突破“光”與“生物”的前沿共性難題
——記北京理工大學機電學院、北京市智能機器人與系統高精尖創新中心教授張帥龍

倪海波

2018年，諾貝爾物理學獎的一半授予美國科學家阿瑟·阿什金，以表彰他對光鑷技術的開創性貢獻。正如阿瑟·阿什金所說：“精準操控細胞的能力，為我們打開了研究細胞功能的大門。”光鑷作為一項多學科交叉的前沿技術，正吸引越來越多科學家投入其中。2005年，張帥龍導師的導師——美國加州伯克利大學的Ming Wu教授在光鑷技術的基礎上發明了“光電鑷子”，為科學家開通了用光捕捉最佳細胞的路徑。此后，Ming Wu教授創辦的Berkeley Lights公司在納斯達克上市。公司開發的光電鑷產品在抗體開發、細胞療法、新冠疫苗研發等領域取得了卓越的成就。

“和國外相比，我國在相關產學研方面主要存在的問題是一些關鍵技術和專利還沒有掌握，如用于光學操控的光電三極管材料開發難題還沒有攻克；領域交叉學科的人才尚有欠缺；國家在相關方面缺乏長遠的投資支撐等。”張帥龍如是闡述中國相關領域發展面臨的一系列難題，而這也是他回國開啟新征程的主要原因。

解碼神奇的光電鑷微納機器人

什么是光電鑷？它在生命科學領域的應用會給人類生活帶來怎樣的影響？

光電鑷，顧名思義，是一種利用光電場抓住物體的工具。不同于傳統的機械系統，它利用光束誘導產生電場，對微小粒子如細胞器、生物大分子等進行夾持、操縱及微加工，是一種理想的微觀研究工具。近年來張帥龍所關注的微納機器人研究發展正是基于光電鑷技術的前沿交叉研究。

早在1966年上映的電影《奇幻旅程》中，就有了對未來微納機器人的神奇想象：一名醫學科學家將5名同事縮小到納米尺寸并注入自己的體內，讓他們“游”到患病區域替自己治療。如今，當年的科幻夢想已經照進現實——近年來，依靠微尺度光操控平臺對機器人進行驅動的光操控微納機器人技術正趨向成熟，已應用于細胞操控、生物組織定向培養等領域。其中基于光電鑷技術的微納機器人技術具有易操控、多功能、生物兼容性好等優點，是微納操作機器人領域的重點研究方向之一。

但由于受機器人機械結構和介電材料限制等，現有微型機器人無法在高電導率的細胞培養液中工作，限制了它的生物學兼容性和在細胞操作領域的應用。為了突破這一技術瓶頸，張帥龍開發出一種新型微米量級的光電驅動機器人。它由光電鑷系統產生的介電泳力驅動，可對細胞、生物組織等微小目標進行“捕獲”“運輸”“釋放”“裝配”等靈巧操作，也可在單細胞層面上進行細胞分選、培育和基因測序等工作。該機器人不僅可有效對目標施加操控力，同時支持多機并行操控。它的制作工藝簡單，整套系統操控精度高，生物毒性低，大大降低了微型機器人的產業化門檻。

這項成果為生物醫學研究提供了一種高效且無傷害的細胞操控工具，使得細胞存活率比原有技術提升30%，細胞移動速度提升2倍以上。成果發表在世界著名雜志《美國科學院院刊》（PNAS），得到了媒體的廣泛報道。光電鑷發明者Ming Wu教授高度評價該技術稱：“這種機器人在操作那些很難直接用光電鑷移動的物體時會非常有用。”

雖然研究取得突破性進展，但張帥龍對于光電鑷微納機器人的探索和思考仍一直在繼續。隨著不同學科日新月異的發展，學科交叉融合引導著一項項新發現、新技術的面世。在張帥龍看來，光電鑷微納機器人技術充分體現了“共性導向，交叉融通”的學科特性。

