探索柔性機器人 推進科研產業化
——記同濟大學機械與能源工程學院教授唐一超

張 聞 劉玉杰

唐一超

20世紀50年代，諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）曾暢想，未來人類將不再需要外科醫生來進行手術，只需要將微型機器人放入人體，機器人就可以自行在體內進行手術和藥物的釋放等操作。這個在60多年前看似天馬行空的科研設想，如今已在科技的推動下逐漸變為現實。

近年來，體內微型醫療機器人成為醫療機器人領域新的發展方向。它可以應用于體內藥物注射、腫瘤切除、疏通血管、腹腔手術成像等，在精準醫療領域將大有作為。深耕在柔性機器人、柔性結構、人造肌肉等新興領域多年，同濟大學機械與能源工程學院教授唐一超在海內外求學和工作十余年間，積累了豐富的跨學科研究經驗。在我國醫療機器人疾速發展的大環境下，他找到了自己科研創新工作新的土壤。

以興趣驅使的求學之旅

本科與研究生階段，唐一超先后就讀于北京科技大學、美國伍斯特理工學院的材料科學專業，學習成績優異。在這一時期，他日益感受到新工科在未來世界的重要性逐漸增加，尤其感覺到機器人、人工智能等技術的日新月異終有一天將改變世界。在這一背景下，唐一超在研究生最后一年做出了一個大膽的決定——將研究轉向這些新興學科，攻取自己幾乎沒有任何基礎的機械工程專業博士學位。

然而，申請跨學科專業的博士學位談何容易，雖然唐一超向許多大學提交了讀博申請，但大多郵件都石沉大海，因此在讀研的最后一年，唐一超備感迷茫和壓力。功夫不負有心人，最終美國天普大學機械學院的尹杰教授向唐一超遞出橄欖枝，邀請他加入剛建立的課題組，進行與柔軟結構力學相關的研究。自此，唐一超開始了全新的科研筑夢之旅。

尹杰教授師從美國工程院院士、時任麻省理工學院機械系系主任博伊斯（Mary Boyce）院士，是力學領域的杰出學者。他為人謙和、心胸寬廣，對學生的研究方向沒有條條框框的限制，鼓勵學生進行自由探索和自主創新，這是與許多博士生導師不同的指導風格。這一時期，唐一超在尹杰教授的指導下進步迅速，順利進入“自創課題-自主研究”的博士研究階段。在出色完成力學領域研究的基礎上，唐一超開始嘗試探索自己更為感興趣的機器人領域，而這一想法也得到了尹杰教授的全力支持。因此，從博士三年級開始，唐一超正式開始在機器人領域的前沿方向——柔軟機器人領域展開研究攻關。

辛苦探索，終有所得。在多年的科研開拓下，唐一超成功研發了世界上第一個兩棲全軟體爬壁機器人，實現了柔性機器人在高載荷、復雜兩棲環境下工作的突破，極大地拓寬了柔性機器人的工作范圍，對柔性機器人在復雜空間、復雜環境進行復雜任務等相關后續研究工作具有重要的意義和貢獻。此外，針對軟體機器人領域的共性難題——能量密度低、輸出力不足等問題，唐一超受到自然界中脊柱動物可以快速儲存和釋放能量的啟發，將主流柔軟機器人與雙穩態機構巧妙結合，提出了全新的仿生柔軟機器人架構，大幅提升了柔軟機器人在力、速度、剛度、能耗方面的性能。得益于所提出仿生架構的優點，這些機器人的性能大幅領先于同類機器人。

博士期間，唐一超取得了豐碩的學術成果，以第一作者或通訊作者在《科學·進展》（Science Advances）、《美國科學院院報》（PNAS）、《先進材料》（Advanced Materials）、《軟體機器人》（Soft Robotics）等學術期刊發表論文。由于在柔軟機械領域的貢獻，他獲得了國家優秀自費留學生獎學金、美國機械工程師學會（ASME）旅行獎等多個重要獎項。盡管取得了一些成果，唐一超卻逐漸感覺到柔軟機器人領域存在的一些瓶頸，尤其是領域內的學者大多聚焦于自己課題組的研究，而沒有正視柔軟機器人是否真正能夠在現實世界中獲取可靠的應用場景。經過多年的思考，唐一超開始意識到這個領域的未來在生物醫療領域，因此他毫不猶豫地將研究向醫療領域有目的地進行了擴展。

為了在相關領域學習新的知識、積累相關的科研經驗，唐一超又先后前往美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、德國馬普所智能系統所從事人工肌肉和醫療機器人的研究，為醫療微型機器人在人體內應用方面的研究積累了豐富的經驗，取得了不錯的研究成果，包括在《科學》（Science）雜志、《科學》雜志子刊《科學·進展》（Science Advances）等期刊發表學術論文。

立足我國現狀的醫療機器人探索

“其實我在研究生畢業、打算考博士的時候，就一直有回國的打算?！碧埔怀f。近些年來，國家對于科研工作者的支持力度加大。在初心的牽引和滿足祖國科技發展需要的責任感驅使之下，2021年，唐一超踏上了回國征程，在同濟大學這一科研平臺繼續施展自己的科研抱負。

如今，在中國社會老齡化的背景下，新型醫療機器人能更好地輔助老年人的生活并助力疾病的治療，并且具有傳統醫療手段不具備的無創、無痛等特點。唐一超主要從體內醫療及體外助力這兩個層面展開研究，以更好地服務我國社會。

人造肌肉是未來制造“類人”柔性機器人的根基。在此之前，唐一超曾提出預測“螺旋肌肉”變形的新理論模型，模型可以準確地預測該種人造肌肉的應變大小和能量密度，并對肌肉如何實現大變形和高能量輸出給出理論依據?，F如今，他和研究團隊也正在著手開發一套由液壓驅動的、基于人工肌肉的外骨骼系統，這套系統可以為人類提供更大的能量密度，幫助人們去開展相關工作。

研究工作之外，唐一超還與上海本地多家三甲醫院建立了合作。他經常深入醫院一線，了解現如今臨床手術的痛點，幫助醫生設計更好的手術器械，而他們開發的微型醫療機器人就能夠通過磁場控制，降低病人在手術過程中的痛苦，并且可以深入體內，在傳統醫療器械無法觸及的體內深處位置進行成像、診斷、治療，具有廣闊的應用前景。

雖然目前一系列研究工作都在穩步推進，但是唐一超深知：醫療機器人的臨床應用仍需要他們做出更多努力。今后，他會將研究方向和國家重大需求相結合，并努力向產業化方向推進。“科學研究不能脫離現實和國情，希望未來我能夠利用自己的專業技能和多學科背景，為我國醫療機器人領域的產業升級作出貢獻。”唐一超說。

專家簡介

唐一超，同濟大學機械與能源工程學院教授，博士生導師。2012年獲得北京科技大學學士學位，2018年獲得美國天普大學博士學位，其后分別在美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和德國馬普所智能系統所進行博士后研究。2021年擔任同濟大學機械與能源工程學院教授、博士生導師。主要研究方向為醫療機器人、微型機器人、具身智能，近年來在《科學》（Science）、《科學·進展》（Science Advances）、《美國科學院院報》（PNAS）、《先進材料》（Advanced Materials）、《軟體機器人》（Soft Robotics）等期刊發表論文，研究成果被國家自然科學基金、英國《每日郵報》、美國國家科學基金會、新浪網等多家媒體或機構報道。曾獲得國家優秀自費留學生獎學金、德國洪堡學者、世界人工智能大會青年優秀論文獎。主持國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目。