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机器人行业领军人孙立宁教授:创新不止,无“微”不至

发布时间: 2020-03-03发布者: 浏览量: 236


图1 | 孙立宁教授

他是发明家,醉心微纳机器人前沿研究与技术探索近30年,所获成果无数。

他是推动者,突破多项关键技术与系列化智能制造装备的研发与产业化,为我国工业机器人的发展进步保驾护航。

他是领军人,较早在国内开展医用机器人研究,所研制的腹腔镜手术机器人代表了我国手术机器人的最高水平。

他是探索者,以机器人技术为核心,多学科交叉融合,不断拓展微纳机器人的边界与未来。

他就是哈尔滨工业大学机器人研究所教授、机器人与系统国家重点实验室副主任;苏州大学特聘教授、机电工程学院院长、博士生导师孙立宁。

微纳机器人,是孙立宁一生的关键词。潜心笃志30年,他带领团队,不断以新理念、新技术、新工艺、新材料为微纳机器人赋能,将它与微纳制造、生命科学、生活服务,以及更多的行业紧密相连。

图2 | 孙立宁(左)在恰佩克颁奖大会上被授予突出贡献奖,和恩师蔡鹤皋院士合影

随着微纳技术与机器人融合发展,微纳机器人逐渐走进人们的视野,成为共融机器人中的一员。

那么,到底什么是微纳机器人?

孙立宁介绍,微纳机器人指尺寸在微纳米级别的可对微纳空间进行操作的功能器件,也指能够处理微纳米尺寸部件的机器人。它的最大特点,就是操作尺度小,小到尺度为毫米、微米和纳米量级的零件都能轻松操控。

微纳机器人体积虽小,但功能却十分强大。凭借在微纳尺度上优异的灵活性、适应性,它在生物医学、微纳制造和军事等领域中的应用愈发广泛。

自上世纪80年代由被誉为“微纳机器人之父”、来自日本的国际机器人权威专家福田敏男提出后,微纳机器人一直作为机器人领域的前沿方向,吸引了一批国内外优秀科研工作者投身其中,潜心攻坚。

1990年,正在哈工大攻读博士的孙立宁在导师蔡鹤皋院士的引领下,通过一根“压电陶瓷”开启了他微机器人技术的研究之路,成为我国较早开展相关研究的科技人员之一。

他率领团队经过5年的不懈努力,研制出了高性能压电陶瓷驱动电源与全数字控制器、纳米级微驱动系统,这些成果广泛应用于微位移输出装置、力发生装置、机器人、光学扫描等领域。与此同时,他还开发了6自由度并联微驱动机器人、6自由度纳米级宏/微操作并联机器人、2自由度大行程微驱动机器人等多种纳米级微驱动机器人。立足该方向,他先后承担和完成了多项国家项目,分别于1996年和1998年获航天工业总公司科技进步奖二等奖。

从1996年起,孙立宁以微驱动机器人为基础,进行了面向MEMS组装和封装、生物工程、光纤作业等领域的微操作机器人的研究,分别建立了微操作机器人系统,其成果被评价为“达到国内领先、国际先进水平”。同时,他研制出的8种微操作机器人得到推广应用,其中“神光Ⅲ”靶支撑和传感器支撑机器人,应用于国家重大科学工程项目上;激光陀螺精密调腔机器人,应用在国防军工生产上,包括型号研制、生产和科研,填补了国内空白,2007年获国家科技发明二等奖。

值得一提的是,孙立宁不仅带领团队做到了立足当下,解决现实所需,还时刻关注国际科研发展趋势,着眼未来提前布局研究方向。医用机器人便是一项成功探索。

世界上第一台手术机器人出现在1983年,首次使用是1985年。但医用机器人真正在临床较广泛应用是进入21世纪之后,且随着相关技术的快速发展,呈现愈发火热的研究与应用态势。而早在上世纪90年代中期,孙立宁就敏锐觉察到了医用机器人的广阔前景。

