翁鼎：追蹤仿生科學前沿

劉江

《星球大戰：最后的絕地武士》中的天行者盧克，在與黑武士光劍對決中失去了一只手之后，換上了靈巧的機器臂。這只機器臂不僅擁有人手的外形，還擁有人手一樣的功能。在現實中，天行者盧克靈活有觸覺的機器臂讓無數人向往，很多人都希望這種技術能真正實現，造福一些手臂殘疾人士。前美國宇航局天體物理學家和《星球大戰科技》的作者Jeanne Cavelos曾說：“很多時候科幻小說把靈感帶給了偉大的科學。”現在，在科幻電影出現的機械臂，也在現實生活中現形——仿生機械臂。

仿生機械臂的出現，不但給截肢患者帶來的希望，還在微電子制造與封裝、反恐排爆、位置環境探索等領域發揮著重要作用。清華大學機械工程系助理研究員翁鼎也對仿生機器臂進行了研究。現在，他正竭力探索如何把生物能運用到機械臂的驅動上，把現在仿生機械以擬態仿生轉變為對生理功能的仿生。他說，實現這一目標，要走的路還走很遠，很長，但他會不斷前進，長期堅守。

科研之路始于必然

作為一個從小在清華園長大的孩子，在翁鼎看來，走上科研這條路是必然的選擇。家庭的熏陶使“科研”這兩個字很早就刻印在他的頭腦里了，再加上自己從小“腦洞”比較大，對科學研究有濃厚的興趣。

2002年，翁鼎考入清華大學基礎科學班數學物理方向。本科畢業后，翁鼎前往美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）化工系攻讀博士學位，師從盧云峰教授，對納米技術、能源材料、自組裝技術及材料—生物界面進行探索。在讀博期間，研究病毒納米水凝膠之時，翁鼎對生物學產生了興趣，2012年獲得博士學位后，他便進入哈佛大學醫學院，在Myron Spector教授指導下開展了可注射生物水凝膠和干細胞再生醫學的研究。

不管走多遠，報國情懷始終是中華兒女不變的追求。出國深造前，翁鼎便沒有打算留在國外，出國只是為了更好地回國。所以，在國外積累10年之后，2016年年底，翁鼎回國進入清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室工作。在這里，他向表界面工程及異相介質控制、生物3D打印和仿生機械三座“大山”發起了進攻。

所謂表界面工程，主要是通過化學修飾、吸附、雙電層調控等手段實現界面的物理、化學、生物性質調控，從而賦予界面減阻、超疏水、超親水、生物相容、生物排斥等性能。翁鼎介紹說，該研究在油水分離、界面減阻、仿生、生物防污等方面有廣闊的應用空間。目前他計劃把對表面工程的研究與生物3D打印、仿生機械的研究結合起來，以此來構建更加靈活的仿生機械。

“生物3D打印是結合了3D打印的結構優勢和組織工程的交叉學科，因而是非常熱門的生物制造手段。”翁鼎說，生物3D打印軟組織以生物水凝膠作為細胞外支架類似物進行打印，結合干細胞誘導增殖，來實現皮膚、神經、肌肉等軟組織的再生，進而制造具備生理功能的復雜結構，以期在一定程度上替代因手術或外傷造成的大面積組織損失，填補生理結構，恢復生理功能。現在，他以酶催化生物水凝膠為打開含細胞生物3D打印技術大門的鑰匙，但是對應的工藝和平臺還沒有完全建立，他希望自己的研究能把這條路先打通。

在采訪中，翁鼎說，他有著交叉學科的背景，這是他開展科研探索的得力工具。他還準備結合機器人和生物3D打印技術，來構建生物機器人。“在生物仿生領域，我希望由生物能作為驅動能來研發生物機器人。該研究涉及到仿生機械、材料、生物3D打印、組織工程等多個領域，在微型機械、肌肉萎縮、截肢、截癱、康復訓練、人體外骨骼機器人、仿生機器人等方面有廣闊的應用前景。”

