纤微腔道巧布阵，柔性机器堪大任——访2022级星友高安柱 | 今日启明星

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高安柱

上海交通大学自动化与感知学院/医疗机器人研究院教授

作者序

2023年6月29日下午，在启明星协会于上海交通大学钱学森图书馆举办的一次启明星下午茶活动上，来自上海交通大学自动化与感知学院/医疗机器人研究院的2022级星友高安柱的发言令我印象深刻。

那次下午茶的主题是探讨在技术迭代频繁的当下如何以钱学森为榜样，在自立自强的高水平科研中作出新一代科技工作者的贡献。高安柱那天发言中介绍了他和团队正在开发一款纤细微小的可以进入人体的亚毫米级的柔性机器人，能够实现在狭窄空间内的诊治。

会议结束后我就找到这位眼里有光、有着让人羡慕状态的高安柱，表达了在合适的时候对他作启明星采访的意愿。随后的近三年时间，我时常关注他和团队的科研进展信息，知道他们近年来在医疗柔性连续体机器人研制技术上时有突破性进展，作为团队主要成员的高安柱发挥了突出作用，目前他已受聘医疗机器人研究院院长助理/手术机器人中心主任，于是想约他做启明星采访，也是延续近三年前那次启明星下午茶的情分。

2026年1月19日上午，我再次见到安柱，他给我的第一感觉是比我两年多前见到时更沉稳老练了，额上也开始有了少许华发，但眼里依然有光。那天上海预报的气温偏低，周到的安柱为我准备了大杯咖啡热饮，并领着我先去纤微机器人实验室以及内容丰富的医疗机器人展示厅，一路上指引我看了他们的聚合物拉丝制备技术及设备，并给我讲解纤微手术机器人在早期诊断和精准治疗的发展趋势，包括在更小的腔内介入诊断等方面。安柱耐心而通俗的介绍让我尽享行内一流专家解读的VIP待遇。如此也更让我想了解是何种机缘让高安柱与医疗机器人研发这一使命发生交集的。

本科参加机器人设计大赛收获刻骨铭心的真经

1987年出生的高安柱的老家是黑龙江省鹤岗市，他是一名土生土长的东北人。安柱小时候的性格很内向，小学到高中都不爱说话，一跟人说话就脸红的那种，与现在相对较开朗的性格颇有不同。那时的他对哪些是名牌大学、什么是热门专业等都不太清楚，填报志愿前正好看到电视上播放哈尔滨工业大学（简称“哈工大”）的机器人。他就根据对自己高考成绩的预估，报了哈工大机电工程学院的机械设计制造及其自动化专业。从步入哈工大那一刻，他便开始了机器人研究的生涯。

哈尔滨是安柱的第二故乡。回过头来看在哈工大四年（2005—2009）的求学经历，安柱觉得母校的校训“规格严格、功夫到家”所蕴含的内敛、踏实这一风格跟自己的性格很相似，也让自己终身受用。

机器人是需要动手的学科，本科期间，安柱参加了不少机器人比赛。其中对他帮助和影响至深的是大二到大三时参加的全国大学生机械创新设计大赛省赛。他和班里其他4个同学组队参赛，要完成一个能实际应用的在外墙做墙面清洗的爬壁清洁机器人。整个参赛过程历时一年多。

这次参赛经历安柱完成了从动手设计、制造，到装配、调试样机的全流程。第一次全过程参与，安柱真正体会到制作的东西若要可用，其中涉及的每一个细节甚至一个螺丝的位置尺寸都要确认好，稍有不慎就会影响整台样机的效能。“这些能力和经验在课堂里是学不到的。”外场调试样机时，有个小零件从3米左右的高台上滑落下来，打在安柱的前额上，他去校医院缝了好几针。“因为这次‘血的教训’，实验安全从此一直谨记在心。”

虽然安柱和队友们在规定时间里提交了爬壁机器人样机及机器人清扫外墙的视频，但因为在现场演示前一天突发意外，他们那台样机的电机烧坏了，发现时更换已经来不及，关键是没有备份。所以第二天展示答辩时他们只能展示不能工作的样机和一段样机工作的视频，本想冲一等奖的目标遗憾没有达成，但由此得到的“备份意识”教训，同样让安柱和小伙伴们刻骨铭心。

上海交通大学医疗机器人研究院展区

研究生参与血管机器人研发，初识柔性连续体机器人

大四上学期，安柱获得了本校保研名额，并在确定导师后就进入实验室。安柱的导师是哈工大王树国教授和付宜利教授。硕士研究生（2009—2011）阶段，安柱开始进入柔性机器人领域，当时王老师团队正在开展血管介入机器人这一国家级项目的研究。血管介入机器人就是能在人体腔道内柔性可控介入的机器人，这在当时是很新的方向。

