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【爱国奋斗南开人】赵新:为夯实科技自立自强根基贡献南开力量
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-05-21 13:43

南开新闻网记者 乔仁铭 通讯员 孙明竹

赵新教授(左三)与团队成员研讨活体细胞精准操作机器人技术

  近日,2022年度天津市科学技术奖揭晓,南开大学20项科研成果获奖,以第一完成单位获奖9项,包括技术发明特等奖1项、自然科学一等奖4项、科技进步一等奖1项。其中,南开大学人工智能学院院长赵新教授领衔完成的“活体细胞精准操作机器人技术及系统”项目荣获技术发明特等奖,这也是南开首次获得该奖项。

聚焦活体细胞操作,攻克自动化关键技术

  21世纪是生命科学的世纪,细胞是生命的基本单元,活体细胞操作是量大面广的技术,广泛应用于细胞注射、转基因操作、辅助生殖、动物克隆等生命科学各个领域。

  农业的种业“卡脖子”问题,同样存在细胞操作难点。比如,利用克隆技术育种,就涉及体细胞核移植操作。细胞操作是微米级显微操作,难度大、对操作人员要求高、效率低、操作效果难以保证。胜任活体细胞操作的技术人员严重不足,已成为制约生命科学发展及成果推广的瓶颈。

  长期以来,赵新教授团队面向生命科学发展对活体细胞操作的迫切需求,利用机器人代替人工实现自动化活体细胞操作。

  应当看到,机器人操作普通目标,关键在于高成功率。而活体细胞是有生命的,因此,活体细胞操作不仅要有高成功率,还要保证操作后细胞的活性,提高操作后细胞成活率、发育率,这对于机器人技术提出了极大挑战。

  面对上述技术挑战,赵新教授团队历经10余年技术攻关,突破了面向变形体的机器人化精准定点操作技术、机器人化精准微创操作技术、机器人化定量去核操作技术等三类自动化关键技术。

  据赵新介绍,面向变形体的机器人精准定点操作技术,针对细胞表面形状不规则、细胞受力变形位置变化、操作工具在细胞内部移动引起目标位置漂移等问题,发明了无接触细胞三维形态测量与最佳接触位置选取方法、基于最小力的机器人化精准细胞拨动方法、基于细胞核动态位置漂移建模方法,实现了精准定点操作,提高了细胞操作成功率。

  “而机器人化精准微创操作技术,针对操作工具穿入细胞及细胞内施加负压带来细胞损伤等问题,发明了基于压电陶瓷驱动的超声振动显微细胞穿入系统、最佳去核压强的确定方法,实现了精准微创操作,提高了操作后细胞成活率。”赵新说。

  赵新表示,机器人化定量去核操作技术,则针对盲法去核遗传物质不可见、细胞姿态影响去核量、去核量实时检测等问题,发明了基于增强现实的定点去核方法、基于细胞姿态的定量去核方法、基于生长域的微管内增量式细胞质速度场检测方法和去核量测量方法,实现了全部去核并减少去核量的目标,提高了细胞后续发育率。

活体细胞精准操作机器人系统

  经过不懈坚持努力,在此基础上,赵新教授团队研制了面向活体细胞精准操作的机器人系统,并利用该系统实现了自动化细胞生物力学检测、脑科学神经细胞电生理检测、体细胞核移植等三类示范应用,验证了该系统在活体细胞精准操作成功率、操作后成活率以及后续发育率方面的优越性。

二十年磨一剑,高原上再起高峰

  赵新教授团队在微操作机器人领域耕耘二十余年。此前,南开大学卢桂章教授带领团队于1996年研制成功国内第一台面向生物医学工程的微操作系统,2000年被国家863计划列为863计划15周年三项标志性成果之一,2002年获得机器人领域第一个国家技术发明二等奖,确立了研究团队在面向生物医学工程的微操作机器人领域研究的高原地位。

  随后,赵新教授率领团队在2007年获得了863计划重点项目“面向生物组织的显微操作技术与装备”的资助,开始致力于微操作领域世界公认难度最大的机器人化克隆动物研究,直至2012年扫清了机器人化克隆的技术障碍。2013年,赵新教授团队又获得了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备研制专项的资助,着力研制“面向生命科学的原位显微分析与操作仪”。

