纖微腔道巧布陣，柔性機器堪大任——訪2022級星友高安柱 | 今日啟明星

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高安柱

上海交通大學自動化與感知學院/醫療機器人研究院教授

作者序

2023年6月29日下午，在啟明星協會于上海交通大學錢學森圖書館舉辦的一次啟明星下午茶活動上，來自上海交通大學自動化與感知學院/醫療機器人研究院的2022級星友高安柱的發言令我印象深刻。

那次下午茶的主題是探討在技術迭代頻繁的當下如何以錢學森為榜樣，在自立自強的高水平科研中作出新一代科技工作者的貢獻。高安柱那天發言中介紹了他和團隊正在開發一款纖細微小的可以進入人體的亞毫米級的柔性機器人，能夠實現在狹窄空間內的診治。

會議結束后我就找到這位眼里有光、有著讓人羨慕狀態的高安柱，表達了在合適的時候對他作啟明星采訪的意愿。隨后的近三年時間，我時常關注他和團隊的科研進展信息，知道他們近年來在醫療柔性連續體機器人研制技術上時有突破性進展，作為團隊主要成員的高安柱發揮了突出作用，目前他已受聘醫療機器人研究院院長助理/手術機器人中心主任，于是想約他做啟明星采訪，也是延續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更沉穩老練了，額上也開始有了少許華發，但眼里依然有光。那天上海預報的氣溫偏低，周到的安柱為我準備了大杯咖啡熱飲，并領著我先去纖微機器人實驗室以及內容豐富的醫療機器人展示廳，一路上指引我看了他們的聚合物拉絲制備技術及設備，并給我講解纖微手術機器人在早期診斷和精準治療的發展趨勢，包括在更小的腔內介入診斷等方面。安柱耐心而通俗的介紹讓我盡享行內一流專家解讀的VIP待遇。如此也更讓我想了解是何種機緣讓高安柱與醫療機器人研發這一使命發生交集的。

本科參加機器人設計大賽收獲刻骨銘心的真經

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。安柱小時候的性格很內向，小學到高中都不愛說話，一跟人說話就臉紅的那種，與現在相對較開朗的性格頗有不同。那時的他對哪些是名牌大學、什么是熱門專業等都不太清楚，填報志愿前正好看到電視上播放哈爾濱工業大學（簡稱“哈工大”）的機器人。他就根據對自己高考成績的預估，報了哈工大機電工程學院的機械設計制造及其自動化專業。從步入哈工大那一刻，他便開始了機器人研究的生涯。

哈爾濱是安柱的第二故鄉?；剡^頭來看在哈工大四年（2005—2009）的求學經歷，安柱覺得母校的校訓“規格嚴格、功夫到家”所蘊含的內斂、踏實這一風格跟自己的性格很相似，也讓自己終身受用。

機器人是需要動手的學科，本科期間，安柱參加了不少機器人比賽。其中對他幫助和影響至深的是大二到大三時參加的全國大學生機械創新設計大賽省賽。他和班里其他4個同學組隊參賽，要完成一個能實際應用的在外墻做墻面清洗的爬壁清潔機器人。整個參賽過程歷時一年多。

這次參賽經歷安柱完成了從動手設計、制造，到裝配、調試樣機的全流程。第一次全過程參與，安柱真正體會到制作的東西若要可用，其中涉及的每一個細節甚至一個螺絲的位置尺寸都要確認好，稍有不慎就會影響整臺樣機的效能。“這些能力和經驗在課堂里是學不到的?！蓖鈭稣{試樣機時，有個小零件從3米左右的高臺上滑落下來，打在安柱的前額上，他去校醫院縫了好幾針。“因為這次‘血的教訓’，實驗安全從此一直謹記在心?！?/p>

雖然安柱和隊友們在規定時間里提交了爬壁機器人樣機及機器人清掃外墻的視頻，但因為在現場演示前一天突發意外，他們那臺樣機的電機燒壞了，發現時更換已經來不及，關鍵是沒有備份。所以第二天展示答辯時他們只能展示不能工作的樣機和一段樣機工作的視頻，本想沖一等獎的目標遺憾沒有達成，但由此得到的“備份意識”教訓，同樣讓安柱和小伙伴們刻骨銘心。

