研发磁控导丝 拯救万千生命——记中国科学技术大学工程科学学院近代力学系教授王柳

祝传海

据2019年的一项调查显示，我国每年大约有1000万心血管疾病患者死亡，其中约有450万人死于中风。导致患者中风死亡的重要因素之一就是血栓阻塞。目前，心血管疾病的除血栓手术一般采用血管内介入式微创手术，但是由于传统机械导丝具有固定端头，在复杂血管网络中巡航能力差。

针对这一问题，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系教授王柳和他在美国麻省理工学院的导师赵选贺教授提出一种磁控导丝机器人的概念，在导丝的端头里面嵌入微尺度的磁性颗粒。这样导丝会在外界磁场的作用下灵活地偏转它的端头，快速巡航复杂血管网络，做到精准快速的除血栓操作。

王柳

“如果研究顺利的话，我想在不远的将来磁控导丝机器人可以拯救成千上万的生命。”王柳如是说道。

命运偏爱乐观者

出身农门，王柳的家庭经济条件并不好。对他来说，努力读书，去国外看一看，是他当时唯一的理想。初中时，王柳每天五点半起床，骑自行车到10公里以外的学校去上学，因为路途遥远，他中午不回家就在学校操场上午休。寒冬酷暑，从不迟到。

特别是寒冷的冬天，王柳的手和脚全是冻疮，冻疮时间一久就会发痒，甚至溃烂，他咬牙坚持了下来。就像明代宋濂在《送东阳马生序》中写的一样：“穷冬烈风，大雪深数尺，足肤皲裂而不知。”

为了心中的理想，王柳付出了几倍于同龄人的努力。2010年9月，他以优异的成绩被中国科学技术大学理论与应用力学钱学森力学英才班录取。甫一入校，王柳就勤奋刻苦，不落人后。不仅如此，他还开始准备起了托福和GRE（研究生入学考试），为之后出国作准备，并在大学期间获得了前往荷兰特文特大学暑期交流学习的机会。

“我当时在宿舍里贴了一张美国地图，上面标注了美国100所大学的位置。我对每一所学校都做了详细的了解，包括地理位置、学校环境、优势专业和知名导师。”用心的背后，是王柳十几年如一日的专注。

4年时间倏忽而过，王柳从中国科学技术大学毕业，继续朝着他心中的理想迈进，他顺利地拿到了美国得克萨斯大学奥斯汀分校的录取通知书。正是这番际遇，让王柳遇到了人生中的明灯——博士生导师鲁南姝教授和博士后合作导师赵选贺教授。

“两位老师不仅学术高超，而且平易近人，积极带我参加各类学术会议，给我引荐知名学者，让我尽早融入学术圈。并且两位老师的科研方向都比较前沿，视野宽阔，他们教会我如何去发掘更新的问题，不只是为了科研而科研，为了写文章而写文章，而是为了解决某一关键问题。”王柳感慨道。与鲁南姝教授、赵选贺教授相处的点点滴滴成为他人生中极为重要的一段经历。

独当一面破难题

在世界范围内，中风和心脏病等心血管疾病是导致患者长期致残和死亡的主要原因。目前，心血管疾病的常规微创治疗通常采用被动式导丝和带有预成形端头的导管，需在放射线成像下进行操作。

这种被动式导丝和导管的手动操作通常受到以下限制：在复杂血管系统中的可操纵性低，且难以进入小的血管分支，操作时间长，操作过程中累积的辐射量会对病人和操作医生造成损害。

为了克服这些挑战，人们尝试通过远程方式来实施机器人辅助的微创治疗。由于磁场的束缚性和生物相容性，最近出现了一种具有应用前景的机器人辅助微创平台，此平台基于磁场控制的弹性纤维——磁控连续体机器人。

“赵选贺教授于2019年提出了磁控导丝机器人的概念。他和团队巧妙地在导丝的端头上掺杂一些微尺度的磁性颗粒，这样导丝在外界磁场的作用下就能灵活地偏转端头，实现快速精准的操作。”王柳说，磁控导丝机器人领域目前尚处在发展阶段，许多研究成果都还没有走向成果转化，达到实际应用的标准。

