纖微腔道巧布陣，柔性機(jī)器堪大任——訪2022級星友高安柱 | 今日啟明星

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高安柱

上海交通大學(xué)自動(dòng)化與感知學(xué)院/醫(yī)療機(jī)器人研究院教授

作者序

2023年6月29日下午，在啟明星協(xié)會(huì)于上海交通大學(xué)錢學(xué)森圖書館舉辦的一次啟明星下午茶活動(dòng)上，來自上海交通大學(xué)自動(dòng)化與感知學(xué)院/醫(yī)療機(jī)器人研究院的2022級星友高安柱的發(fā)言令我印象深刻。

那次下午茶的主題是探討在技術(shù)迭代頻繁的當(dāng)下如何以錢學(xué)森為榜樣，在自立自強(qiáng)的高水平科研中作出新一代科技工作者的貢獻(xiàn)。高安柱那天發(fā)言中介紹了他和團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一款纖細(xì)微小的可以進(jìn)入人體的亞毫米級的柔性機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在狹窄空間內(nèi)的診治。

會(huì)議結(jié)束后我就找到這位眼里有光、有著讓人羨慕狀態(tài)的高安柱，表達(dá)了在合適的時(shí)候?qū)λ鲉⒚餍遣稍L的意愿。隨后的近三年時(shí)間，我時(shí)常關(guān)注他和團(tuán)隊(duì)的科研進(jìn)展信息，知道他們近年來在醫(yī)療柔性連續(xù)體機(jī)器人研制技術(shù)上時(shí)有突破性進(jìn)展，作為團(tuán)隊(duì)主要成員的高安柱發(fā)揮了突出作用，目前他已受聘醫(yī)療機(jī)器人研究院院長助理/手術(shù)機(jī)器人中心主任，于是想約他做啟明星采訪，也是延續(xù)近三年前那次啟明星下午茶的情分。

2026年1月19日上午，我再次見到安柱，他給我的第一感覺是比我兩年多前見到時(shí)更沉穩(wěn)老練了，額上也開始有了少許華發(fā)，但眼里依然有光。那天上海預(yù)報(bào)的氣溫偏低，周到的安柱為我準(zhǔn)備了大杯咖啡熱飲，并領(lǐng)著我先去纖微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室以及內(nèi)容豐富的醫(yī)療機(jī)器人展示廳，一路上指引我看了他們的聚合物拉絲制備技術(shù)及設(shè)備，并給我講解纖微手術(shù)機(jī)器人在早期診斷和精準(zhǔn)治療的發(fā)展趨勢，包括在更小的腔內(nèi)介入診斷等方面。安柱耐心而通俗的介紹讓我盡享行內(nèi)一流專家解讀的VIP待遇。如此也更讓我想了解是何種機(jī)緣讓高安柱與醫(yī)療機(jī)器人研發(fā)這一使命發(fā)生交集的。

本科參加機(jī)器人設(shè)計(jì)大賽收獲刻骨銘心的真經(jīng)

1987年出生的高安柱的老家是黑龍江省鶴崗市，他是一名土生土長的東北人。安柱小時(shí)候的性格很內(nèi)向，小學(xué)到高中都不愛說話，一跟人說話就臉紅的那種，與現(xiàn)在相對較開朗的性格頗有不同。那時(shí)的他對哪些是名牌大學(xué)、什么是熱門專業(yè)等都不太清楚，填報(bào)志愿前正好看到電視上播放哈爾濱工業(yè)大學(xué)（簡稱“哈工大”）的機(jī)器人。他就根據(jù)對自己高考成績的預(yù)估，報(bào)了哈工大機(jī)電工程學(xué)院的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。從步入哈工大那一刻，他便開始了機(jī)器人研究的生涯。

哈爾濱是安柱的第二故鄉(xiāng)。回過頭來看在哈工大四年（2005—2009）的求學(xué)經(jīng)歷，安柱覺得母校的校訓(xùn)“規(guī)格嚴(yán)格、功夫到家”所蘊(yùn)含的內(nèi)斂、踏實(shí)這一風(fēng)格跟自己的性格很相似，也讓自己終身受用。

