——记北京理工大学机电学院、

北京市智能机器人与系统高精尖创新中心教授张帅龙

倪海波

2018年，诺贝尔物理学奖的一半授予美国科学家阿瑟·阿什金，以表彰他对光镊技术的开创性贡献。正如阿瑟·阿什金所说：“精准操控细胞的能力，为我们打开了研究细胞功能的大门。”光镊作为一项多学科交叉的前沿技术，正吸引越来越多科学家投入其中。2005年，张帅龙导师的导师——美国加州伯克利大学的Ming Wu教授在光镊技术的基础上发明了“光电镊子”，为科学家开通了用光捕捉最佳细胞的路径。此后，Ming Wu教授创办的Berkeley Lights公司在纳斯达克上市。公司开发的光电镊产品在抗体开发、细胞疗法、新冠疫苗研发等领域取得了卓越的成就。

“和国外相比，我国在相关产学研方面主要存在的问题是一些关键技术和专利还没有掌握，如用于光学操控的光电三极管材料开发难题还没有攻克；领域交叉学科的人才尚有欠缺；国家在相关方面缺乏长远的投资支撑等。”张帅龙如是阐述中国相关领域发展面临的一系列难题，而这也是他回国开启新征程的主要原因。

解码神奇的光电镊微纳机器人

什么是光电镊？它在生命科学领域的应用会给人类生活带来怎样的影响？

光电镊，顾名思义，是一种利用光电场抓住物体的工具。不同于传统的机械系统，它利用光束诱导产生电场，对微小粒子如细胞器、生物大分子等进行夹持、操纵及微加工，是一种理想的微观研究工具。近年来张帅龙所关注的微纳机器人研究发展正是基于光电镊技术的前沿交叉研究。

早在1966年上映的电影《奇幻旅程》中，就有了对未来微纳机器人的神奇想象：一名医学科学家将5名同事缩小到纳米尺寸并注入自己的体内，让他们“游”到患病区域替自己治疗。如今，当年的科幻梦想已经照进现实——近年来，依靠微尺度光操控平台对机器人进行驱动的光操控微纳机器人技术正趋向成熟，已应用于细胞操控、生物组织定向培养等领域。其中基于光电镊技术的微纳机器人技术具有易操控、多功能、生物兼容性好等优点，是微纳操作机器人领域的重点研究方向之一。

但由于受机器人机械结构和介电材料限制等，现有微型机器人无法在高电导率的细胞培养液中工作，限制了它的生物学兼容性和在细胞操作领域的应用。为了突破这一技术瓶颈，张帅龙开发出一种新型微米量级的光电驱动机器人。它由光电镊系统产生的介电泳力驱动，可对细胞、生物组织等微小目标进行“捕获”“运输”“释放”“装配”等灵巧操作，也可在单细胞层面上进行细胞分选、培育和基因测序等工作。该机器人不仅可有效对目标施加操控力，同时支持多机并行操控。它的制作工艺简单，整套系统操控精度高，生物毒性低，大大降低了微型机器人的产业化门槛。

这项成果为生物医学研究提供了一种高效且无伤害的细胞操控工具，使得细胞存活率比原有技术提升30%，细胞移动速度提升2倍以上。成果发表在世界著名杂志《美国科学院院刊》（PNAS），得到了媒体的广泛报道。光电镊发明者Ming Wu教授高度评价该技术称：“这种机器人在操作那些很难直接用光电镊移动的物体时会非常有用。”

虽然研究取得突破性进展，但张帅龙对于光电镊微纳机器人的探索和思考仍一直在继续。随着不同学科日新月异的发展，学科交叉融合引导着一项项新发现、新技术的面世。在张帅龙看来，光电镊微纳机器人技术充分体现了“共性导向，交叉融通”的学科特性。

2020年，张帅龙作为主要项目领导者参与了加拿大政府和英国物理研究学会共同资助的重大科研项目——用于自动大脑解剖的微型机器人研究。该项目的核心任务就是利用光操控机器人技术对神经元干细胞进行挑选，这是一个非常棘手的问题。最终，张帅龙利用自己研发的光操控机器人成功解决了这一问题。“这是一个跨国性的研究项目，加拿大团队主要是负责硬件、机器人和系统的研发；英国团队则负责软件的开发，即如何正确识别神经元干细胞。”在项目实施的过程中，张帅龙深刻体会到了会聚多交叉学科知识，融会贯通助力科研的魅力，更加笃定了自己要走学科交叉融合创新之路的决心。

