微纳技术：机器人技术长远发展的“敲门砖”——访中国科学院外籍院士福田敏男

文/张晓

就像猿猴在丛林里游荡，机器人的双臂交替着抓着单杠向前；一支智能的手杖底部居然有几个轮子，遇到障碍物会自动停止，还能预防倾倒；在一个细胞的四周，很多微小的粒子要合作起来推动目标细胞的移动……

这些都是福田敏男教授关于机器人的研究。真是神奇，大到如真人般的仿生机器人，小到比细胞还要小的粒子，这些居然都是机器人的研究范围。

炎炎夏日，福田敏男教授刚刚在首都师范大学做了一场学术报告——多尺度机器人。随后，在他北京理工大学的办公室，我专访了这位机器人领域的大师——北京理工大学教授、中国科学院外籍院士福田敏男（Toshio Fukuda）。与人们印象中古板严肃的科研者不同，福田敏男亲切活泼，你一下子就感受到他眼神里传递的亲切和温暖，他的微笑、他对机器人研究的热情瞬间就感染了我。

产业展望：服务机器人

“人们常说的四大机器人巨头，瑞士ABB、日本发那科及安川电机、德国库卡，都集中于工业机器人领域。其实在二三十年前，工业机器人在中国几乎不存在，但在如此短的时间内，中国诞生了很多优秀的企业在做这方面工作，比如新松机器人，虽然可能现在精度没那么高，但找到了很好的应用。”

采访伊始，福田敏男教授就如数家珍般地介绍起了机器人产业。他说：“虽然工业机器人很普及，但可以预见未来空间更大的是服务机器人，比如老龄化社会会更需要帮助打扫、照顾老年人的机器人。”

最近十年来，福田教授一直带领日本名城大学的团队研究一种智能手杖，他称之为icane。“i就是智能的意思，能感知人的步态、提前预防跌倒。服务机器人需要更加聪明，得先对环境作出判断然后才能作出反应，所以，我们需要更多的传感器成为我们的眼睛、耳朵的延伸。”

谈到传感器，福田教授提到了大疆无人机，“大疆无人机已经占有了全世界70%的市场份额，在航拍上应用很广。大疆的创始人汪滔是香港科技大学毕业的，是香港科技大学机器人技术教授李泽湘的研究生。大家都知道大疆的无人机，其实李泽湘带领的固高科技在电机控制领域也非常厉害。谁在机器人的哪个方面比较牛，我都知道啊！”福田教授像个老顽童般调侃说。

随即他让学生新打开包装拿来一个类似自拍杆的家伙，但是比自拍杆多了N个轴。福田教授把手机卡住，随即对着自己照了起来，瞪大眼睛来个笑脸，喜上眉梢，再换个角度，教授似乎瞬间变成了超级可爱的自拍美少女。他这演员般的动作展示再加上他的英文讲解，我总算明白，无论你在手机面前如何移动，这个超级自拍杆会可以带动手机前后左右地移动时刻追踪你的脸，那些个杆就相当于我们的手腕啦。“大疆的无人机可以在空中实现这种定位、追踪和拍摄。”

微纳操作机器人领域的开拓者

对于机器人技术的未来发展，福田教授看好软件的发展，“我预计软件可能在未来五到十年会有一个大的提高。机器人来到人类中间，必须要有个交互，要嵌入到人类社会生活里边去。”

另一项影响机器人长远发展的技术是微纳技术。福田教授认为，微纳技术将会成为机器人技术获取长远发展的一块“敲门砖”。

“与工业机器人、服务机器人、水下机器人、特种机器人等不同的是，微纳操作机器人不是独立存在的，它是一种可以嵌入到任何一种机器人里去的一种技术，应用成功的话，机器人就如虎添翼，它将成为所有种类机器人亲密的伙伴和宠儿。微纳技术是未来十至二十年最有潜力的技术之一，将会带给整个世界以革命性的改变。”

早在1984年，福田敏男就开始研究微纳操作机器人。

“回想起促使我出发的起点，有一点很奇妙，那还是20世纪80年代初的一天午后，我在一条小河上悠闲地划船，无意中发现活动于水中的生物，我便用一个空饮料瓶带了一瓶水回学校，在显微镜下，小水滴里竟然有那么多的微生物，这个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们，然而，对于微生物来说，手实在太大了，根本就不可能抓得住。好奇心驱使他一直在思索如何抓住如此微小的生物，探索如何设置一种特殊的装置来控制“抓取”这个动作的开合、握力的大小等。可以说，福田敏男从事微纳操作机器人研究的灵感就来源于此。

“五十年前电脑跟一个房间那样大，而如今微型计算机就跟芯片一样大。微纳操作机器人未来将会越来越小，也将会越来越有效率。比如我们手臂上的肌肉，它由一个个微小的细胞组成，而手臂却能运动并具有惊人的力量。可以看到，如今整个世界都在做微纳技术，比如碳纳米管、生物传感器等，都是这方面典型的案例。” 而福田教授正是碳纳米管微纳操作技术的首创者。

