探索柔性机器人 推进科研产业化——记同济大学机械与能源工程学院教授唐一超

张 闻 刘玉杰

唐一超

20世纪50年代，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）曾畅想，未来人类将不再需要外科医生来进行手术，只需要将微型机器人放入人体，机器人就可以自行在体内进行手术和药物的释放等操作。这个在60多年前看似天马行空的科研设想，如今已在科技的推动下逐渐变为现实。

近年来，体内微型医疗机器人成为医疗机器人领域新的发展方向。它可以应用于体内药物注射、肿瘤切除、疏通血管、腹腔手术成像等，在精准医疗领域将大有作为。深耕在柔性机器人、柔性结构、人造肌肉等新兴领域多年，同济大学机械与能源工程学院教授唐一超在海内外求学和工作十余年间，积累了丰富的跨学科研究经验。在我国医疗机器人疾速发展的大环境下，他找到了自己科研创新工作新的土壤。

以兴趣驱使的求学之旅

本科与研究生阶段，唐一超先后就读于北京科技大学、美国伍斯特理工学院的材料科学专业，学习成绩优异。在这一时期，他日益感受到新工科在未来世界的重要性逐渐增加，尤其感觉到机器人、人工智能等技术的日新月异终有一天将改变世界。在这一背景下，唐一超在研究生最后一年做出了一个大胆的决定——将研究转向这些新兴学科，攻取自己几乎没有任何基础的机械工程专业博士学位。

然而，申请跨学科专业的博士学位谈何容易，虽然唐一超向许多大学提交了读博申请，但大多邮件都石沉大海，因此在读研的最后一年，唐一超备感迷茫和压力。功夫不负有心人，最终美国天普大学机械学院的尹杰教授向唐一超递出橄榄枝，邀请他加入刚建立的课题组，进行与柔软结构力学相关的研究。自此，唐一超开始了全新的科研筑梦之旅。

尹杰教授师从美国工程院院士、时任麻省理工学院机械系系主任博伊斯（Mary Boyce）院士，是力学领域的杰出学者。他为人谦和、心胸宽广，对学生的研究方向没有条条框框的限制，鼓励学生进行自由探索和自主创新，这是与许多博士生导师不同的指导风格。这一时期，唐一超在尹杰教授的指导下进步迅速，顺利进入“自创课题-自主研究”的博士研究阶段。在出色完成力学领域研究的基础上，唐一超开始尝试探索自己更为感兴趣的机器人领域，而这一想法也得到了尹杰教授的全力支持。因此，从博士三年级开始，唐一超正式开始在机器人领域的前沿方向——柔软机器人领域展开研究攻关。

辛苦探索，终有所得。在多年的科研开拓下，唐一超成功研发了世界上第一个两栖全软体爬壁机器人，实现了柔性机器人在高载荷、复杂两栖环境下工作的突破，极大地拓宽了柔性机器人的工作范围，对柔性机器人在复杂空间、复杂环境进行复杂任务等相关后续研究工作具有重要的意义和贡献。此外，针对软体机器人领域的共性难题——能量密度低、输出力不足等问题，唐一超受到自然界中脊柱动物可以快速储存和释放能量的启发，将主流柔软机器人与双稳态机构巧妙结合，提出了全新的仿生柔软机器人架构，大幅提升了柔软机器人在力、速度、刚度、能耗方面的性能。得益于所提出仿生架构的优点，这些机器人的性能大幅领先于同类机器人。

博士期间，唐一超取得了丰硕的学术成果，以第一作者或通讯作者在《科学·进展》（Science Advances）、《美国科学院院报》（PNAS）、《先进材料》（Advanced Materials）、《软体机器人》（Soft Robotics）等学术期刊发表论文。由于在柔软机械领域的贡献，他获得了国家优秀自费留学生奖学金、美国机械工程师学会（ASME）旅行奖等多个重要奖项。尽管取得了一些成果，唐一超却逐渐感觉到柔软机器人领域存在的一些瓶颈，尤其是领域内的学者大多聚焦于自己课题组的研究，而没有正视柔软机器人是否真正能够在现实世界中获取可靠的应用场景。经过多年的思考，唐一超开始意识到这个领域的未来在生物医疗领域，因此他毫不犹豫地将研究向医疗领域有目的地进行了扩展。

为了在相关领域学习新的知识、积累相关的科研经验，唐一超又先后前往美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、德国马普所智能系统所从事人工肌肉和医疗机器人的研究，为医疗微型机器人在人体内应用方面的研究积累了丰富的经验，取得了不错的研究成果，包括在《科学》（Science）杂志、《科学》杂志子刊《科学·进展》（Science Advances）等期刊发表学术论文。

立足我国现状的医疗机器人探索

“其实我在研究生毕业、打算考博士的时候，就一直有回国的打算。”唐一超说。近些年来，国家对于科研工作者的支持力度加大。在初心的牵引和满足祖国科技发展需要的责任感驱使之下，2021年，唐一超踏上了回国征程，在同济大学这一科研平台继续施展自己的科研抱负。

如今，在中国社会老龄化的背景下，新型医疗机器人能更好地辅助老年人的生活并助力疾病的治疗，并且具有传统医疗手段不具备的无创、无痛等特点。唐一超主要从体内医疗及体外助力这两个层面展开研究，以更好地服务我国社会。

人造肌肉是未来制造“类人”柔性机器人的根基。在此之前，唐一超曾提出预测“螺旋肌肉”变形的新理论模型，模型可以准确地预测该种人造肌肉的应变大小和能量密度，并对肌肉如何实现大变形和高能量输出给出理论依据。现如今，他和研究团队也正在着手开发一套由液压驱动的、基于人工肌肉的外骨骼系统，这套系统可以为人类提供更大的能量密度，帮助人们去开展相关工作。

研究工作之外，唐一超还与上海本地多家三甲医院建立了合作。他经常深入医院一线，了解现如今临床手术的痛点，帮助医生设计更好的手术器械，而他们开发的微型医疗机器人就能够通过磁场控制，降低病人在手术过程中的痛苦，并且可以深入体内，在传统医疗器械无法触及的体内深处位置进行成像、诊断、治疗，具有广阔的应用前景。

虽然目前一系列研究工作都在稳步推进，但是唐一超深知：医疗机器人的临床应用仍需要他们做出更多努力。今后，他会将研究方向和国家重大需求相结合，并努力向产业化方向推进。“科学研究不能脱离现实和国情，希望未来我能够利用自己的专业技能和多学科背景，为我国医疗机器人领域的产业升级作出贡献。”唐一超说。

专家简介

唐一超，同济大学机械与能源工程学院教授，博士生导师。2012年获得北京科技大学学士学位，2018年获得美国天普大学博士学位，其后分别在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和德国马普所智能系统所进行博士后研究。2021年担任同济大学机械与能源工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为医疗机器人、微型机器人、具身智能，近年来在《科学》（Science）、《科学·进展》（Science Advances）、《美国科学院院报》（PNAS）、《先进材料》（Advanced Materials）、《软体机器人》（Soft Robotics）等期刊发表论文，研究成果被国家自然科学基金、英国《每日邮报》、美国国家科学基金会、新浪网等多家媒体或机构报道。曾获得国家优秀自费留学生奖学金、德国洪堡学者、世界人工智能大会青年优秀论文奖。主持国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目。