2020年，張帥龍作為主要項目領導者參與了加拿大政府和英國物理研究學會共同資助的重大科研項目——用于自動大腦解剖的微型機器人研究。該項目的核心任務就是利用光操控機器人技術對神經元干細胞進行挑選，這是一個非常棘手的問題。最終，張帥龍利用自己研發的光操控機器人成功解決了這一問題。“這是一個跨國性的研究項目，加拿大團隊主要是負責硬件、機器人和系統的研發；英國團隊則負責軟件的開發，即如何正確識別神經元干細胞。”在項目實施的過程中，張帥龍深刻體會到了會聚多交叉學科知識，融會貫通助力科研的魅力，更加篤定了自己要走學科交叉融合創新之路的決心。

做飲水思源的科研人

研究立足科學前沿，解決多學科領域交叉的共性難題，這是張帥龍這些年研究的主要特點。而這一科研思維方式的養成，與他的研究經歷有著緊密的聯系。

張帥龍本科畢業于北京理工大學信息工程專業，畢業后前往英國斯特萊德大學光子研究所攻讀物理學博士學位，研究半導體光學器件。在加拿大進行博士后研究期間，他轉向生物和微流控研究，在導師指導下，逐漸將自己接觸的多個學科知識進行交叉融合，走上了這條“共性交融”的跨學科前沿問題研究之路。

歷經多個世界科學研究殿堂，置身全球一流科研團隊開展研究，感受名家大師、新銳學者的風范，領略國際前沿科技發展趨勢……沐浴在學術自由的文化氛圍里，張帥龍收獲了豐富的國際化工作經驗和深厚、扎實的前沿科學研究背景。正是這些沉淀，成就了一個在微納操作研究領域建樹頗豐的青年學者。

2021年，張帥龍響應國家的號召，回到母校——北京理工大學發展。加入北京市智能機器人與系統高精尖創新中心的福田敏男院士團隊。福田敏男是全球首位提倡微納操作機器人的開拓者、領軍者，中國科學院外籍院士，其帶領的北京理工大學微納機器人團隊已經成為領域里的佼佼者。置身這樣的環境，有一群志同道合的人，張帥龍期望能將自己的優勢更好地發揮出來，助力相關行業的跨越發展。

作為一名85后年輕博士生導師，即使在領域里已經小有成就，但張帥龍一直保持著謙遜的態度，時刻懷著一顆感恩的心。“在國外留學和工作的11年中，我得到了很多人的幫助，比如我的博士生導師Martin Dawson教授和顧爾丹教授，博士后導師Steven Neale博士、Jonathan Cooper院士和Aaron Wheeler教授，他們的指導與支持是我在科研道路上不斷前行的動力。我還要感謝北京理工大學的張軍校長、陳鵬萬院長、黃強主任、周勇書記、杜寧主任、石青教授、段星光教授、王化平教授、劉曉明教授等，他們在引進我回國工作的過程中給予了我很多的支持與幫助。”

張帥龍想要感謝的，還有自己的親人。在得知自己想要回國的想法后，妻子蔣王紫微毅然舍棄了在加拿大的優渥生活，陪他回到北京。同是大學老師的父母，從小到大對張帥龍秉持的教育方式是言傳身教，默默支持和鼓勵著他做的每一個決定，他們是張帥龍人生路上最大的助力。心懷感恩首孝悌，飲水思源當報國。對張帥龍來說，回國是無悔的選擇。

在張帥龍看來，作為一名科研人，不僅要不斷攀登專業高峰，還要讓科研之光照亮更多青少年。2012年至今，他為小學生、中學生和普通群眾組織了10多次科普活動。“一方面，我想把研究成果分享給大眾，另一方面為了激發青少年未來能夠對科學研究的興趣。”張帥龍說，他希望能針對國家的重大需求，做更多原創性、創新性的研究，比如“癌癥的早期篩查”“單細胞的分析和提取”“抗體藥物開發”等，最終將實驗室開發的技術產品應用到人民大眾的生活中去。