这个项目几乎贯穿了安柱大四到硕士研究生三年多的全部时间。项目中安柱参与的是血管介入机器人的主从操作研究工作和整个项目的收尾工作。这也是安柱第一次接触到国家级科研项目。他特别感恩在哈工大课题组里导师们的指导，师兄和同学们的帮助。

硕士毕业后，他到了上海闵行区的中国航发商用航空发动机有限责任公司（简称“中国航发商发”）工作了一段时间，当时公司还在闵行紫竹高新区的办公楼内办公。回想起来，这段与机器人研究无甚交集的航空发动机产品研发经历对他日后的机器人研发还是有某种关联的，如航空发动机的力学结构设计与振动力学知识、系统开发设计流程与管理等。他特别感恩在公司工作期间领导和同事的关照，让他对产品研发有了更深刻的体会。在上海工作的这段时间，安柱的意外之喜是收获了爱情，上海也因此成了他的福地。

博士期间参与柔性连续体机器人核心技术开发

工作近两年后，还是因为对机器人科研的兴趣，高安柱报考了中国科学院大学/中国科学院沈阳自动化研究所（简称“国科大/沈自所”）并被录取。四年攻博期间（2013—2017），安柱跟着导师王志东研究员、刘浩研究员以及李洪谊研究员一起继续从事柔性连续体机器人的前沿探索。

其间有一年，他很荣幸获得国家留学基金管理委员会（CSC）资助，到美国约翰霍普金斯大学（JHU）计算感知与机器人实验室（LCSR）读博，师从拉塞尔·泰勒（Russell H. Taylor）教授、梅赫兰·阿曼德（Mehran Armand）教授、尤利安·洛达吉塔（Iulian Iordachita）教授等多位导师学习如何做前沿科学的研究。JHU是国际上医疗手术机器人的“天花板”单位之一，这一年的学习让高安柱对医疗手术机器人的理解提升了一个层次。他也利用这段时间全身心投入柔性机器人的设计、建模和优化工作。

2017年博士毕业后，高安柱去英国伦敦帝国理工学院做博士后，合作导师是英国皇家工程院院士杨广中教授，杨老师创办的哈姆林中心是国际上医疗手术机器人的另一家“天花板”单位。那件事他印象深刻，安柱一个人夜爬了泰山，虽没看到日出，但在下山那一刻接到了杨老师发来的博士后录取通知，他很兴奋。

在英国期间，杨老师提供的世界级平台和每周组会的指导让安柱受益匪浅，这段经历也让他进入了毫米/亚毫米级小尺度连续体手术机器人的研发领域。他特别感恩在沈自所、JHU、帝国理工等课题组里导师们的指导、课题组师兄和老师同学们的关心。2019年6月出站后，安柱加入了上海交大自动化与感知学院/医疗机器人研究院。

入职上海交大，主攻纤微机器人

所谓柔性连续体机器人是指由柔性结构组成的可驱动本体，可以通过连续弯曲或者离散近似连续弯曲来实现灵巧运动的机器人，特别适用于在狭窄、受限、崎岖的空间内实现柔顺灵巧的介入和操作。而团队正在攻关的能在人体腔道内（如血管、气管、耳道）实现灵巧运动的小尺度纤细微小连续体机器人，又称纤微机器人，是能实现纤微尺度的下一代连续体机器人。

目前，由首席科学家杨广中院士和常务副院长陈卫东教授带领下的上海交大医疗机器人研究团队正以纤微机器人为主攻方向，探索基于机械、光、声、磁、热、电等多模式组合，在不牺牲机器人空间尺度的前提下实现纤细微小状态下的驱动、感知和操控，最终实现纤微机器人的小型化、功能化、智能化、具身化。安柱说医疗机器人研究涉及自动化、机械电子、材料学、人工智能、医学等多学科的融合，需要一个长期的研发过程，打通原型样机到临床应用通常要10年左右，但“每一个突破的科研成果都是多年积累的结果，这是我们这一行工作的特点，需要沉淀和积累”。

自动化与感知学院/医疗机器人研究院等平台为课题组提供了特别强有力的硬件支撑，他也感恩学院和研究院老师和同学们的大力支持和帮助，尤其感谢杨广中教授和陈卫东教授在科研和生活中的指导与提携，课题组取得的成绩与此密不可分。安柱以他们近期创新的光纤驱感复用的连续体机器人全身力感技术为例。

这其实就是一种创新解决方案，利用光纤同时实现了纤微机器人的驱动和力感知功能，从原始想法到初具形态至少花了5年时间。展开一点说就是采用光纤布拉格光栅（FBG）技术实现了驱感复合的设计，即让同一根光纤既作为驱动连续体机器人弯曲的“缆绳”，又通过内部刻写的FBG传感器实时感知整个路径上的张力分布和变化，实现“肌肉”与“神经”的双重功能。

如此，就可在柔性机器人的任一部位感知受力的大小和位置，为实施医疗腔道内诊疗提供全身感知能力。这种全身感知能力突破了传统点式传感限制，医疗机器人由此获得全身范围接触感知。该技术突破为腔内介入手术提供了安全、精准的操作保障，解决了传统连续体机器人缺乏触觉感知的棘手难题。

