祝傳海

據(jù)2019年的一項調(diào)查顯示，我國每年大約有1000萬心血管疾病患者死亡，其中約有450萬人死于中風(fēng)。導(dǎo)致患者中風(fēng)死亡的重要因素之一就是血栓阻塞。目前，心血管疾病的除血栓手術(shù)一般采用血管內(nèi)介入式微創(chuàng)手術(shù)，但是由于傳統(tǒng)機(jī)械導(dǎo)絲具有固定端頭，在復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)中巡航能力差。

針對這一問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系教授王柳和他在美國麻省理工學(xué)院的導(dǎo)師趙選賀教授提出一種磁控導(dǎo)絲機(jī)器人的概念，在導(dǎo)絲的端頭里面嵌入微尺度的磁性顆粒。這樣導(dǎo)絲會在外界磁場的作用下靈活地偏轉(zhuǎn)它的端頭，快速巡航復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)，做到精準(zhǔn)快速的除血栓操作。

“如果研究順利的話，我想在不遠(yuǎn)的將來磁控導(dǎo)絲機(jī)器人可以拯救成千上萬的生命?！蓖趿缡钦f道。

命運偏愛樂觀者

出身農(nóng)門，王柳的家庭經(jīng)濟(jì)條件并不好。對他來說，努力讀書，去國外看一看，是他當(dāng)時唯一的理想。初中時，王柳每天五點半起床，騎自行車到10公里以外的學(xué)校去上學(xué)，因為路途遙遠(yuǎn)，他中午不回家就在學(xué)校操場上午休。寒冬酷暑，從不遲到。

特別是寒冷的冬天，王柳的手和腳全是凍瘡，凍瘡時間一久就會發(fā)癢，甚至潰爛，他咬牙堅持了下來。就像明代宋濂在《送東陽馬生序》中寫的一樣：“窮冬烈風(fēng)，大雪深數(shù)尺，足膚皸裂而不知?！?/p>

為了心中的理想，王柳付出了幾倍于同齡人的努力。2010年9月，他以優(yōu)異的成績被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理論與應(yīng)用力學(xué)錢學(xué)森力學(xué)英才班錄取。甫一入校，王柳就勤奮刻苦，不落人后。不僅如此，他還開始準(zhǔn)備起了托福和GRE（研究生入學(xué)考試），為之后出國作準(zhǔn)備，并在大學(xué)期間獲得了前往荷蘭特文特大學(xué)暑期交流學(xué)習(xí)的機(jī)會。

“我當(dāng)時在宿舍里貼了一張美國地圖，上面標(biāo)注了美國100所大學(xué)的位置。我對每一所學(xué)校都做了詳細(xì)的了解，包括地理位置、學(xué)校環(huán)境、優(yōu)勢專業(yè)和知名導(dǎo)師。”用心的背后，是王柳十幾年如一日的專注。

4年時間倏忽而過，王柳從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)，繼續(xù)朝著他心中的理想邁進(jìn)，他順利地拿到了美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的錄取通知書。正是這番際遇，讓王柳遇到了人生中的明燈——博士生導(dǎo)師魯南姝教授和博士后合作導(dǎo)師趙選賀教授。

“兩位老師不僅學(xué)術(shù)高超，而且平易近人，積極帶我參加各類學(xué)術(shù)會議，給我引薦知名學(xué)者，讓我盡早融入學(xué)術(shù)圈。并且兩位老師的科研方向都比較前沿，視野寬闊，他們教會我如何去發(fā)掘更新的問題，不只是為了科研而科研，為了寫文章而寫文章，而是為了解決某一關(guān)鍵問題?！蓖趿锌?。與魯南姝教授、趙選賀教授相處的點點滴滴成為他人生中極為重要的一段經(jīng)歷。

獨當(dāng)一面破難題

在世界范圍內(nèi)，中風(fēng)和心臟病等心血管疾病是導(dǎo)致患者長期致殘和死亡的主要原因。目前，心血管疾病的常規(guī)微創(chuàng)治療通常采用被動式導(dǎo)絲和帶有預(yù)成形端頭的導(dǎo)管，需在放射線成像下進(jìn)行操作。

這種被動式導(dǎo)絲和導(dǎo)管的手動操作通常受到以下限制：在復(fù)雜血管系統(tǒng)中的可操縱性低，且難以進(jìn)入小的血管分支，操作時間長，操作過程中累積的輻射量會對病人和操作醫(yī)生造成損害。

為了克服這些挑戰(zhàn)，人們嘗試通過遠(yuǎn)程方式來實施機(jī)器人輔助的微創(chuàng)治療。由于磁場的束縛性和生物相容性，最近出現(xiàn)了一種具有應(yīng)用前景的機(jī)器人輔助微創(chuàng)平臺，此平臺基于磁場控制的彈性纖維——磁控連續(xù)體機(jī)器人。

“趙選賀教授于2019年提出了磁控導(dǎo)絲機(jī)器人的概念。他和團(tuán)隊巧妙地在導(dǎo)絲的端頭上摻雜一些微尺度的磁性顆粒，這樣導(dǎo)絲在外界磁場的作用下就能靈活地偏轉(zhuǎn)端頭，實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的操作。”王柳說，磁控導(dǎo)絲機(jī)器人領(lǐng)域目前尚處在發(fā)展階段，許多研究成果都還沒有走向成果轉(zhuǎn)化，達(dá)到實際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