機(jī)器人是需要?jiǎng)邮值膶W(xué)科，本科期間，安柱參加了不少機(jī)器人比賽。其中對他幫助和影響至深的是大二到大三時(shí)參加的全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽省賽。他和班里其他4個(gè)同學(xué)組隊(duì)參賽，要完成一個(gè)能實(shí)際應(yīng)用的在外墻做墻面清洗的爬壁清潔機(jī)器人。整個(gè)參賽過程歷時(shí)一年多。

這次參賽經(jīng)歷安柱完成了從動(dòng)手設(shè)計(jì)、制造，到裝配、調(diào)試樣機(jī)的全流程。第一次全過程參與，安柱真正體會(huì)到制作的東西若要可用，其中涉及的每一個(gè)細(xì)節(jié)甚至一個(gè)螺絲的位置尺寸都要確認(rèn)好，稍有不慎就會(huì)影響整臺(tái)樣機(jī)的效能。“這些能力和經(jīng)驗(yàn)在課堂里是學(xué)不到的。”外場調(diào)試樣機(jī)時(shí)，有個(gè)小零件從3米左右的高臺(tái)上滑落下來，打在安柱的前額上，他去校醫(yī)院縫了好幾針。“因?yàn)檫@次‘血的教訓(xùn)’，實(shí)驗(yàn)安全從此一直謹(jǐn)記在心。”

雖然安柱和隊(duì)友們在規(guī)定時(shí)間里提交了爬壁機(jī)器人樣機(jī)及機(jī)器人清掃外墻的視頻，但因?yàn)樵诂F(xiàn)場演示前一天突發(fā)意外，他們那臺(tái)樣機(jī)的電機(jī)燒壞了，發(fā)現(xiàn)時(shí)更換已經(jīng)來不及，關(guān)鍵是沒有備份。所以第二天展示答辯時(shí)他們只能展示不能工作的樣機(jī)和一段樣機(jī)工作的視頻，本想沖一等獎(jiǎng)的目標(biāo)遺憾沒有達(dá)成，但由此得到的“備份意識(shí)”教訓(xùn)，同樣讓安柱和小伙伴們刻骨銘心。

上海交通大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人研究院展區(qū)

研究生參與血管機(jī)器人研發(fā)，初識(shí)柔性連續(xù)體機(jī)器人

大四上學(xué)期，安柱獲得了本校保研名額，并在確定導(dǎo)師后就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。安柱的導(dǎo)師是哈工大王樹國教授和付宜利教授。碩士研究生（2009—2011）階段，安柱開始進(jìn)入柔性機(jī)器人領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)王老師團(tuán)隊(duì)正在開展血管介入機(jī)器人這一國家級項(xiàng)目的研究。血管介入機(jī)器人就是能在人體腔道內(nèi)柔性可控介入的機(jī)器人，這在當(dāng)時(shí)是很新的方向。

這個(gè)項(xiàng)目幾乎貫穿了安柱大四到碩士研究生三年多的全部時(shí)間。項(xiàng)目中安柱參與的是血管介入機(jī)器人的主從操作研究工作和整個(gè)項(xiàng)目的收尾工作。這也是安柱第一次接觸到國家級科研項(xiàng)目。他特別感恩在哈工大課題組里導(dǎo)師們的指導(dǎo)，師兄和同學(xué)們的幫助。

碩士畢業(yè)后，他到了上海閔行區(qū)的中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司（簡稱“中國航發(fā)商發(fā)”）工作了一段時(shí)間，當(dāng)時(shí)公司還在閔行紫竹高新區(qū)的辦公樓內(nèi)辦公。回想起來，這段與機(jī)器人研究無甚交集的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)歷對他日后的機(jī)器人研發(fā)還是有某種關(guān)聯(lián)的，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)力學(xué)知識(shí)、系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)流程與管理等。他特別感恩在公司工作期間領(lǐng)導(dǎo)和同事的關(guān)照，讓他對產(chǎn)品研發(fā)有了更深刻的體會(huì)。在上海工作的這段時(shí)間，安柱的意外之喜是收獲了愛情，上海也因此成了他的福地。

