極目新聞記者 國倩
通訊員 謝小琴 陳聰
視頻剪輯 國倩
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“和人一樣，機器也會生病。我現在做的事情，說通俗一點，相當于是給機器‘做體檢’。”出生于1990年的李天梁，現爲武漢理工大學教授、博導，入選湖北省高層次創新人才。目前他帶著多名“95後”的碩士生和博士生。
李天梁在實驗室
今年31歲的李天梁是江西吉安人。從在武漢理工大學碩博連讀開始，他就和光纖傳感結下了不解之緣。博士畢業後，他曾在新加坡國立大學、南洋理工大學等海外高校開展博士後研究，主要研究方向爲先進光纖傳感技術、機械裝備動態監測、醫療機器人等。用李天梁自己的話說，他所從事研究的主要應用對象一個是大型旋轉機械裝備，一個是手術機器人，“看起來八竿子打不著，但我通過不懈努力找到了相通之處。”
李天梁生活照
光纖傳感技術了解機器“生病”狀態
李天梁說的這個“相通之處”，就是光纖傳感技術。
像航空發動機、燃氣輪機等這些冷冰冰的大型機械裝備如果“生病了”，我們如何得知？這時，給機器做“體檢”就十分重要。但面對航空發動機、燃氣輪機內部的超高壓、超高溫、強磁場等極端環境，一般的傳感檢測方法還難以滿足這些極端情況的測量要求。在武漢理工大學碩博連讀時，李天梁做的研究就是給工作在極端環境下的大型機械裝備“看病”提供先進的感知技術。
李天梁解釋，這就像我們體檢去做心電圖，醫生通過借助儀器做完檢測後可以得到一些關于我們身體狀況的數據，做心電圖的設備如果對人體感知不夠靈敏，得出錯誤數據就會導致醫生誤診。李天梁說：“我們的光纖傳感技術則能靈敏地感知機器運行狀態，從而開出‘化驗單’供參考，便于對它們進行性能優化、智能運維以及精准控制。目前，我們已經實現了1100℃高溫下機械結構件大應變的動態測量。”
2018年新加坡國立大學醫學院手術機器人，器械離體組織適應性測試
2016年，博士畢業的李天梁選擇繼續出國深造，在新加坡國立大學、南洋理工大學開展博士後研究。這一次，他又將光纖傳感技術運用到了手術機器人上。“如果說給大型機械裝備做體檢需要感知的參量幅值特別大，那麽手術機器人則需要感知極其小幅值的物理參量。我研究的正好是針對物理參量兩個極端狀態的測量。”李天梁說，目前手術機器人的機械臂、“靈巧手”雖能代替醫生的手與人體不同組織進行交互，但由于它們力觸感知能力不足，難以對人體組織實現低力度的精細化手術操作。“比如做涉及眼、腦以及心血管等這類需要極其精細化操作的手術時，往往需要機器人能感知到零點幾牛，甚至毫牛級交互力。若是做切除手術時力度不夠或過大，都會影響手術質量。”
基于光纖力觸感知的機器人輔助觸診部分示意圖
李天梁深知研究出這項技術意味著什麽。針對心髒射頻消融微創手術導管前端力觸感知不足的問題，經過5年多不懈的努力，他終于研究出可以感知0.5幾毫牛力的微型（外徑小于4mm）導管光纖三維力傳感器，“0.5幾毫牛的力大概就是羽毛輕輕掃過手掌的力度。若該技術到時應用到心髒房顫臨床治療中，將有望極大緩解患者痛苦，降低複發率，減輕醫生工作負擔。”目前，臨床研究指出通過介入式導管射頻消融術治療心髒房顫時，手術質量和術中導管與心髒組織的接觸力密切相關。當接觸力小于0.1牛時，病人術後一年內複發率接近100%；當該接觸力介于0.2到0.4牛時，其複發率可降低至20%。
新加坡樟宜綜合醫院實驗現場
