微納技術：機器人技術長遠發展的“敲門磚”
——訪中國科學院外籍院士福田敏男

文/張曉

就像猿猴在叢林里游蕩，機器人的雙臂交替著抓著單杠向前；一支智能的手杖底部居然有幾個輪子，遇到障礙物會自動停止，還能預防傾倒；在一個細胞的四周，很多微小的粒子要合作起來推動目標細胞的移動……

這些都是福田敏男教授關于機器人的研究。真是神奇，大到如真人般的仿生機器人，小到比細胞還要小的粒子，這些居然都是機器人的研究范圍。

炎炎夏日，福田敏男教授剛剛在首都師范大學做了一場學術報告——多尺度機器人。隨后，在他北京理工大學的辦公室，我專訪了這位機器人領域的大師——北京理工大學教授、中國科學院外籍院士福田敏男（Toshio Fukuda）。與人們印象中古板嚴肅的科研者不同，福田敏男親切活潑，你一下子就感受到他眼神里傳遞的親切和溫暖，他的微笑、他對機器人研究的熱情瞬間就感染了我。

產業展望：服務機器人

“人們常說的四大機器人巨頭，瑞士ABB、日本發那科及安川電機、德國庫卡，都集中于工業機器人領域。其實在二三十年前，工業機器人在中國幾乎不存在，但在如此短的時間內，中國誕生了很多優秀的企業在做這方面工作，比如新松機器人，雖然可能現在精度沒那么高，但找到了很好的應用。”

采訪伊始，福田敏男教授就如數家珍般地介紹起了機器人產業。他說：“雖然工業機器人很普及，但可以預見未來空間更大的是服務機器人，比如老齡化社會會更需要幫助打掃、照顧老年人的機器人。”

最近十年來，福田教授一直帶領日本名城大學的團隊研究一種智能手杖，他稱之為icane。“i就是智能的意思，能感知人的步態、提前預防跌倒。服務機器人需要更加聰明，得先對環境作出判斷然后才能作出反應，所以，我們需要更多的傳感器成為我們的眼睛、耳朵的延伸。”

談到傳感器，福田教授提到了大疆無人機，“大疆無人機已經占有了全世界70%的市場份額，在航拍上應用很廣。大疆的創始人汪滔是香港科技大學畢業的，是香港科技大學機器人技術教授李澤湘的研究生。大家都知道大疆的無人機，其實李澤湘帶領的固高科技在電機控制領域也非常厲害。誰在機器人的哪個方面比較牛，我都知道啊！”福田教授像個老頑童般調侃說。

隨即他讓學生新打開包裝拿來一個類似自拍桿的家伙，但是比自拍桿多了N個軸。福田教授把手機卡住，隨即對著自己照了起來，瞪大眼睛來個笑臉，喜上眉梢，再換個角度，教授似乎瞬間變成了超級可愛的自拍美少女。他這演員般的動作展示再加上他的英文講解，我總算明白，無論你在手機面前如何移動，這個超級自拍桿會可以帶動手機前后左右地移動時刻追蹤你的臉，那些個桿就相當于我們的手腕啦。“大疆的無人機可以在空中實現這種定位、追蹤和拍攝。”

微納操作機器人領域的開拓者

對于機器人技術的未來發展，福田教授看好軟件的發展，“我預計軟件可能在未來五到十年會有一個大的提高。機器人來到人類中間，必須要有個交互，要嵌入到人類社會生活里邊去。”

另一項影響機器人長遠發展的技術是微納技術。福田教授認為，微納技術將會成為機器人技術獲取長遠發展的一塊“敲門磚”。

“與工業機器人、服務機器人、水下機器人、特種機器人等不同的是，微納操作機器人不是獨立存在的，它是一種可以嵌入到任何一種機器人里去的一種技術，應用成功的話，機器人就如虎添翼，它將成為所有種類機器人親密的伙伴和寵兒。微納技術是未來十至二十年最有潛力的技術之一，將會帶給整個世界以革命性的改變。”

早在1984年，福田敏男就開始研究微納操作機器人。

“回想起促使我出發的起點，有一點很奇妙，那還是20世紀80年代初的一天午后，我在一條小河上悠閑地劃船，無意中發現活動于水中的生物，我便用一個空飲料瓶帶了一瓶水回學校，在顯微鏡下，小水滴里竟然有那么多的微生物，這個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們，然而，對于微生物來說，手實在太大了，根本就不可能抓得住。好奇心驅使他一直在思索如何抓住如此微小的生物，探索如何設置一種特殊的裝置來控制“抓取”這個動作的開合、握力的大小等。可以說，福田敏男從事微納操作機器人研究的靈感就來源于此。

“五十年前電腦跟一個房間那樣大，而如今微型計算機就跟芯片一樣大。微納操作機器人未來將會越來越小，也將會越來越有效率。比如我們手臂上的肌肉，它由一個個微小的細胞組成，而手臂卻能運動并具有驚人的力量。可以看到，如今整個世界都在做微納技術，比如碳納米管、生物傳感器等，都是這方面典型的案例。” 而福田教授正是碳納米管微納操作技術的首創者。

