单细胞原位特性表征,为癌症等重大疾病诊断与个性化诊疗开创了新技术。这些研究获得国际同行的高度认可,被誉为未来高端医疗诊治机器人的代表。

福田敏男告诉《中国科学报》记者,一路走来,有三个奖项在他心中颇为珍视。一个是2010年IEEE总部颁布的机器人与自动化领域最高奖“终身成就奖”,它被视为机器人领域的“诺贝尔奖”;还有一个是2014年由李克强总理颁发的中国政府“友谊奖”;同年,他还获得了被誉为“日本最高科学技术奖”的紫绶褒章奖。

培养更好的科学家

花白的胡须,干净的西装,虽然日日与机器人打交道,但68岁的福田敏男在学生眼中,更像是一名“老顽童”。不经意间一个有趣的手势,PPT上突然出现的《铁臂阿童木》,喜欢和学生们坐在一起讨论、分享快乐,都让人倍感亲切。

在福田敏男看来,培养学生就像栽培一株植物,给予足够的阳光、水分,精心照料就能健康成长。他因地制宜培养学生,不仅推荐学生赴日学习,实验室还为留学的学生提供部分资金,并联系日本的大学提供设备和平台。

2015年留校任教的青年教师王化平是福田敏男的“资深学生”。他眼中的福田敏男“精力比学生好,可以一天不睡觉。大概是二三十年都处于这种状态,早已习惯了”。

事实上,精力过人的福田敏男不只是在微纳机器人领域颇有建树,在仿生机器人领域还首创了用于仿猿猴机器人的摆动控制器,在模块化机器人领域建立了世界上首台动态自重构机器人等。

求学期间,王化平在福田敏男的支持和鼓励下,多次参加国际会议,曾在国际会议上获得学生优秀论文奖。“跟着福田老师,会有一种被尊重的感觉。他对每个学生都很了解。”

迄今为止,福田敏男已经指导了30多名中国学生攻读博士学位。他保留了每位博士生的电子照片,并为他们制作了“电子照片墙”。

许多中国弟子成为世界知名学者,包括同样受聘于北理工的“千人计划”入选者郭书祥,曾任IEEE纳米技术委员会主席的美国密歇根州立大学教授董立新。中坚力量的扩充在很大程度上提升了我国学者在世界机器人研究领域的话语权。

福田敏男还在不断推进中国学者与国际同行的学术交流,在他的指导下,由北京理工大学教授黄强等中国学者主办的IEEE CBS国际机器人大会,即将在北京召开。

树无根不立。要做好基础研究,人力资源、资金、机会三个条件缺一不可。后两者中国已经具备,而“培养更好的科学家,踏实从事科研的人”,正是福田敏男来到中国,除了科研之外,正在努力的事。