做饮水思源的科研人

研究立足科学前沿，解决多学科领域交叉的共性难题，这是张帅龙这些年研究的主要特点。而这一科研思维方式的养成，与他的研究经历有着紧密的联系。

张帅龙本科毕业于北京理工大学信息工程专业，毕业后前往英国斯特莱德大学光子研究所攻读物理学博士学位，研究半导体光学器件。在加拿大进行博士后研究期间，他转向生物和微流控研究，在导师指导下，逐渐将自己接触的多个学科知识进行交叉融合，走上了这条“共性交融”的跨学科前沿问题研究之路。

历经多个世界科学研究殿堂，置身全球一流科研团队开展研究，感受名家大师、新锐学者的风范，领略国际前沿科技发展趋势……沐浴在学术自由的文化氛围里，张帅龙收获了丰富的国际化工作经验和深厚、扎实的前沿科学研究背景。正是这些沉淀，成就了一个在微纳操作研究领域建树颇丰的青年学者。

2021年，张帅龙响应国家的号召，回到母校——北京理工大学发展。加入北京市智能机器人与系统高精尖创新中心的福田敏男院士团队。福田敏男是全球首位提倡微纳操作机器人的开拓者、领军者，中国科学院外籍院士，其带领的北京理工大学微纳机器人团队已经成为领域里的佼佼者。置身这样的环境，有一群志同道合的人，张帅龙期望能将自己的优势更好地发挥出来，助力相关行业的跨越发展。

作为一名85后年轻博士生导师，即使在领域里已经小有成就，但张帅龙一直保持着谦逊的态度，时刻怀着一颗感恩的心。“在国外留学和工作的11年中，我得到了很多人的帮助，比如我的博士生导师Martin Dawson教授和顾尔丹教授，博士后导师Steven Neale博士、Jonathan Cooper院士和Aaron Wheeler教授，他们的指导与支持是我在科研道路上不断前行的动力。我还要感谢北京理工大学的张军校长、陈鹏万院长、黄强主任、周勇书记、杜宁主任、石青教授、段星光教授、王化平教授、刘晓明教授等，他们在引进我回国工作的过程中给予了我很多的支持与帮助。”

张帅龙想要感谢的，还有自己的亲人。在得知自己想要回国的想法后，妻子蒋王紫微毅然舍弃了在加拿大的优渥生活，陪他回到北京。同是大学老师的父母，从小到大对张帅龙秉持的教育方式是言传身教，默默支持和鼓励着他做的每一个决定，他们是张帅龙人生路上最大的助力。心怀感恩首孝悌，饮水思源当报国。对张帅龙来说，回国是无悔的选择。

在张帅龙看来，作为一名科研人，不仅要不断攀登专业高峰，还要让科研之光照亮更多青少年。2012年至今，他为小学生、中学生和普通群众组织了10多次科普活动。“一方面，我想把研究成果分享给大众，另一方面为了激发青少年未来能够对科学研究的兴趣。”张帅龙说，他希望能针对国家的重大需求，做更多原创性、创新性的研究，比如“癌症的早期筛查”“单细胞的分析和提取”“抗体药物开发”等，最终将实验室开发的技术产品应用到人民大众的生活中去。

（责编：黄雪霜）

专家简介

张帅龙，1988年生于河南省洛阳市。英国格拉斯哥大学、加拿大多伦多大学博士后，入选国家高层次人才青年计划。现任北京理工大学机电学院、北京市智能机器人与系统高精尖创新中心教授。主要研究方向为微纳机器人技术、光电镊技术、数字微流体技术。主要学术贡献为：开发了世界首款用于细胞操作和基因检测的微米量级光电驱动机器人，实现了世界首款可重构的光电驱动微机械流体控制系统，开创了利用光电镊技术和冷冻干燥技术组装微纳电子电力器件的方法。迄今共发表SCI期刊论文35篇，其中以第一作者在PNAS、Nature Communications等国际顶级期刊发表论文15篇论文，论文总引用1283次；发表国际会议论文30篇并作口头报告12次。参与两部专著的撰写，并担任Micromachines和Cyborg and Bionic Systems两本国际期刊的青年编委。