雖然看不到摸不著，但如今微納技術已經應用在我們的日常生活中。福田教授介紹，20年前，非常昂貴的汽車才會配有安全氣囊，原因就在于那時汽車的加速度計太大。加速度計是一種傳感器，用來感知加速度的變化，加速度變化過快就會提示啟動安全氣囊。而現在的加速度計非常小，成本降低，這才使得我們的汽車都配備了安全氣囊。正是微納操作技術的發展使得加速度計可以由大變小。本世紀初，福田敏男教授成功地進行了世界首次對碳納米管的三維操作，將三維操作縮小到10納米之內，為半導體制造技術帶來了重大革新。

為了展示微納技術的廣泛應用，福田教授邊說邊畫了一輛自動駕駛汽車。“汽車上有許多微小的傳感器，是最新的微納技術產物，可以實現自動駕駛、零部件的自動控制等，比如汽油中加入納米燃油添加劑，使燃燒更加完全，減少了尾氣的排放污染；微納技術還可以應用在鋰電池中，使電池更耐用 ……”

基于導軌混合驅動的模塊化微納操作機器人系統,有效提高了生物目標顯微操作的靈活性與高效性

福田敏男（左二）與北京理工大學仿生機器人與系統教育部重點實驗室主任、長江學者黃強教授（左三）等合影

再比如每個公司辦公室隨處可見的打印機，電腦連著打印機，而打印噴頭用的就是微納技術，如果沒有這項技術，打印機不可能這么便宜，打印機的成本因微納技術而降低。這些都佐證著微納技術如何進入產業，又如何給人類營造一個更舒適的生活。

福田敏男教授特別喜歡一部老電影《神奇旅程》中的一個情節：科學家被縮得非常小，注射進人體內完成了手術。由此，他引出了一種新型的機器人——納米機器人。比如現在已經在醫療行業應用的一種納米級別的磁性粒子，給病人注射這種磁性粒子，在磁場的作用下，就可以控制這些粒子在體內的運動軌跡，從而把藥物送達病灶，或者是可以直接高溫燒死癌細胞。

要在中國栽下“兩棵樹”

2012年，福田敏男入選我國首批“千人計劃”外國專家項目，受聘為北京理工大學智能機器人與系統高精尖創新中心學術指導委員會主任，全職加入北京理工大學。

微納操作機器人其實只是福田敏男教授的一個研究方向。比如，早前在仿生機器人領域，他首次提出了用于仿猿猴機器人的一種擺動控制器，為機器人的自然運動和智能控制研究起到了極大的推動作用。來中國，他把研究方向定在了微納操作機器人。

“有人疑惑，我來到中國并沒有選擇其他的領域，而是鎖定在了微納操作機器人的基礎性研究領域。很多國家制定戰略規劃搶占機器人的高地，中國也制定了‘中國制造2025’，機器人研究在中國有了培育土壤。如果把未來中國的機器人產業比作一棵茂盛的大樹，那么技術就是地下龐大的根須系統，以往中國在很多方面一直在模仿，從國外引進一些先進技術，現在中國有需求做真正屬于自己的機器人，技術創新尤為重要。樹沒有根須會死掉，這個淺顯的道理似乎大家都明白。沒有基礎研究，機器人產業之樹長不高。

“所以我來到中國并沒有選擇其他的領域，而是鎖定在了微納操作機器人的基礎性研究領域。微納操作機器人研究的基礎不僅要牢固，也要廣泛，把基礎打牢才能將產業化做得更好，中國在微納操作領域需要更多基礎性的研究成果。”

入職北京理工大學后，福田敏男代領團隊實現了兩個“首個”：一是創建了世界首個跨尺度協同生物組裝機器人系統，制作出世界上最小的人工血管，實現了200微米人工微血管的自動化加工；二是創建了世界首個納米操作機器人系統，實現了單細胞原位特性表征。

來中國這幾年，福田敏男教授感受到了中國機器人技術的快速進步和市場的高速成長，同時也發現了一些問題，“比如追求快出成果的應用研究相對較多，理論研究較少，這不利于機器人技術的長期發展；現在機器人在中國非常熱，如何把這個熱度維持下去是我們應該考慮的問題；中國系統集成技術發展非常快，但零部件技術，比如電機、減速器等發展相對緩慢，需要加大力度。”

福田敏男教授指出，做好機器人基礎性研究，有三個條件缺一不可。一是人力資源方面，需要更好的科學家，踏踏實實從事科研工作；二是要資金，現在中國政府設了很多基金，來扶持機器人產業發展，這是個好事兒；第三個就是機會，從政府到學校都重視基礎性研究，便會給科研人員很多機會和很好的環境做研究。

在他看來，學生就像棵樹，給足夠的水和陽光，就能茁壯成長。“我認為學生不是由教授來培養的，教授的職責是啟發學生，教授需要做的只是給學生好的機會，當然也需要給他們好的建議，另外進入一所好大學、有一個好的環境也非常重要。”迄今為止，他已培養了30多名中國博士生，包括“千人計劃”專家郭書祥教授在內的大部分學生已成為中國機器人領域的中堅力量。在福田敏男教授的電腦里，他把自己所有的博士研究生的頭像，都集合在一張圖片里，他喜歡給大家介紹這位在做什么研究，那位最近又取得了什么成果。

這兩棵樹，就是這位年近70歲的院士的動力。正如他的學生所說，老師對科研絕對是“真愛”!（孫韜在此次采訪中提供幫助，特此致謝！）