上海交通大學醫療機器人研究院展區

研究生參與血管機器人研發，初識柔性連續體機器人

大四上學期，安柱獲得了本校保研名額，并在確定導師后就進入實驗室。安柱的導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，安柱開始進入柔性機器人領域，當時王老師團隊正在開展血管介入機器人這一國家級項目的研究。血管介入機器人就是能在人體腔道內柔性可控介入的機器人，這在當時是很新的方向。

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

碩士畢業后，他到了上海閔行區的中國航發商用航空發動機有限責任公司（簡稱“中國航發商發”）工作了一段時間，當時公司還在閔行紫竹高新區的辦公樓內辦公?；叵肫饋?，這段與機器人研究無甚交集的航空發動機產品研發經歷對他日后的機器人研發還是有某種關聯的，如航空發動機的力學結構設計與振動力學知識、系統開發設計流程與管理等。他特別感恩在公司工作期間領導和同事的關照，讓他對產品研發有了更深刻的體會。在上海工作的這段時間，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體機器人核心技術開發

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

其間有一年，他很榮幸獲得國家留學基金管理委員會（CSC）資助，到美國約翰霍普金斯大學（JHU）計算感知與機器人實驗室（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·洛達吉塔（Iulian Iordachita）教授等多位導師學習如何做前沿科學的研究。JHU是國際上醫療手術機器人的“天花板”單位之一，這一年的學習讓高安柱對醫療手術機器人的理解提升了一個層次。他也利用這段時間全身心投入柔性機器人的設計、建模和優化工作。

2017年博士畢業后，高安柱去英國倫敦帝國理工學院做博士后，合作導師是英國皇家工程院院士楊廣中教授，楊老師創辦的哈姆林中心是國際上醫療手術機器人的另一家“天花板”單位。那件事他印象深刻，安柱一個人夜爬了泰山，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和每周組會的指導讓安柱受益匪淺，這段經歷也讓他進入了毫米/亞毫米級小尺度連續體手術機器人的研發領域。他特別感恩在沈自所、JHU、帝國理工等課題組里導師們的指導、課題組師兄和老師同學們的關心。2019年6月出站后，安柱加入了上海交大自動化與感知學院/醫療機器人研究院。

入職上海交大，主攻纖微機器人

所謂柔性連續體機器人是指由柔性結構組成的可驅動本體，可以通過連續彎曲或者離散近似連續彎曲來實現靈巧運動的機器人，特別適用于在狹窄、受限、崎嶇的空間內實現柔順靈巧的介入和操作。而團隊正在攻關的能在人體腔道內（如血管、氣管、耳道）實現靈巧運動的小尺度纖細微小連續體機器人，又稱纖微機器人，是能實現纖微尺度的下一代連續體機器人。

目前，由首席科學家楊廣中院士和常務副院長陳衛東教授帶領下的上海交大醫療機器人研究團隊正以纖微機器人為主攻方向，探索基于機械、光、聲、磁、熱、電等多模式組合，在不犧牲機器人空間尺度的前提下實現纖細微小狀態下的驅動、感知和操控，最終實現纖微機器人的小型化、功能化、智能化、具身化。安柱說醫療機器人研究涉及自動化、機械電子、材料學、人工智能、醫學等多學科的融合，需要一個長期的研發過程，打通原型樣機到臨床應用通常要10年左右，但“每一個突破的科研成果都是多年積累的結果，這是我們這一行工作的特點，需要沉淀和積累”。

自動化與感知學院/醫療機器人研究院等平臺為課題組提供了特別強有力的硬件支撐，他也感恩學院和研究院老師和同學們的大力支持和幫助，尤其感謝楊廣中教授和陳衛東教授在科研和生活中的指導與提攜，課題組取得的成績與此密不可分。安柱以他們近期創新的光纖驅感復用的連續體機器人全身力感技術為例。

這其實就是一種創新解決方案，利用光纖同時實現了纖微機器人的驅動和力感知功能，從原始想法到初具形態至少花了5年時間。展開一點說就是采用光纖布拉格光柵（FBG）技術實現了驅感復合的設計，即讓同一根光纖既作為驅動連續體機器人彎曲的“纜繩”，又通過內部刻寫的FBG傳感器實時感知整個路徑上的張力分布和變化，實現“肌肉”與“神經”的雙重功能。

如此，就可在柔性機器人的任一部位感知受力的大小和位置，為實施醫療腔道內診療提供全身感知能力。這種全身感知能力突破了傳統點式傳感限制，醫療機器人由此獲得全身范圍接觸感知。該技術突破為腔內介入手術提供了安全、精準的操作保障，解決了傳統連續體機器人缺乏觸覺感知的棘手難題。