虽然看不到摸不着，但如今微纳技术已经应用在我们的日常生活中。福田教授介绍，20年前，非常昂贵的汽车才会配有安全气囊，原因就在于那时汽车的加速度计太大。加速度计是一种传感器，用来感知加速度的变化，加速度变化过快就会提示启动安全气囊。而现在的加速度计非常小，成本降低，这才使得我们的汽车都配备了安全气囊。正是微纳操作技术的发展使得加速度计可以由大变小。本世纪初，福田敏男教授成功地进行了世界首次对碳纳米管的三维操作，将三维操作缩小到10纳米之内，为半导体制造技术带来了重大革新。

为了展示微纳技术的广泛应用，福田教授边说边画了一辆自动驾驶汽车。“汽车上有许多微小的传感器，是最新的微纳技术产物，可以实现自动驾驶、零部件的自动控制等，比如汽油中加入纳米燃油添加剂，使燃烧更加完全，减少了尾气的排放污染；微纳技术还可以应用在锂电池中，使电池更耐用 ……”

基于导轨混合驱动的模块化微纳操作机器人系统,有效提高了生物目标显微操作的灵活性与高效性

福田敏男（左二）与北京理工大学仿生机器人与系统教育部重点实验室主任、长江学者黄强教授（左三）等合影

再比如每个公司办公室随处可见的打印机，电脑连着打印机，而打印喷头用的就是微纳技术，如果没有这项技术，打印机不可能这么便宜，打印机的成本因微纳技术而降低。这些都佐证着微纳技术如何进入产业，又如何给人类营造一个更舒适的生活。

福田敏男教授特别喜欢一部老电影《神奇旅程》中的一个情节：科学家被缩得非常小，注射进人体内完成了手术。由此，他引出了一种新型的机器人——纳米机器人。比如现在已经在医疗行业应用的一种纳米级别的磁性粒子，给病人注射这种磁性粒子，在磁场的作用下，就可以控制这些粒子在体内的运动轨迹，从而把药物送达病灶，或者是可以直接高温烧死癌细胞。

要在中国栽下“两棵树”

2012年，福田敏男入选我国首批“千人计划”外国专家项目，受聘为北京理工大学智能机器人与系统高精尖创新中心学术指导委员会主任，全职加入北京理工大学。

微纳操作机器人其实只是福田敏男教授的一个研究方向。比如，早前在仿生机器人领域，他首次提出了用于仿猿猴机器人的一种摆动控制器，为机器人的自然运动和智能控制研究起到了极大的推动作用。来中国，他把研究方向定在了微纳操作机器人。

“有人疑惑，我来到中国并没有选择其他的领域，而是锁定在了微纳操作机器人的基础性研究领域。很多国家制定战略规划抢占机器人的高地，中国也制定了‘中国制造2025’，机器人研究在中国有了培育土壤。如果把未来中国的机器人产业比作一棵茂盛的大树，那么技术就是地下庞大的根须系统，以往中国在很多方面一直在模仿，从国外引进一些先进技术，现在中国有需求做真正属于自己的机器人，技术创新尤为重要。树没有根须会死掉，这个浅显的道理似乎大家都明白。没有基础研究，机器人产业之树长不高。

“所以我来到中国并没有选择其他的领域，而是锁定在了微纳操作机器人的基础性研究领域。微纳操作机器人研究的基础不仅要牢固，也要广泛，把基础打牢才能将产业化做得更好，中国在微纳操作领域需要更多基础性的研究成果。”

入职北京理工大学后，福田敏男代领团队实现了两个“首个”：一是创建了世界首个跨尺度协同生物组装机器人系统，制作出世界上最小的人工血管，实现了200微米人工微血管的自动化加工；二是创建了世界首个纳米操作机器人系统，实现了单细胞原位特性表征。

来中国这几年，福田敏男教授感受到了中国机器人技术的快速进步和市场的高速成长，同时也发现了一些问题，“比如追求快出成果的应用研究相对较多，理论研究较少，这不利于机器人技术的长期发展；现在机器人在中国非常热，如何把这个热度维持下去是我们应该考虑的问题；中国系统集成技术发展非常快，但零部件技术，比如电机、减速器等发展相对缓慢，需要加大力度。”

福田敏男教授指出，做好机器人基础性研究，有三个条件缺一不可。一是人力资源方面，需要更好的科学家，踏踏实实从事科研工作；二是要资金，现在中国政府设了很多基金，来扶持机器人产业发展，这是个好事儿；第三个就是机会，从政府到学校都重视基础性研究，便会给科研人员很多机会和很好的环境做研究。

在他看来，学生就像棵树，给足够的水和阳光，就能茁壮成长。“我认为学生不是由教授来培养的，教授的职责是启发学生，教授需要做的只是给学生好的机会，当然也需要给他们好的建议，另外进入一所好大学、有一个好的环境也非常重要。”迄今为止，他已培养了30多名中国博士生，包括“千人计划”专家郭书祥教授在内的大部分学生已成为中国机器人领域的中坚力量。在福田敏男教授的电脑里，他把自己所有的博士研究生的头像，都集合在一张图片里，他喜欢给大家介绍这位在做什么研究，那位最近又取得了什么成果。

这两棵树，就是这位年近70岁的院士的动力。正如他的学生所说，老师对科研绝对是“真爱”!（孙韬在此次采访中提供帮助，特此致谢！）