實際上，磁控導(dǎo)絲機(jī)器人的現(xiàn)有設(shè)計在很大程度上依賴于反復(fù)試驗或數(shù)值模擬，缺少高效設(shè)計和優(yōu)化工具。這對于具有大量參數(shù)的磁控導(dǎo)絲機(jī)器人設(shè)計或優(yōu)化而言并不理想。因此，能夠最大化磁控導(dǎo)絲機(jī)器人工作空間的有效設(shè)計策略仍然是一個重要但尚未解決的挑戰(zhàn)。

鑒于此，王柳創(chuàng)造性地提出一種進(jìn)化設(shè)計策略，通過集成理論模型和遺傳算法來確定磁控導(dǎo)絲機(jī)器人內(nèi)的最佳磁化強(qiáng)度和剛度模式，從而最大化導(dǎo)絲機(jī)器人的工作空間。這意味著優(yōu)化的磁控導(dǎo)絲機(jī)器人在微創(chuàng)治療中具有卓越的可操縱性。這種設(shè)計和優(yōu)化方法還可以輕松地納入其他設(shè)計參數(shù)，為設(shè)計和優(yōu)化未來的磁性軟機(jī)器人和執(zhí)行器提供了強(qiáng)大而有效的工具。此項研究以題為《磁性軟連續(xù)體機(jī)器人的進(jìn)化設(shè)計》（Evolutionary design of magnetic soft continuum robots）的論文發(fā)表在最新一期《美國科學(xué)院院報》（PNAS）上。

走向未來的道路

2022年5月，王柳結(jié)束了他的美國學(xué)習(xí)和工作之旅，回到了祖國，入職母?！袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)，擔(dān)任教授和博士生導(dǎo)師。如同當(dāng)年很早就開始計劃出國一樣，學(xué)成歸國也是王柳很早就安排好的?！拔腋屑覍ξ业脑耘啵Ｍ芑貋頌閲邑暙I(xiàn)一份力。至于為什么選擇科大？我對科大比較有情感，它的辦學(xué)理念我也很認(rèn)同?！痹谕趿暾埢貒倪^程中，工程科學(xué)院院長吳恒安教授對他的申請工作給予了大力的支持，目前各項研究工作正在平穩(wěn)有序地展開。

8年的國外科研經(jīng)歷，讓王柳深刻地意識到，科學(xué)絕對不是閉門造車，特別像他這樣做基礎(chǔ)研究工作的學(xué)者?！傲W(xué)是一門基礎(chǔ)性學(xué)科，我們常說它是服務(wù)性的學(xué)科，與材料、生物、化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者合作，彼此相互學(xué)習(xí)，相互認(rèn)可，這是一個互利共贏的過程。”王柳說，廣泛的交流與合作使得他的學(xué)術(shù)視野更加開闊，合作的成果得到了更多的認(rèn)可。

“我在博士期間積極與韓國首爾大學(xué)的金大亨（Dae-Hyeong Kim）教授合作，發(fā)表了好幾篇《自然》（Nature）子刊論文，獲得了很高的學(xué)術(shù)引用。后來我還與南方科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中山大學(xué)的老師進(jìn)行合作，發(fā)表了3篇《自然·通訊》（Nature Communications）和1篇《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）?！必S富的合作經(jīng)歷，讓王柳意識到合作是一個相互學(xué)習(xí)的過程，多方的專業(yè)知識能解答研究中的許多疑惑，推動研究走上更高的層次。

好的合作更是離不開團(tuán)隊的幫助，盡管現(xiàn)在王柳的團(tuán)隊還在組建中，不過他已經(jīng)有了初步的想法和計劃?！拔矣X得從博士和博士后導(dǎo)師那里學(xué)到的最寶貴的經(jīng)驗，是營造自由平等的學(xué)術(shù)氛圍。頭腦風(fēng)暴很重要，大家可以積極踴躍討論問題。另外，凝聚團(tuán)隊最好的方法是親力親為，只要有時間我就會手把手地教導(dǎo)學(xué)生如何去做任務(wù)、寫文章、畫圖等。”

面對培養(yǎng)學(xué)生，王柳說他會更加注重學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。他說：“第一要讓學(xué)生多閱讀最前沿的文獻(xiàn)，積極幫助學(xué)生開闊視野，結(jié)合自己所學(xué)的東西發(fā)現(xiàn)問題。第二要多鼓勵學(xué)生，因為導(dǎo)師不是萬能的，學(xué)生會有很多比導(dǎo)師更好的想法。”

因為年少時經(jīng)歷過真正的苦難，所以長大后再遇到任何困難，王柳反而表現(xiàn)得很堅韌樂觀?！拔沂谴謇锏谝粋€大學(xué)生，也是第一個能出國的大學(xué)生。我走到今天，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所有人的預(yù)期。對于科研工作者來說，最重要的就是腳踏實地，不要好高騖遠(yuǎn)。發(fā)揮自己的特長，腳踏實地地走好每一步?！?/p>

老子說：“萬物之始，大道至簡，衍化至繁?！痹谕趿磥?，科研工作者不是非要鉆研很難的科研問題，可以從基礎(chǔ)做起，有時越簡單，越基礎(chǔ)的事情，影響力反而是更大的。他說：“未來，面向生物醫(yī)療領(lǐng)域，我想推動磁控導(dǎo)絲機(jī)器人向臨床應(yīng)用發(fā)展，真正服務(wù)人類的健康，拯救患者的生命?！?/p>

（責(zé)編：蘇寒山）