紧贴临床场景，与医生团队无缝合作

高安柱和团队这两年科研的一个显著特点是紧贴临床场景。几个月前，国内外媒体报道了他们团队成功研制出国际首创术中磁共振影像导航的气液混合驱动脑神经介入手术机器人。安柱介绍，磁共振兼容的手术机器人是医疗机器人研究院重点布局的方向之一。在杨广中教授的带领下，以及上海市科委和国家重点研发计划支持下，他们先后开发了两款手术机器人系统。

一款是与上海市胸科医院潘常青院长和王晓舟主任团队合作的磁共振兼容血管介入手术机器人，另一款是与上海交大附属瑞金医院孙伯民主任团队、上海市精神卫生中心王振副院长（2013级星友）团队开发的磁共振兼容的脑电极植入机器人。

依托医疗机器人研究院和合作医院建立的机器人临床研究中心，通过与临床医生团队的无缝合作，这两套机器人系统已完成活体动物和人体标本等数十例手术，正在向临床验证方向推进。这两个项目解决了磁共振兼容场景下柔性机器人或柔性器械的介入/植入问题，而高安柱本人承担的国家重点研发计划青年科学家项目，旨在继续推进磁共振兼容连续体机器人心脏手术技术的进一步突破。

在医疗机器人研究院纤微机器人实验室与部分团队成员合影（高安柱为左一）

团队开发的磁共振兼容机器人动物实验现场及部分团队成员合影（高安柱为左四）

2021年课题组户外爬山活动登顶后的合影（高安柱为右三）

跨尺度纤微连续体机器人实现腔内高精度手术操作

安柱介绍，近年来经人体自然腔道的无创或微创精准诊疗之所以成为医学手术的新兴趋势，是因为人们对重大疾病的早期干预和精准治疗的需求和呼声越来越高。现有的连续体机器人的定位精度还受限在毫米尺度，难以执行精细手术。同时，临床部署的腔内介入手术，既希望机器人能快速到达目标部位，又希望能作精确移动以实施局部操作。在实现宏微运动时，机器人尺寸的小型化、运动速度、范围和精度的权衡，以及宏微运动之间的串扰，也给腔内介入机器人的高精度运动带来挑战。

针对这些挑战，在启明星项目等资助下，安柱团队设计了亚毫米尺度的光纤驱动纤微机器人，希望能够解耦宏观和微观操作，如此就可在腔内介入的过程中作跨尺度运动，实现高精度腔内介入手术。这里提到的宏运动是指腔道内几十厘米幅度的运动，微运动是指腔道内实现几十微米范围内的精准定位。根据这一思路研发的纤微机器人使得过往狭窄腔内的柔性连续体机器人辅助显微手术等一类临床难题有望破解。

从2019年加入上海交大至今已6年，高安柱获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家重点研发计划青年科学家项目、上海市启明星计划、上海东方英才青年项目等多项国家/省市级项目资助。目前，他还受聘担任《IEEE机器人学汇刊》（IEEE Transactions on Robotics）和《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and Automation Letters）的副主编。他的研究成果在《科学机器人》（Science Robotics）、《科学进展》（Science Advances）、《自然-通讯》（Nature Communications）、《IEEE机器人学汇刊》、《软体机器人》（Soft Robotics）等领域内权威期刊上发表。

他说取得的这些初步成绩离不开国家和单位的培养、科研项目的资助、团队的紧密合作、前辈的指导提携、同行的大力支持、同学们的刻苦拼搏，但“革命”尚未成功且刚刚开始，需要继续加油努力。希望大家一直关注和支持医疗手术机器人、柔性连续体机器人的发展，一起助力国民健康。

感恩所有，期望能将这份能量传递下去

高安柱工作涉及的柔性连续体机器人、纤微机器人、多模感知和操控等技术，不仅都踩在了当今高科技发展的节点上，而且难能可贵的是这些前沿工作都将直接或间接惠及临床医疗，造福广大患者。做出这些创造性工作除了常年的付出、坚持，还必然伴随失败和各种压力的煎熬。所幸的是，正处在干事业最好年华的高安柱赶上了鼓励科创的大时代，搭上了上海交大医疗机器人研究院这样的科研平台，未来一切可期。这可能也是高安柱眼里一直有光的缘由吧。

访问后安柱应我要求发来的题为“感恩”的感言中这样写道：一路前行，从懵懂无知的少年走到了现在初识人间烟火的青年，离不开师长前辈与亲朋好友的鼓励与支持，年纪越长越懂得感恩，期望自己能够有机会在教师的岗位上将这份能量传递下去，一起践行上海交大“饮水思源，爱国荣校”的校训。真好，祝福安柱！

-本文刊载于《世界科学》杂志2026年第3期“今日启明星”专栏-

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