图3 | 孙立宁早年实验照片

新世纪伊始,手术机器人领域研究在国际上刚刚兴起,在国内基本是一片空白。孙立宁果断抓住这一机遇,集结国内优质的医学团队和工科团队,在科技部的支持下率先在国内开展了“机器人辅助骨科手术系统”的研究。该研究突破了影像导航、主从操作、力位控制等多项关键技术,实现了国内当时最完整的全数字化骨科手术机器人系统。此后以该项目为基础,他们又先后开发了“椎间盘置换手术机器人”和“脊柱微创手术机器人”等多个种类的骨科手术机器人。

经过10年的技术沉淀后,孙立宁又带领团队转向了更为复杂的腹腔镜微创手术机器人系统的研究。团队相继承担了多项国家级的腹腔镜微创手术机器人项目,攻克了多自由度手术机械臂、主操作手、微小型手术器械、主从实时直觉操作等多项核心关键技术。

瞄准国际科技前沿,创新不止。2008年,孙立宁率领团队针对微纳操作机器人、纳米药物基础理论与国际前沿技术,提出了融合纳米游动机器人和微纳操作机器人而形成的任务协同、功能共融的多尺度微纳米机器人创新体系结构,实现了纳米器件的三维制造,并为主动靶向纳米游动机器人的研究提供了平台支持。目前这一研究仍在不断创新突破中。

理论研究和科研成果不应束之高阁,而是要转化为实际生产力,服务于实际生产和生活,推动社会经济发展。这一理念始终贯穿孙立宁的科研工作中。

为了推动其在微纳领域取得的一系列成果实现科技转化和产业化,孙立宁带领团队先后建立了微纳米机器人与系统集成研究平台、高性能工业机器人及机电一体化装备研究平台、医疗微创手术机器人集成研究平台,推动产学研用协同发展模式,整合资源,鼓励团队创新创业,最终在这三方面均实现了产业化推广与示范应用。

● 微纳技术装备产业化

深耕多年,孙立宁团队所攻关的纳米微驱动技术大多实现了产业化,相关产品亦推广应用,替代进口产品,受到了用户广泛认可。

比如,他们研制出了8种微操作机器人并推广应用,研制的神光III靶支撑和传感器支撑机器人,应用于国家重大科学工程“神光III原形装置”项目上;研制的激光陀螺精密调腔机器人,应用在国防军工生产上;面向MEMS制造领域,研制的6种微操作机器人,应用于型号研制、生产和科研中,并通过了技术鉴定,填补了国内空白,取得良好的经济与社会效益,并在激光约束聚变、惯性器件制造、MEMS制造、生物医学、光学精密工程、集成电路封装与测试、超精密加工等领域显示出广阔的应用前景。

这些成果,不仅为提升我国精密/超精密作业机器人与机电一体化装备的自主创新能力和研发水平起到了重要的示范带动作用,更为国家重大科学工程提供了技术和设备支撑,切实提高了相关行业领域的操作精度、产品质量和生产效率。

目前相关产业化成果已累计产生经济效益达2.5亿元。

● 微创外科手术机器人示范应用

2019年1月,一台特殊手术在福建福州成功实施。一位医生在操作端远程操控手术机器人,为50公里外医院内的实验动物实施了肝小叶切除。

这是全球首例基于5G网络的远程动物手术,所采用的手术机器人即为孙立宁团队研制的腹腔镜手术机器人。

在孙立宁的领导下,这个自2008年起研究至今的手术机器人系统,在设计思想、人机协作控制算法、机械臂结构等多个方面实现了突破,在2013年通过了科技部项目验收。此次远程手术的实施,正是团队近年着力推动其产业化的结果。

值得一提的是,其中一款腹腔镜手术机器人产品,在2019年通过了国家创新医疗器械特别审查,向产业化迈出一大步。

除了腹腔镜手术机器人,他们开发出的微创外科手术机器人,基于生物信息控制的智能假肢、助行与康复训练机器人以及肠道诊疗机器人等医疗机器人系统和多种教育与家政服务机器人等产品,实现了应用示范,产生了重大的社会效益,带动一系列相关医疗领域高新技术应用的研究与开发。