十年寒窗磨一劍，只待今朝問鼎時。在國外積累了豐富經驗的翁鼎，回國后，希望用自己學到的知識為祖國科研打開一扇窗。他也相信，組織工程與生物3D打印結合也將是生物醫學發展的一大趨勢，他將不斷追求科學前沿，力攀科學高峰。

機械手臂創造無限可能

20世紀中期，計算機和自動化技術的發展，為機器人的開發奠定了基礎。與此同時，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這些需求背景下，美國首先于上世紀40年代開發了遙控機械臂。隨后，更多國家投入到研發機械臂的隊伍中。

驅動單元是機械臂的重要組成部分，按驅動方式可主要分為液壓式、氣動式、電動式、機械式等，在制造業、醫學、軍事以及太空探索等領域都有重要意義。回國后，翁鼎也對機械手臂進行了深入研究。他說，隨著科技的發展，仿生機械臂現有的減速電機、液壓、氣動等驅動系統暴露的缺陷同優點一樣明顯，要使機械臂在生物醫療方面發揮更大的作用，開發新的驅動能源勢在必行。在生物材料領域有堅實基礎的翁鼎，在國家自然科學基金青年基金項目“生物能驅動機械臂的基礎研究”中，提出把生物能運用到機械的驅動中的設想，以期拓展機械臂的在生物醫療等領域的應用。

翁鼎介紹說，在醫療衛生健康領域，人造肌肉目前大都存在小型化與負載能力的矛盾，以及與生命體融合的可能性較低的問題。近年來，利用生物能來驅動機械結構成為一大研究熱潮。“生物能驅動單元可以是心肌、骨骼肌、鞭毛等生物組織和生物材料。尤其是骨骼肌組織，相較于傳統純機械驅動單元，在小型化和生物相容性上具有獨特的優勢，同時電磁信號更隱蔽。”這些優點使基于骨骼肌電控驅動單元的生物機械在未來更有可能和人體實現高度融合，在肌肉萎縮、截肢、截癱、康復訓練、人體外骨骼機器人、仿生機器人等方面有廣闊的應用前景；同時也將對我國醫療衛生甚至軍事實力方面產生深遠的影響。

那么，如何提高生物機械整體結構的負載能力？翁鼎說，這就不得不對生物3D打印技術進行探索。“近年來，生物3D打印技術與組織工程學結合得越來越緊密。在軟組織再生方面，生物3D打印將細胞外支架類似物（通常是水凝膠材料）與細胞、生長因子等通過層疊堆積的方式構建出需要的宏觀形貌，之后通過組織工程技術使細胞增殖并產生生理功能。這種方法非常適合構建生物機械的驅動單元。然而，由于水凝膠材料自身的強度較弱，導致了整體結構的負載能力有限。因此，提升整體結構的負載能力仍是現在生物3D打印構建生物機械的主要難題。”

為解決這一難題，在項目研究中，翁鼎將從水凝膠分子設計、宏觀結構設計和3D打印成型等角度來嘗試突破，利用生物3D打印，構建機械強度較高又適于骨骼肌組織再生的高分子水凝膠，再通過體外訓練提高體外再生骨骼肌的承載能力，以此來達到提高生物機械驅動單元負載能力的目標，為靈活的機械臂的問世鋪墊基礎。

行勝于言。這影響了一代又一代清華人的精神，鼓舞了一大批治學、興業、治國的英才，挺起民族的脊梁，在科技進步和學術發展中，填補一個又一個空白，刷新一項又一項的紀錄。從清華子弟、到清華學子，再到清華職工，這筆筆精神財富翁鼎從未丟棄，而是時時激勵他不斷突破創新，追求卓越。展望未來，翁鼎說，在走好當下之路的同時，要把科研和國家的需求有機融合在一起，在自己專業領域創造更多可能。