博士期間參與柔性連續(xù)體機(jī)器人核心技術(shù)開發(fā)

工作近兩年后，還是因?yàn)閷C(jī)器人科研的興趣，高安柱報(bào)考了中國科學(xué)院大學(xué)/中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所（簡稱“國科大/沈自所”）并被錄取。四年攻博期間（2013—2017），安柱跟著導(dǎo)師王志東研究員、劉浩研究員以及李洪誼研究員一起繼續(xù)從事柔性連續(xù)體機(jī)器人的前沿探索。

其間有一年，他很榮幸獲得國家留學(xué)基金管理委員會(huì)（CSC）資助，到美國約翰霍普金斯大學(xué)（JHU）計(jì)算感知與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（LCSR）讀博，師從拉塞爾·泰勒（Russell H. Taylor）教授、梅赫蘭·阿曼德（Mehran Armand）教授、尤利安·洛達(dá)吉塔（Iulian Iordachita）教授等多位導(dǎo)師學(xué)習(xí)如何做前沿科學(xué)的研究。JHU是國際上醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的“天花板”單位之一，這一年的學(xué)習(xí)讓高安柱對醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的理解提升了一個(gè)層次。他也利用這段時(shí)間全身心投入柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)、建模和優(yōu)化工作。

2017年博士畢業(yè)后，高安柱去英國倫敦帝國理工學(xué)院做博士后，合作導(dǎo)師是英國皇家工程院院士楊廣中教授，楊老師創(chuàng)辦的哈姆林中心是國際上醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的另一家“天花板”單位。那件事他印象深刻，安柱一個(gè)人夜爬了泰山，雖沒看到日出，但在下山那一刻接到了楊老師發(fā)來的博士后錄取通知，他很興奮。

在英國期間，楊老師提供的世界級平臺(tái)和每周組會(huì)的指導(dǎo)讓安柱受益匪淺，這段經(jīng)歷也讓他進(jìn)入了毫米/亞毫米級小尺度連續(xù)體手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)領(lǐng)域。他特別感恩在沈自所、JHU、帝國理工等課題組里導(dǎo)師們的指導(dǎo)、課題組師兄和老師同學(xué)們的關(guān)心。2019年6月出站后，安柱加入了上海交大自動(dòng)化與感知學(xué)院/醫(yī)療機(jī)器人研究院。

入職上海交大，主攻纖微機(jī)器人

所謂柔性連續(xù)體機(jī)器人是指由柔性結(jié)構(gòu)組成的可驅(qū)動(dòng)本體，可以通過連續(xù)彎曲或者離散近似連續(xù)彎曲來實(shí)現(xiàn)靈巧運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，特別適用于在狹窄、受限、崎嶇的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)柔順靈巧的介入和操作。而團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)的能在人體腔道內(nèi)（如血管、氣管、耳道）實(shí)現(xiàn)靈巧運(yùn)動(dòng)的小尺度纖細(xì)微小連續(xù)體機(jī)器人，又稱纖微機(jī)器人，是能實(shí)現(xiàn)纖微尺度的下一代連續(xù)體機(jī)器人。

目前，由首席科學(xué)家楊廣中院士和常務(wù)副院長陳衛(wèi)東教授帶領(lǐng)下的上海交大醫(yī)療機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)正以纖微機(jī)器人為主攻方向，探索基于機(jī)械、光、聲、磁、熱、電等多模式組合，在不犧牲機(jī)器人空間尺度的前提下實(shí)現(xiàn)纖細(xì)微小狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)、感知和操控，最終實(shí)現(xiàn)纖微機(jī)器人的小型化、功能化、智能化、具身化。安柱說醫(yī)療機(jī)器人研究涉及自動(dòng)化、機(jī)械電子、材料學(xué)、人工智能、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的融合，需要一個(gè)長期的研發(fā)過程，打通原型樣機(jī)到臨床應(yīng)用通常要10年左右，但“每一個(gè)突破的科研成果都是多年積累的結(jié)果，這是我們這一行工作的特點(diǎn)，需要沉淀和積累”。