此外他们还建立了若干个机器人辅助外科手术系统、沉浸式手术仿真系统、基于增强现实的影像导航系统、康复与护理服务机器人系统等样机,应用于动物实验或临床。

路仍在延伸,孙立宁深感仍在带领团队潜心攻关,不断拓展微纳机器人的新边界。

比如在纳米游动机器人领域,他们正探索这一多学科交叉的前沿热点,提出了一种融合纳米游动机器人和微纳操作机器人而形成的任务协同、功能共融的多尺度微纳米机器人创新体系结构;构建了集测试、操纵功能于一体的微纳操作机器人,实现了跨尺度生物分子/细胞的精密操控、多维生物信息检测和多特征参数提取,为主动靶向纳米游动机器人的设计制备优化、运动控制、精准靶向给药提供了方法和平台支持。相关论文已发表于多家领域内国际顶级期刊,获得高度评价。其中多项成果以封面论文的形式发表于顶级期刊上,并得到专门撰文介绍、网站高亮展示。

这些成果,不仅拓宽了机器人技术在微纳尺度下的应用边界,还将为现代纳米医学提供关键理论与技术支撑,增强我国在生物医药与治疗领域的自主创新能力,加速我国靶向药物研发进程。

图4 | 孙立宁为院士等专家讲解实验项目

潜心笃志30年,孙立宁带领团队专注微纳机器人的研究和开发,围绕机器人结构、驱动与控制、作业机理与方法、系统集成等基础理论与关键技术突破、高性能工业机器人机器机电一体化装备研究、医疗微创手术机器人的前沿探索与集成研究,他们在微纳领域实践出一条从理论到应用再到产业化的生态发展之路。

一路走来,挑战重重,并不平坦,但是所有的付出最终收获了肯定。多年来,孙立宁主持973、863、国家自然科学基金、国防基金等项目20余项,带领团队获得了包括国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖在内的国家、省部级奖励10余项,赢得了业内外高度认可。

如今,微纳机器人发展日新月异,无“微”不至。在生物医学领域具有最广泛的应用前景,如靶向药物传送与释放、疾病诊断与治疗等;在军事方面也有着举足轻重的地位;在纳米加工、高端制造和环境监测之中的应用也不容小觑。随着人工智能、云计算、5G等新技术的不断赋能,其产品迭代将加速,未知应用领域将被挖掘,一个个新的课题研究方向也将不断形成。

微电子、微光学、微机械……在这个对精密与精准要求越来越高的时代,微纳机器人拥有不可被定义与限制的未来。目前,中国、日本、美国以及欧洲等全球主要国家和地区都高度重视微纳机器人的发展,争相布局,力图以此作为机器人产业发展的新突破。孙立宁深感任重道远。

步履不停,创新不止。孙立宁正带领他的团队抓住“微”时代的发展机遇,为“神奇”的微纳机器人创造更多的“奇迹”。

孙立宁,哈尔滨工业大学机器人研究所教授、机器人与系统国家重点实验室副主任;苏州大学特聘教授、机电工程学院院长、博士生导师。长期从事微纳机器人前沿研究,主持973、863、国家自然科学基金、国防基金等项目20余项,在机器人机构、驱动与控制、作业机理与方法、系统集成等方面取得重要成果,并在神光Ⅲ等重大工程及微纳制造、生命科学及国防等领域得到成功应用。先后荣获国家杰青、长江学者特聘教授、万人计划领军人才等称号,并担任中国微米纳米学会微纳机器人分会理事长,中国医疗器械行业协会医用机器人分会理事长,中国机电一体化技术应用协会副会长,中国自动化学会机器人委员会副主任,国家863计划微纳制造领域专家,MEMS重大专项总体组组长。获国家技术发明/科技进步二等奖2项、省部级奖励8项,发表论文300余篇,发明专利80项,出版专著5部。组建了一支具国际竞争力的机器人团队,为机器人相关学科的创建与发展做出了卓越贡献。

(来源:《科技创新与品牌》杂志2020年01月刊) 犀灵机器人http://www.kadeta.com整理发布


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