中科院理化所低溫生物與醫學實驗室: 不走尋常路

2021-01-11 中國生物技術信息網

最近,劉靜覺得自己「越來越忙」。

作為中科院理化所低溫生物與醫學實驗室主任,劉靜主持研發的世界首個自主運動的可變形液態金屬機器不久前在這裡問世。這一轟動性的成果,隨即引發國內外廣泛關注。中科院院長白春禮院士也於近期前往中科院理化所調研,聽劉靜詳細匯報了液態金屬系列研究成果及工作展望。

儘管成就斐然,但對於這個年輕的實驗室而言,未來的科研道路仍然漫長。一方面重視低溫生物醫學的基礎研究,一方面也抓緊相關成果的轉化,中科院理化所低溫生物與醫學實驗室正在創新之路上不斷前行。

發力液態金屬機器

近年來,實驗室因為液態金屬機器方面的研究而引人關注。

2014年6月,劉靜團隊首次發現電場控制下液態金屬與水的複合體可在各種形態及運動模式之間發生轉換的基本現象。科研人員通過系統的實驗,揭示出室溫液態金屬具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如,浸沒於水中的液態金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形、自旋、定向運動,乃至發生液球之間的自動融合、斷裂—再合併等行為,且不受液態金屬對象大小的限制;較為獨特的是,一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球,變形過程十分快速,而表面積改變幅度可高達上千倍。

2015年3月,劉靜團隊在該領域再獲驚人發現。科研人員在世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質後以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無須外部電力的自主運動,從而為研製實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為複雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。

「液態金屬,既可以是像水一樣的流體,也可以是固體;既是導體,也可以變成其他材料。未來,液態金屬可以在人的身體裡面作為骨骼。神經斷了,可以用液態金屬把斷了的神經連起來。液態金屬孕育著未來全新的機器。」劉靜這樣向記者闡述液態金屬的重大意義。

目前,中國正在推動機器人研發,未來可能成為機器人大國。通常機器人是硬殼固定的固體,但劉靜認為,未來機器人一定是高度靈活、高度自由的、無孔不入。

「實際上在科幻電影中的情景一定程度上可以實現。科幻與現實有時只差一步。」劉靜介紹說,液態金屬機器人概念誕生於一百多年前,十多年前引入計算機晶片領域。液態金屬不是一個局部技術,是一個全新領域和工業,目前已經應用於晶片、電池製造等方面,未來還能解決生物醫學解決不了的問題。

「未來,液態金屬機器人將呈現出嶄新的形態。」劉靜告訴記者,實驗室也將在這方面繼續深入探索,爭取作出更多更大的成果。

致力交叉科學問題

除了在液態金屬方面的成就,實驗室主要從事熱科學與醫學生物技術、信息技術及微/納米技術等領域的交叉科學問題探索,力求基礎與應用研究並重。

據劉靜介紹,近年來,實驗室在高端腫瘤微創治療裝備、先進晶片冷卻技術、微/納米熱學與流體器件的發明和研製以及高/低溫生物傳熱傳質學基礎研究等方面取得了一批國內外領先的原創性成果,並培養出一批優秀的青年科技人才。

儘管成就斐然,但回想當年白手起家的歲月,劉靜依然感慨萬千。

1999年8月,學成歸國的劉靜一手打造了中科院理化所低溫生物與醫學實驗室(暨低溫生物醫學工程學北京市重點實驗室),從招兵買馬到項目申請,他把畢生所學和全部身家都投入到了這一方時空中。

功夫不負有心人,多年來,實驗室在重大疾病的大型醫療設備、健康管理的普惠型醫療技術、生物醫學中的基礎熱物理問題研究、先進能源技術成果等方面取得了不少科研成果。

比如,在重大疾病的大型醫療設備研發方面,劉靜等人研發了腫瘤微創高低溫複式消融治療系統。該系統是國內外首創的集深低溫冷凍治療與高溫消融功能於一體的高端腫瘤微創治療系統。

這一系統先藉助極端低溫對整個腫瘤瘤體的包圍殺傷,再通過高強度靶向加熱完成對冰球內包裹的瘤體的徹底消融。外圍低溫冷凍層可防止腫瘤細胞在高強熱療中擴散,同時還保留了低溫冷凍治療無痛感的優點。該技術具有獨創性與原創性,在降溫/升溫性能、治療成本、操作安全性、適用面乃至低噪音等方面均顯著優於國外高端設備。

在健康管理的普惠型醫療技術方面,實驗室研發了基於藍牙及手機平臺的普適性體溫無線監測及報警裝置,可用於臨床及日常生活中人體溫度的長期監測及溫度異常報警,在醫學實踐與日常生活中具有重要意義。此外,他們還研發了基於手機的人體心電信號無線檢測裝置,可應用於運動狀態下心電監測、睡眠心電記錄、不同生活習慣及心理狀態下的心電信號捕捉,由此引申出廣闊的普適醫療前景,並代表未來低成本醫療的一種重大發展方向。

在生物醫學中的基礎熱物理問題研究方面,他們提出了納米冷凍治療的方法。實驗室首次將納米技術與冷凍手術相結合,構建出嶄新的納米冷凍治療方法,大幅提升冷凍手術的有效性。

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