【人物特寫】鄭志強：造納米海星機器人、組裝肝臟！
發布日期：2022-03-02 供稿：黨委宣傳部 崔雨涵 攝影：本人提供
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數：【編者按】2022年是黨的二十大召開之年，是實施“十四五”規劃關鍵之年，黨委宣傳部特別推出“喜迎二十大，奮進新征程”專題報道，全面展現學校加強黨的領導黨的建設取得的成績，生動講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學校事業發展的磅礴力量，以優異成績迎接二十大召開。
他勤奮好學、踏實努力，榮獲北京理工大學徐特立獎學金、北京市優秀畢業生等各類表彰十余項，發表機器人領域學術論文15篇，以唯一第一作者在《Nature Communications》發表論文1篇，申請授權美國專利1項、PCT國際專利1項、國家發明專利3項，受邀參加2018年第八屆IEEE國際自動化、控制網絡技術會議并作邀請報告，他是機電學院2017級博士研究生鄭志強。
微型海星機器人，精準醫療新未來
鄭志強的研究成果、仿海星微機器人在pH環境感知下的自主形變
“每次看到顯微鏡下小機器人的舒展與收縮，我的心情總是無比喜悅。于我而言，它們不僅僅是細胞的生長，而是代表著磁控機器人研究的更多可能，也代表了機器人技術未來發展的更多可能。”面對癌癥發病率的日益增高，科研人員一直致力于設計并制造一種微機器人取代傳統手術，在人體內部完成無創病理采樣、藥物精準投放等一系列醫療任務，為患者提供更為安全、高效、無痛的治療方式。憑借自己交叉學科的背景優勢和對生物材料與微納機器人之間微妙聯系的獨到理解，鄭志強立志要構建一種結合生物材料知識的微納機器人加工方法和理論。博士一年級時，他到香港城市大學開展了為期一個月的考察和調研，在一次實驗中，發現微電極的邊界效應會造成水凝膠微結構發生機械特性非均質演變，這一發現讓他欣喜若狂。這意味著他可以通過設計電場的形狀和強度使得水凝膠微結構獲得包括復雜形變、環境自適應、多運動模態等一系列自主響應微環境的能力。
在后續的研究中，鄭志強受到海星捕食的啟發，利用水凝膠非均質演變的原理構建了仿海星微機器人，其柔性觸手能夠在液體環境下，以自主形變有效貼合任意目標的外部輪廓，并進行抓取與釋放。仿海星微機器人是首個基于活體體液離子激勵的自主形變微機器人，鄭志強提出的基于機械特性非均質演變的生物仿生微單元自形變方法，有效提升了形變微機器人的設計靈活性，可對任意形狀剪裁下的單層薄膜機器人賦予形變能力，使其能夠感知活體內的離子環境而智能形變。該微機器人為復雜封閉活體環境下的自適應精密生物微操作提供了技術支撐，為未來如心腦血管溶栓、潰瘍性結腸炎修復、腫瘤等病灶藥物的靶向投遞等精準醫療與組織修復領域提供了智能化的操作工具。
2019年下半年，是鄭志強進行實驗驗證的關鍵階段，也是發表論文、數據整理的重要時期。然而，突如其來的新冠肺炎疫情打亂了既定節奏，實驗在最關鍵的時候被迫按下了暫停鍵。他通過學校建立的線上交流平臺和遠在國外的導師進行密切交流，共同探討實驗計劃。在不斷地討論和交流中，鄭志強想到了目前實驗成果、由水凝膠單一材料構建的全新微機器人因為材料具有完全的生物可降解性，因此可以解決微機器人在活體封閉的實驗環境下難以進行回收的難題。
功夫不負有心人。2021年1月，鄭志強成功研發了具有環境離子響應能力的智能形變單層薄膜微機器人，相關成果發表于Nature Communications。該成果首次提出了以單一可降解生物材料實現微機器人在環境感知下的自形變，有效解決了微機器人在人體等活體封閉環境下進行無創采樣、運輸、投遞與回收等一體化作業的難題，對于癌癥等重大疾病精準醫療具有重要意義。
不斷嘗試，完成再生醫療的新突破
鄭志強和團隊成員自主研發的電磁控制系統
“推動科研成果落地轉化，讓科研工作發揮更大作用。”部分肝移植和全肝移植是治療許多惡性、急性肝病的重要手段，然而肝供體的緊缺和龐大的治療需求是肝病治療長期難以解決的矛盾。通過微機器人進行人工肝組織的功能仿生與結構仿生一直以來被譽為行業內的難題，經過大量的文獻調研和實驗嘗試，并在課題組石青、王化平老師的統籌和指導下，鄭志強積極與304醫院、積水潭醫院合作，圍繞人工肝組織的功能仿生與結構仿生這一難題，提出了多機器人跨域協同與流體動力學交互生物操作方法，以人工肝小葉微模塊為組裝對象，實現了肝組織的自動化三維集成組裝與生物功能表達，突破了仿生人工肝組織機器人大規模集成組裝技術。該技術可以高效的加工和組裝仿生人工肝組織，這為肝臟的移植和修復提供了大量可再生的物質基礎。
鄭志強還將由微機器人構建的人工肝組織作為針對肝功能疾病的新藥測試以及病理研究的生物模型，同時在大鼠活體測試模型上進行了藥毒性評估，經驗證，兩者具有很高的生物功能匹配度，這意味著機器人化生物制造的仿生肝小葉組織有望替代動物成為新型的生物模型。目前，相關技術成果在多家生物公司得到應用推廣。研究成果還獲得了3項國際學術獎勵，形成包括2項國際發明專利、3項國家發明專利的專利群。鄭志強的畢業論文獲評校級優秀畢業論文，他本人獲評了北京市優秀畢業生。
不忘初心，傳承北理工紅色基因
鄭志強（二排右四）和實驗室的同學在一起
“在微納的領域我是個“新手”，未來雖然有很多不確定性，但我堅信我會一直走下去?！北究凭妥x于河北工業大學生物工程專業，碩士是英國諾丁漢大學生物材料理學專業，具有多學科交叉學術背景的鄭志強在碩士畢業后，被北理工機電學院開放創新、兼容并濟的科研氛圍和機器人研究所強大的師資以及先進的科研平臺深深吸引，他毅然選擇進入北京理工大學機電學院微納機器人團隊繼續科研之路，并在此深受滋養。
依托北京理工大學國際交流平臺的支持，鄭志強與國外多所大學研究團隊開展了“超高速細胞組裝”課題研究，通過高精度微納操作機器人和快速視覺捕捉技術，實現了對異質/異構粘彈性生物目標的大規模集成組裝，顯著提高了機器人化生物微操作對復雜任務的適應性。在Soft-bodied Magnetic Small-scale Mobile Robots國際會議上，鄭志強的成果得到了德國馬克思普朗克物理智能研究所所長、有磁控微機器人鼻祖之稱的M. Sitti教授的充分肯定。他也因此獲得馬克思普朗克研究所全額獎學金，赴德國馬克思普朗克物理智能研究所繼續后續的研究工作。
“心態與信念很重要，我也會有絕望低落的時候，但是我知道我想要的不是一次實驗的成功，也不是一篇論文的發表。作為北理工人，我深知科研之路沒有終點。心里有火，眼里有光，以理性之光澆灌科技之花，我希望自己可以掌握精深的學術，做出對社會有價值的科研成果?！睂τ谖磥?，鄭志強充滿決心與信心，他希望將來可以回到北理工教書育人，繼續微納機器人研究的科研事業。
