——記北京航空航天大學教授、青年長江學者、北京市杰青 馮林

在很多科幻影視作品中，經常會看到這樣一幅場景：在人體內，如微生物大小般的機器人通過血管在身體內移動，與敵人戰斗、或者治療病變細胞，有時候它也可以進入敵人體內神不知鬼不覺殺死對方。在經典電影《007之無暇赴死》中，就有一種納米機器人，通過基因編排，可以直接攻擊特定的DNA。

現如今，科幻照進了現實，載藥微納米機器人已進入動物實驗階段，并且正在進行臨床應用。北京航空航天大學機械工程及自動化學院卓越百人教授、博士生導師馮林，就一直從事場控微納操作和微納機器人方向的研究。馮林現已負責主持國家重點研發計劃、科技部顛覆式項目、北京市杰出青年基金以及北京市科技新星資助項目等國家級省部級項目20多項，取得了多項創新性科研成果，為微納米機器人在腫瘤靶向治療領域的技術研究做出了重要貢獻，處于國際領先水平。

致力微納技術 助力攻克癌癥

每個男孩心中都有一個機器人夢，馮林也一樣，小時候看動畫片變形金剛，長大之后夢想著擁有自己的機器人。所謂興趣是最好的老師，正是這樣的夢想，驅使著馮林努力學習，希望有朝一日實現夢想。

2004年，馮林考入中國地質大學(北京)電子信息工程專業，本科畢業后，從2008年至2014年，他先后在日本東北大學取得生物機器人碩士學位和名古屋大學微納米系統博士學位，致力于微納米機器人和微納操控的研究，他的導師正是世界上研究微納米機器人的知名專家——新井史人教授。在新井教授的細心指導下，馮林在微納米機器人的世界深入研究、快速成長。博士畢業后兩年，先后在日本學術振興會和日本日產株式會社自動駕駛部從事研究。

2016年，馮林被北京航空航天大學引進在機械工程學院任教和從事科研，他的主要研究方向為：靶向藥物輸送場控微納米機器人精準化技術與醫用基礎研究;自主式姿態可控胃腸鏡用膠囊機器人;微納米級高通量高精度大輸出力光電鑷微操作系統;人工智能在醫學影像自動讀片方面的應用;可變形磁流體機器人等。

癌癥是人類病史上仍未攻克的重大疾病，我國目前癌癥患者已經突破千萬，化療是癌癥治療常用辦法，但化療的副作用給病人造成極大的痛苦。于是產生了癌癥治療的新方向——靶向藥物治療，但是據統計，目前靶向藥物的有效利用率仍然不足千分之五。據馮林介紹，微納技術與材料科學的迅猛發展為人類提供了許多全新的微觀解決手段，其中微納機器人自上世紀末就被期盼用于體內藥物輸送、細胞微手術分析等。微納機器人充分利用微納制造與控制技術，備受世人矚目，尤其在生物醫學領域，載藥微納機器人具有無限應用潛力，勢必引起精準醫療、靶向藥物等技術的新變革。利用微納米機器人控制技術將有效解決傳統化療藥物和靶向藥物利用低、人體不耐受、副反應大等一系列問題，結合免疫療法有望成為顛覆傳統治療方案的新科技。

但是，馮林又說，微納米機器人要真正應用于體內靶向給藥還存在非常多難題，比如：微納機器人均一性可控制造難、場控精度低;微納機器人在生物體循環系統內生機界面功能機制不明，缺乏微納結構/材質設計制造基礎理論;體內環境復雜，微納機器人實時定位跟蹤與精準場控難。對此，馮林綜合利用MEMS加工技術、機器人控制技術、從醫工交叉跨學科角度提出了基于活細胞為靶向藥物載體的方案，避免了免疫排斥反應，成功實現了巨噬細胞基靶向給藥微納米機器人抑制腫瘤生長。

2020年，馮林負責組織國家重點研發計劃智能機器人專項“靶向藥物輸送場控微納米機器人精準化技術與醫用基礎研究”，他提出了基于巨噬細胞的磁控微納米機器人技術，突破了傳統微納米機器人很難進入動物體內血液循環系統內部的局限;利用巨噬細胞吞噬載藥磁性納米顆粒，實現了巨噬細胞靶向治療實體腫瘤的效果，并實現了單巨噬細胞機器人高精度可控，控制精度(<5μm);首次實現了不借助任何其他外場的情況下，在動態流體中逆血流而上的運動效果，在微納米機器人磁控領域處在國際前列。

馮林的研究成果發表在Small、Research、 Lab on a chip等國際知名期刊，得到了廣泛積極的評價。截止目前，總計發表學術論文150余篇，其中80篇被SCI收錄、封面文章10篇、60篇被EI收錄，10項IEEE最佳論文和最佳poster獎(均為IEEE微納米機器人領域頂級會議);申請國家發明專利40余項，已授權30余項，出版我國首部《微納米機器人概論》教材，出版英文專著4部。