自動(dòng)化與感知學(xué)院/醫(yī)療機(jī)器人研究院等平臺(tái)為課題組提供了特別強(qiáng)有力的硬件支撐，他也感恩學(xué)院和研究院老師和同學(xué)們的大力支持和幫助，尤其感謝楊廣中教授和陳衛(wèi)東教授在科研和生活中的指導(dǎo)與提攜，課題組取得的成績與此密不可分。安柱以他們近期創(chuàng)新的光纖驅(qū)感復(fù)用的連續(xù)體機(jī)器人全身力感技術(shù)為例。

這其實(shí)就是一種創(chuàng)新解決方案，利用光纖同時(shí)實(shí)現(xiàn)了纖微機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和力感知功能，從原始想法到初具形態(tài)至少花了5年時(shí)間。展開一點(diǎn)說就是采用光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)感復(fù)合的設(shè)計(jì)，即讓同一根光纖既作為驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人彎曲的“纜繩”，又通過內(nèi)部刻寫的FBG傳感器實(shí)時(shí)感知整個(gè)路徑上的張力分布和變化，實(shí)現(xiàn)“肌肉”與“神經(jīng)”的雙重功能。

如此，就可在柔性機(jī)器人的任一部位感知受力的大小和位置，為實(shí)施醫(yī)療腔道內(nèi)診療提供全身感知能力。這種全身感知能力突破了傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感限制，醫(yī)療機(jī)器人由此獲得全身范圍接觸感知。該技術(shù)突破為腔內(nèi)介入手術(shù)提供了安全、精準(zhǔn)的操作保障，解決了傳統(tǒng)連續(xù)體機(jī)器人缺乏觸覺感知的棘手難題。

緊貼臨床場景，與醫(yī)生團(tuán)隊(duì)無縫合作

高安柱和團(tuán)隊(duì)這兩年科研的一個(gè)顯著特點(diǎn)是緊貼臨床場景。幾個(gè)月前，國內(nèi)外媒體報(bào)道了他們團(tuán)隊(duì)成功研制出國際首創(chuàng)術(shù)中磁共振影像導(dǎo)航的氣液混合驅(qū)動(dòng)腦神經(jīng)介入手術(shù)機(jī)器人。安柱介紹，磁共振兼容的手術(shù)機(jī)器人是醫(yī)療機(jī)器人研究院重點(diǎn)布局的方向之一。在楊廣中教授的帶領(lǐng)下，以及上海市科委和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，他們先后開發(fā)了兩款手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

一款是與上海市胸科醫(yī)院潘常青院長和王曉舟主任團(tuán)隊(duì)合作的磁共振兼容血管介入手術(shù)機(jī)器人，另一款是與上海交大附屬瑞金醫(yī)院孫伯民主任團(tuán)隊(duì)、上海市精神衛(wèi)生中心王振副院長（2013級星友）團(tuán)隊(duì)開發(fā)的磁共振兼容的腦電極植入機(jī)器人。

依托醫(yī)療機(jī)器人研究院和合作醫(yī)院建立的機(jī)器人臨床研究中心，通過與臨床醫(yī)生團(tuán)隊(duì)的無縫合作，這兩套機(jī)器人系統(tǒng)已完成活體動(dòng)物和人體標(biāo)本等數(shù)十例手術(shù)，正在向臨床驗(yàn)證方向推進(jìn)。這兩個(gè)項(xiàng)目解決了磁共振兼容場景下柔性機(jī)器人或柔性器械的介入/植入問題，而高安柱本人承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目，旨在繼續(xù)推進(jìn)磁共振兼容連續(xù)體機(jī)器人心臟手術(shù)技術(shù)的進(jìn)一步突破。

在醫(yī)療機(jī)器人研究院纖微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室與部分團(tuán)隊(duì)成員合影（高安柱為左一）

團(tuán)隊(duì)開發(fā)的磁共振兼容機(jī)器人動(dòng)物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場及部分團(tuán)隊(duì)成員合影（高安柱為左四）