实际上，磁控导丝机器人的现有设计在很大程度上依赖于反复试验或数值模拟，缺少高效设计和优化工具。这对于具有大量参数的磁控导丝机器人设计或优化而言并不理想。因此，能够最大化磁控导丝机器人工作空间的有效设计策略仍然是一个重要但尚未解决的挑战。

鉴于此，王柳创造性地提出一种进化设计策略，通过集成理论模型和遗传算法来确定磁控导丝机器人内的最佳磁化强度和刚度模式，从而最大化导丝机器人的工作空间。这意味着优化的磁控导丝机器人在微创治疗中具有卓越的可操纵性。这种设计和优化方法还可以轻松地纳入其他设计参数，为设计和优化未来的磁性软机器人和执行器提供了强大而有效的工具。此项研究以题为《磁性软连续体机器人的进化设计》（Evolutionary design of magnetic soft continuum robots）的论文发表在最新一期《美国科学院院报》（

PNAS

）上。

走向未来的道路

2022年5月，王柳结束了他的美国学习和工作之旅，回到了祖国，入职母校——中国科学技术大学，担任教授和博士生导师。如同当年很早就开始计划出国一样，学成归国也是王柳很早就安排好的。“我感激国家对我的栽培，希望能回来为国家贡献一份力。至于为什么选择科大？我对科大比较有情感，它的办学理念我也很认同。”在王柳申请回国的过程中，工程科学院院长吴恒安教授对他的申请工作给予了大力的支持，目前各项研究工作正在平稳有序地展开。

8年的国外科研经历，让王柳深刻地意识到，科学绝对不是闭门造车，特别像他这样做基础研究工作的学者。“力学是一门基础性学科，我们常说它是服务性的学科，与材料、生物、化学领域的学者合作，彼此相互学习，相互认可，这是一个互利共赢的过程。”王柳说，广泛的交流与合作使得他的学术视野更加开阔，合作的成果得到了更多的认可。

“我在博士期间积极与韩国首尔大学的金大亨（Dae-Hyeong Kim）教授合作，发表了好几篇《自然》（

Nature

）子刊论文，获得了很高的学术引用。后来我还与南方科技大学、华中科技大学、中山大学的老师进行合作，发表了3篇《自然·通讯》（

Nature Communications

）和1篇《科学·进展》（

Science Advances

）。”丰富的合作经历，让王柳意识到合作是一个相互学习的过程，多方的专业知识能解答研究中的许多疑惑，推动研究走上更高的层次。

好的合作更是离不开团队的帮助，尽管现在王柳的团队还在组建中，不过他已经有了初步的想法和计划。“我觉得从博士和博士后导师那里学到的最宝贵的经验，是营造自由平等的学术氛围。头脑风暴很重要，大家可以积极踊跃讨论问题。另外，凝聚团队最好的方法是亲力亲为，只要有时间我就会手把手地教导学生如何去做任务、写文章、画图等。”

面对培养学生，王柳说他会更加注重学生发现问题的能力。他说：“第一要让学生多阅读最前沿的文献，积极帮助学生开阔视野，结合自己所学的东西发现问题。第二要多鼓励学生，因为导师不是万能的，学生会有很多比导师更好的想法。”

因为年少时经历过真正的苦难，所以长大后再遇到任何困难，王柳反而表现得很坚韧乐观。“我是村里第一个大学生，也是第一个能出国的大学生。我走到今天，已经远远超出了所有人的预期。对于科研工作者来说，最重要的就是脚踏实地，不要好高骛远。发挥自己的特长，脚踏实地地走好每一步。”

老子说：“万物之始，大道至简，衍化至繁。”在王柳看来，科研工作者不是非要钻研很难的科研问题，可以从基础做起，有时越简单，越基础的事情，影响力反而是更大的。他说：“未来，面向生物医疗领域，我想推动磁控导丝机器人向临床应用发展，真正服务人类的健康，拯救患者的生命。”