翁鼎：追踪仿生科学前沿

本刊记者 刘 江

《星球大战：最后的绝地武士》中的天行者卢克，在与黑武士光剑对决中失去了一只手之后，换上了灵巧的机器臂。这只机器臂不仅拥有人手的外形，还拥有人手一样的功能。在现实中，天行者卢克灵活有触觉的机器臂让无数人向往，很多人都希望这种技术能真正实现，造福一些手臂残疾人士。前美国宇航局天体物理学家和《星球大战科技》的作者Jeanne Cavelos曾说：“很多时候科幻小说把灵感带给了伟大的科学。”现在，在科幻电影出现的机械臂，也在现实生活中现形——仿生机械臂。

仿生机械臂的出现，不但给截肢患者带来的希望，还在微电子制造与封装、反恐排爆、位置环境探索等领域发挥着重要作用。清华大学机械工程系助理研究员翁鼎也对仿生机器臂进行了研究。现在，他正竭力探索如何把生物能运用到机械臂的驱动上，把现在仿生机械以拟态仿生转变为对生理功能的仿生。他说，实现这一目标，要走的路还走很远，很长，但他会不断前进，长期坚守。

科研之路始于必然

作为一个从小在清华园长大的孩子，在翁鼎看来，走上科研这条路是必然的选择。家庭的熏陶使“科研”这两个字很早就刻印在他的头脑里了，再加上自己从小“脑洞”比较大，对科学研究有浓厚的兴趣。

2002年，翁鼎考入清华大学基础科学班数学物理方向。本科毕业后，翁鼎前往美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）化工系攻读博士学位，师从卢云峰教授，对纳米技术、能源材料、自组装技术及材料—生物界面进行探索。在读博期间，研究病毒纳米水凝胶之时，翁鼎对生物学产生了兴趣，2012年获得博士学位后，他便进入哈佛大学医学院，在Myron Spector教授指导下开展了可注射生物水凝胶和干细胞再生医学的研究。

不管走多远，报国情怀始终是中华儿女不变的追求。出国深造前，翁鼎便没有打算留在国外，出国只是为了更好地回国。所以，在国外积累10年之后，2016年年底，翁鼎回国进入清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室工作。在这里，他向表界面工程及异相介质控制、生物3D打印和仿生机械三座“大山”发起了进攻。

所谓表界面工程，主要是通过化学修饰、吸附、双电层调控等手段实现界面的物理、化学、生物性质调控，从而赋予界面减阻、超疏水、超亲水、生物相容、生物排斥等性能。翁鼎介绍说，该研究在油水分离、界面减阻、仿生、生物防污等方面有广阔的应用空间。目前他计划把对表面工程的研究与生物3D打印、仿生机械的研究结合起来，以此来构建更加灵活的仿生机械。

“生物3D打印是结合了3D打印的结构优势和组织工程的交叉学科，因而是非常热门的生物制造手段。”翁鼎说，生物3D打印软组织以生物水凝胶作为细胞外支架类似物进行打印，结合干细胞诱导增殖，来实现皮肤、神经、肌肉等软组织的再生，进而制造具备生理功能的复杂结构，以期在一定程度上替代因手术或外伤造成的大面积组织损失，填补生理结构，恢复生理功能。现在，他以酶催化生物水凝胶为打开含细胞生物3D打印技术大门的钥匙，但是对应的工艺和平台还没有完全建立，他希望自己的研究能把这条路先打通。

在采访中，翁鼎说，他有着交叉学科的背景，这是他开展科研探索的得力工具。他还准备结合机器人和生物3D打印技术，来构建生物机器人。“在生物仿生领域，我希望由生物能作为驱动能来研发生物机器人。该研究涉及到仿生机械、材料、生物3D打印、组织工程等多个领域，在微型机械、肌肉萎缩、截肢、截瘫、康复训练、人体外骨骼机器人、仿生机器人等方面有广阔的应用前景。”

十年寒窗磨一剑，只待今朝问鼎时。在国外积累了丰富经验的翁鼎，回国后，希望用自己学到的知识为祖国科研打开一扇窗。他也相信，组织工程与生物3D打印结合也将是生物医学发展的一大趋势，他将不断追求科学前沿，力攀科学高峰。

机械手臂创造无限可能

20世纪中期，计算机和自动化技术的发展，为机器人的开发奠定了基础。与此同时，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这些需求背景下，美国首先于上世纪40年代开发了遥控机械臂。随后，更多国家投入到研发机械臂的队伍中。

驱动单元是机械臂的重要组成部分，按驱动方式可主要分为液压式、气动式、电动式、机械式等，在制造业、医学、军事以及太空探索等领域都有重要意义。回国后，翁鼎也对机械手臂进行了深入研究。他说，随着科技的发展，仿生机械臂现有的减速电机、液压、气动等驱动系统暴露的缺陷同优点一样明显，要使机械臂在生物医疗方面发挥更大的作用，开发新的驱动能源势在必行。在生物材料领域有坚实基础的翁鼎，在国家自然科学基金青年基金项目“生物能驱动机械臂的基础研究”中，提出把生物能运用到机械的驱动中的设想，以期拓展机械臂的在生物医疗等领域的应用。

翁鼎介绍说，在医疗卫生健康领域，人造肌肉目前大都存在小型化与负载能力的矛盾，以及与生命体融合的可能性较低的问题。近年来，利用生物能来驱动机械结构成为一大研究热潮。“生物能驱动单元可以是心肌、骨骼肌、鞭毛等生物组织和生物材料。尤其是骨骼肌组织，相较于传统纯机械驱动单元，在小型化和生物相容性上具有独特的优势，同时电磁信号更隐蔽。”这些优点使基于骨骼肌电控驱动单元的生物机械在未来更有可能和人体实现高度融合，在肌肉萎缩、截肢、截瘫、康复训练、人体外骨骼机器人、仿生机器人等方面有广阔的应用前景；同时也将对我国医疗卫生甚至军事实力方面产生深远的影响。

那么，如何提高生物机械整体结构的负载能力？翁鼎说，这就不得不对生物3D打印技术进行探索。“近年来，生物3D打印技术与组织工程学结合得越来越紧密。在软组织再生方面，生物3D打印将细胞外支架类似物（通常是水凝胶材料）与细胞、生长因子等通过层叠堆积的方式构建出需要的宏观形貌，之后通过组织工程技术使细胞增殖并产生生理功能。这种方法非常适合构建生物机械的驱动单元。然而，由于水凝胶材料自身的强度较弱，导致了整体结构的负载能力有限。因此，提升整体结构的负载能力仍是现在生物3D打印构建生物机械的主要难题。”

为解决这一难题，在项目研究中，翁鼎将从水凝胶分子设计、宏观结构设计和3D打印成型等角度来尝试突破，利用生物3D打印，构建机械强度较高又适于骨骼肌组织再生的高分子水凝胶，再通过体外训练提高体外再生骨骼肌的承载能力，以此来达到提高生物机械驱动单元负载能力的目标，为灵活的机械臂的问世铺垫基础。

行胜于言。这影响了一代又一代清华人的精神，鼓舞了一大批治学、兴业、治国的英才，挺起民族的脊梁，在科技进步和学术发展中，填补一个又一个空白，刷新一项又一项的纪录。从清华子弟、到清华学子，再到清华职工，这笔笔精神财富翁鼎从未丢弃，而是时时激励他不断突破创新，追求卓越。展望未来，翁鼎说，在走好当下之路的同时，要把科研和国家的需求有机融合在一起，在自己专业领域创造更多可能。