  从力学分析到控制方法,从研究思路到实验方案,一次次的尝试、一次次的失败、一次次的优化,赵新教授团队攻克了基于最小力的自动化细胞姿态调整、基于最小压强的细胞去核等核心技术,开发出了世界领先的机器人化动物克隆全流程,2017年利用该仪器完成几千例细胞操作,在世界上首次获得了机器人操作的克隆动物。国家自然科学基金委以“我国学者利用机器人技术成功获得克隆猪”为题,在国家基金委首页“基金要闻”栏目报导,新华社、人民日报、中央电视台、中央人民广播电台、科技日报、中国新闻网等200余家媒体报道了该项目取得的技术突破,研究成果获得了2018年中国智能制造十大科技进展。

  2018年至2019年期间,赵新教授团队先后获得国家重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目,将研究重点调整为减小细胞伤害的微纳自动化操作技术,通过不同尺度、不同种类活体细胞的操作验证,特别是通过自动化克隆技术应用及种猪育种生产的检验,机器人技术降低了微纳操作对细胞的伤害,将克隆成功率提升2.3倍。

获奖证书

研究团队发展历程

  辛勤付出,换来喜人成果。2022年,赵新教授团队又获得了世界第二批机器人操作克隆猪,这也是世界首批由自动化全流程操作获得的克隆猪,技术可靠性更加成熟,技术科学性得到进一步验证,研究成果荣获2022年天津市技术发明特等奖、天津市专利优秀奖等多项荣誉。

  从2002年摘得国家技术发明奖,到2017年、2022年获得两批机器人操作、自动化操作的克隆猪,赵新教授与团队成员历时20余年,在高原上再起高峰。

立足创新创业,服务国家重大需求

  种业是农业的基石,是国家战略性、基础性产业。习近平总书记强调,“种源要做到自主可控,种业科技就要自立自强。这是一件具有战略意义的大事。”

  粮食种子、牲畜种源是关系国计民生的大事。猪肉作为我国第一大肉类消费品,直接影响到老百姓的“菜篮子”。一段时间里,我国种猪在技术上被“卡脖子”,97%以上为进口种猪,淘汰率高,自主化低,使我国产业安全面临重大威胁。

  将克隆技术用于育种,可保持血统,且性别可控,用于解决种猪育种问题。赵新教授团队致力于利用微操作机器人技术优化克隆过程,为大量快速“复制”顶级优秀种猪、解决种猪育种提供最佳方案。

  目前,团队研究成果已在10余家单位开展示范应用,辐射行业包括生物医药、畜牧业等行业,在天津市畜牧所实现了数千例机器人化细胞核移植,将标志克隆成功的囊胚率从手动10%提高到27.5%。

世界首批机器人操作培育的克隆猪(2017)

由自动化全流程操作获得的长白克隆公猪(2022)

  2017年4月,自动化猪体细胞核移植应用培育出17头大白克隆母猪,这是世界首批机器人操作培育的克隆猪;2022年3月,将机器人系统应用于种猪育种生产,再次培育出8头长白克隆公猪;机器人操作培育的首批克隆母猪用于育种生产,在京津冀14家生猪养殖单位繁育后代1.9万余头,经济效益1.3亿余元……赵新教授团队经过努力,已获授权发明专利20余项,发表高水平论文百余篇,完全掌握了机器人克隆的自主知识产权。

  在2022年度中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中,由赵新教授指导、团队成员刘曜玮博士担任负责人的“猪源动力——世界机器人化克隆先行者,中国乡村产业振兴”项目获得了大赛“青年红色筑梦之旅”赛道金奖。研究团队实现了优质种猪的大量快速复制,并达到了后代品质更优,为我国的生猪产业安全提供了保障。

  赵新表示,作为一名南开人,自己将与团队成员奋斗不止,牢记习近平总书记视察南开大学时的殷切嘱托,继续深耕机器人化克隆技术,立足创新创业,将技术拓展到多类畜牧种业市场,守护中国动物种业安全。自己也将与团队继续服务国家重大需求,通过机器人化克隆育种助力乡村振兴,为猪源、种源注入中国动力,为夯实科技自立自强根基贡献更多南开力量与智慧。

编辑:乔仁铭

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