緊貼臨床場景，與醫生團隊無縫合作

高安柱和團隊這兩年科研的一個顯著特點是緊貼臨床場景。幾個月前，國內外媒體報道了他們團隊成功研制出國際首創術中磁共振影像導航的氣液混合驅動腦神經介入手術機器人。安柱介紹，磁共振兼容的手術機器人是醫療機器人研究院重點布局的方向之一。在楊廣中教授的帶領下，以及上海市科委和國家重點研發計劃支持下，他們先后開發了兩款手術機器人系統。

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

依托醫療機器人研究院和合作醫院建立的機器人臨床研究中心，通過與臨床醫生團隊的無縫合作，這兩套機器人系統已完成活體動物和人體標本等數十例手術，正在向臨床驗證方向推進。這兩個項目解決了磁共振兼容場景下柔性機器人或柔性器械的介入/植入問題，而高安柱本人承擔的國家重點研發計劃青年科學家項目，旨在繼續推進磁共振兼容連續體機器人心臟手術技術的進一步突破。

在醫療機器人研究院纖微機器人實驗室與部分團隊成員合影（高安柱為左一）

團隊開發的磁共振兼容機器人動物實驗現場及部分團隊成員合影（高安柱為左四）

2021年課題組戶外爬山活動登頂后的合影（高安柱為右三）

跨尺度纖微連續體機器人實現腔內高精度手術操作

安柱介紹，近年來經人體自然腔道的無創或微創精準診療之所以成為醫學手術的新興趨勢，是因為人們對重大疾病的早期干預和精準治療的需求和呼聲越來越高。現有的連續體機器人的定位精度還受限在毫米尺度，難以執行精細手術。同時，臨床部署的腔內介入手術，既希望機器人能快速到達目標部位，又希望能作精確移動以實施局部操作。在實現宏微運動時，機器人尺寸的小型化、運動速度、范圍和精度的權衡，以及宏微運動之間的串擾，也給腔內介入機器人的高精度運動帶來挑戰。

針對這些挑戰，在啟明星項目等資助下，安柱團隊設計了亞毫米尺度的光纖驅動纖微機器人，希望能夠解耦宏觀和微觀操作，如此就可在腔內介入的過程中作跨尺度運動，實現高精度腔內介入手術。這里提到的宏運動是指腔道內幾十厘米幅度的運動，微運動是指腔道內實現幾十微米范圍內的精準定位。根據這一思路研發的纖微機器人使得過往狹窄腔內的柔性連續體機器人輔助顯微手術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基金優秀青年科學基金項目、國家重點研發計劃青年科學家項目、上海市啟明星計劃、上海東方英才青年項目等多項國家/省市級項目資助。目前，他還受聘擔任《IEEE機器人學匯刊》（IEEE Transactions on Robotics）和《IEEE機器人與自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letters）的副主編。他的研究成果在《科學機器人》（Science Robotics）、《科學進展》（Science Advances）、《自然-通訊》（Nature Communications）、《IEEE機器人學匯刊》、《軟體機器人》（Soft Robotics）等領域內權威期刊上發表。

他說取得的這些初步成績離不開國家和單位的培養、科研項目的資助、團隊的緊密合作、前輩的指導提攜、同行的大力支持、同學們的刻苦拼搏，但“革命”尚未成功且剛剛開始，需要繼續加油努力。希望大家一直關注和支持醫療手術機器人、柔性連續體機器人的發展，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體機器人、纖微機器人、多模感知和操控等技術，不僅都踩在了當今高科技發展的節點上，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療，造福廣大患者。做出這些創造性工作除了常年的付出、堅持，還必然伴隨失敗和各種壓力的煎熬。所幸的是，正處在干事業最好年華的高安柱趕上了鼓勵科創的大時代，搭上了上海交大醫療機器人研究院這樣的科研平臺，未來一切可期。這可能也是高安柱眼里一直有光的緣由吧。

訪問后安柱應我要求發來的題為“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在初識人間煙火的青年，離不開師長前輩與親朋好友的鼓勵與支持，年紀越長越懂得感恩，期望自己能夠有機會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?！钡男Ｓ枴Ｕ婧茫８０仓?/p>

-本文刊載于《世界科學》雜志2026年第3期“今日啟明星”專欄-

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