2021年課題組戶外爬山活動(dòng)登頂后的合影（高安柱為右三）

跨尺度纖微連續(xù)體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)高精度手術(shù)操作

安柱介紹，近年來經(jīng)人體自然腔道的無創(chuàng)或微創(chuàng)精準(zhǔn)診療之所以成為醫(yī)學(xué)手術(shù)的新興趨勢，是因?yàn)槿藗儗χ卮蠹膊〉脑缙诟深A(yù)和精準(zhǔn)治療的需求和呼聲越來越高。現(xiàn)有的連續(xù)體機(jī)器人的定位精度還受限在毫米尺度，難以執(zhí)行精細(xì)手術(shù)。同時(shí)，臨床部署的腔內(nèi)介入手術(shù)，既希望機(jī)器人能快速到達(dá)目標(biāo)部位，又希望能作精確移動(dòng)以實(shí)施局部操作。在實(shí)現(xiàn)宏微運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人尺寸的小型化、運(yùn)動(dòng)速度、范圍和精度的權(quán)衡，以及宏微運(yùn)動(dòng)之間的串?dāng)_，也給腔內(nèi)介入機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)帶來挑戰(zhàn)。

針對這些挑戰(zhàn)，在啟明星項(xiàng)目等資助下，安柱團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了亞毫米尺度的光纖驅(qū)動(dòng)纖微機(jī)器人，希望能夠解耦宏觀和微觀操作，如此就可在腔內(nèi)介入的過程中作跨尺度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度腔內(nèi)介入手術(shù)。這里提到的宏運(yùn)動(dòng)是指腔道內(nèi)幾十厘米幅度的運(yùn)動(dòng)，微運(yùn)動(dòng)是指腔道內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾十微米范圍內(nèi)的精準(zhǔn)定位。根據(jù)這一思路研發(fā)的纖微機(jī)器人使得過往狹窄腔內(nèi)的柔性連續(xù)體機(jī)器人輔助顯微手術(shù)等一類臨床難題有望破解。

從2019年加入上海交大至今已6年，高安柱獲得了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、上海市啟明星計(jì)劃、上海東方英才青年項(xiàng)目等多項(xiàng)國家/省市級項(xiàng)目資助。目前，他還受聘擔(dān)任《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》（IEEE Transactions on Robotics）和《IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letters）的副主編。他的研究成果在《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）、《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）、《自然-通訊》（Nature Communications）、《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》、《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）等領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威期刊上發(fā)表。

他說取得的這些初步成績離不開國家和單位的培養(yǎng)、科研項(xiàng)目的資助、團(tuán)隊(duì)的緊密合作、前輩的指導(dǎo)提攜、同行的大力支持、同學(xué)們的刻苦拼搏，但“革命”尚未成功且剛剛開始，需要繼續(xù)加油努力。希望大家一直關(guān)注和支持醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人、柔性連續(xù)體機(jī)器人的發(fā)展，一起助力國民健康。

感恩所有，期望能將這份能量傳遞下去

高安柱工作涉及的柔性連續(xù)體機(jī)器人、纖微機(jī)器人、多模感知和操控等技術(shù)，不僅都踩在了當(dāng)今高科技發(fā)展的節(jié)點(diǎn)上，而且難能可貴的是這些前沿工作都將直接或間接惠及臨床醫(yī)療，造福廣大患者。做出這些創(chuàng)造性工作除了常年的付出、堅(jiān)持，還必然伴隨失敗和各種壓力的煎熬。所幸的是，正處在干事業(yè)最好年華的高安柱趕上了鼓勵(lì)科創(chuàng)的大時(shí)代，搭上了上海交大醫(yī)療機(jī)器人研究院這樣的科研平臺(tái)，未來一切可期。這可能也是高安柱眼里一直有光的緣由吧。

訪問后安柱應(yīng)我要求發(fā)來的題為“感恩”的感言中這樣寫道：一路前行，從懵懂無知的少年走到了現(xiàn)在初識(shí)人間煙火的青年，離不開師長前輩與親朋好友的鼓勵(lì)與支持，年紀(jì)越長越懂得感恩，期望自己能夠有機(jī)會(huì)在教師的崗位上將這份能量傳遞下去，一起踐行上海交大“飲水思源，愛國榮校”的校訓(xùn)。真好，祝福安柱！

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2026年第3期“今日啟明星”專欄-

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