創新引領未來 造福人類健康

創新永遠是科研探索道路上不竭的動力，馮林在微納米機器人領域取得了一系列創新成果，在設計制造方面：他提出了基于活巨噬細胞為載體的磁控載藥微納米機器人的設計與合成方法，很好地避免了體內免疫殺傷;他還利用巨噬細胞M1分型主動尋找腫瘤細胞的特性，提出“航空母艦攜帶艦載機”的構想，航空母艦=磁控(遠距離運送)，艦載機=載藥巨噬細胞(近距離精準打擊)。

在控制理論方面：馮林提出應對體內復雜流體環境的多場耦合理論模型，通過調節梯度場、勻強場、高頻場來完成不同的微納米機器人控制任務，結合遠紅外和超聲波等實現對藥物的可控釋放。

在醫學應用方面：馮林完成了磁控微納米機器人靶向給藥腫瘤治療效果驗證，他利用免疫缺陷小鼠構建皮下腫瘤模型、腦膠質瘤模型、淋巴大B腫瘤模型以及肝腫瘤模型等，調研了載藥磁控微納米機器人的生物毒性，通過動物實驗驗證了載藥磁控微納米機器人的抗腫瘤效果，相關成果發表在國際知名期刊Small上，并被選為封面文章進行亮點報道。

此外，馮林還針對靶向給藥磁控微納米機器人的設計和控制技術開展了多層次的研究，實現了多功能集成的載藥微納米機器人的可控制造及智能釋放、微納米顆粒的集群控制及精準定位、血管內復雜流場中的磁響應機制等，進一步實現了動物體內的抗腫瘤效果。

首先，他設計并制備了具有逆流運動性和高體長比速度的可重構渦旋狀順磁性納米粒子集群，提出了一種針對磁性納米顆粒(MNPs)的集群化控制方法，使其在三維空間磁場下聚集成渦旋狀集群(VPNs)，表現出逆流運動和靶向停泊的能力，并且在動物體內實現明顯的皮下腫瘤靶向治療效果，相關成果發表在Research上;

其次，他提出了一種基于磁流體的磁控微機器人的靶向治療方案，先制備具有生物相容性的磁流體微機器人，進一步驗證了該磁流體機器人良好的磁響應性和變形性，實現了血液循環條件下磁流體機器人的精準運動控制，包括障礙物的翻越以及通過狹窄通道。最后利用磁流體進行載藥，結合光熱特性實現體內和體外的腫瘤殺傷，相關成果發表在Advanced Healthcare Materials上;

最后，他構建了一個基于磁控巨噬細胞機器人(MCRs)的具有免疫增強潛力的靶向給藥系統，利用巨噬細胞的免疫吞噬能力吞噬偶聯不同細胞因子的磁性納米顆粒，包括IL12和CCL5等，MCRs能夠在旋轉磁場控制下實現良好的運動控制，并且表現出明顯的M1型極化趨勢，提供了利用MCRs實現免疫治療的新思路，成果發表在機器人頂級會議IEEE/IROS。

未來，針對微納米機器人方向，馮林將開展跨尺度多模態的微納米機器人以應用于多種醫用場景，他們計劃開發不同尺度的微納米機器人，包括納米、微米和毫米級別，結合不同的外場控制技術，主要通過磁控方法來實現多醫用場景的應用，最終實現臨床上的應用。如：利用微納米機器人進行載藥、表面修飾等，增強機器人的血腦屏障通透性和靶向性，實現對腦腫瘤的有效靶向治療，減少副作用。還可以對微納米機器人進行不同設計，例如包被各種細胞膜，或者結合CAR-T等免疫療法，以增強其生物相容性。

此外，對于光電鑷微納操作，馮林計劃通過光電鑷系統進行藥物篩選、抗體發現以及單細胞測序等方面的研究和應用，例如光電鑷系統的開發及其生物醫學應用，并且基于這一部分的研究成果，他們正在進行相關的成果轉化。2022年3月，馮林成立了微納動力(北京)科技有限責任公司并擔任董事長，致力于推動微納米機器人技術及物理場驅動、控制技術在生物醫學領域的應用落地。其光電鑷系統在抗體藥物開發、細胞株開發、細胞分選和單細胞測序等領域均具有廣泛的應用前景，并以此申報了國家重點研發計劃顛覆式技術創新專項“基于高敏感性光電薄膜的光電鑷單細胞無損自動化篩選設備”，進一步推動光電鑷技術的創新和產業化。

科研路漫漫，求索不間斷。微納米機器人從科幻走向現實已經不是夢，而從現在到未來，馮林的任務就是不斷開拓創新、突破瓶頸，讓微納米機器人技術更加成熟穩定，并將更多科研成果落地應用，在癌癥或其他疾病治療上取得成功，守護健康、造福人類。(文/李杰)