目前，李天梁開發的低成本可集成式微型多維力光纖傳感器已叠代更新到第4代了，後續有望在心髒射頻消融手術和腦科手術上應用。這些形成的成果發表在《先進智能系統》《電氣和電子工程師協會工業電子會刊》《IEEE/ASME機電一體化彙刊》等國際高質量期刊，得到了包括諸如英國、加拿大等國家院士和美國機械工程師協會等國際知名學會會士在內的知名學者的關注與正面評價。“但到真正臨床落地應用，還需進行大量研究，包括系列實驗測試，我會繼續努力，通過醫工交叉的深度融合，爭取爲國民大健康獻出自己的一份力。”
新加坡國立大學手術機器人實驗室成員合照
第一次獨立實驗帶他走上科研路
從考上大學學習機械專業，到碩博連讀研究光纖傳感，再到爲人師帶學生一起做科研。李天梁的科研之路，也許從兒時就開始埋下。“我爸爸曾在高炮部隊當過兵，從小就聽他講起了許多國外先進的航空航天飛行器。那時我常想，長大了我也要在這方面做一些貢獻。”李天梁說。
汽輪機轉子振動非接觸式光纖傳感器
小時候，李天梁也總是對機器的構造特別感興趣，“拆了家裏不少東西，影碟機、遙控器我都拆過。”李天梁笑著回憶，也正是這點興趣，驅使他決定選擇機械專業。
李天梁生活照
“最初決定考研，本是想爲今後創業打基礎。”真正讓李天梁決定投身于科研事業，是始于理工大讀研過程中他第一次獨立承擔一個科研小任務。“研二時，我有幸參與到了導師正在做的一個國家重點研發項目，我自告奮勇要承擔其中一個小任務，即在三個月內，完成一款面向汽輪機轉子振動的非接觸式光纖傳感器模型驗證與樣機研發。”李天梁笑著說，自己當時是“初生牛犢不怕虎”，但還是感覺到了壓力，剛開始好幾天都睡不著覺。
三個月裏，李天梁幾乎每天從早上8時實驗室開門一直做實驗到晚上10時關門，“當時需要用到兩個處于校園不同方位實驗室的設備，我經常一個人從這邊拿著儀器，拖著箱子，背著電腦去另外一個實驗室做實驗。碰到下雨天也是如此。”
參加第十七屆中國科協年會
遇到難題，他就看書查文獻、請教老師；方案設計有問題他就推倒重來；實驗失敗他就重做直至成功……在老師的支持與幫助下，李天梁負責的任務如期完成，“雖然過程很累，但從那時起我真正地開始覺得做科研挺有意思的。”也正是基于這次研究，李天梁梳理出來了一篇論文並成功發表，同時獲批發明專利。
這次經曆，正是李天梁走上科研道路的開端，過程中他不僅學會了如何系統性地做科研，更深刻體會了“成功背後意味著很多失敗”的真理。
上百次的失敗換來一次實驗成功
“做科研不要害怕失敗，失敗到快崩潰的時候，就是越接近成功的時候。”在李天梁看來，做科研的第一個成果非常重要。“把第一個東西打磨好，會對個人未來發展有很大益處，即使你以後不做科研，但你也能在這個過程中鍛煉自己的思維和解決問題的能力。”
李天梁教學生做實驗
回母校任教後，李天梁平時也經常用自己的經曆鼓勵學生。他回憶，自己剛開始學習做實驗時，做第一個傳感器花了近一個星期，其中最難的就是焊接和封裝像頭發絲一樣細的光纖，“光纖很細，特別容易斷，傳感器封裝過程中的任何一個細節出錯，所有的都要推倒重來。”那時，在光纖焊接與封裝這一環節，他用斷了上百根光纖才換來一次實驗成功。
李天梁在實驗室
後來，在新加坡開展博士後研究時，手術機器人上需要的傳感器尺寸更小，李天梁經常需要在尺寸不到4毫米的機器人執行器上布置傳感器，這要求傳感器很小，安裝光纖時需要更多的細心和耐心，而得益于此前大量的實踐經驗，他很快就上手了。“我做過最小的力傳感器外徑不到2毫米，大概是一般中性筆筆蓋的五分之一。”
“熟能生巧，做科研沒有捷徑可走，只要堅持，就能有收獲。”回望來時路，李天梁說，導師們的莫大支持與悉心指導，也是支撐他順利科研的關鍵，“當時，我的第一篇論文修改了不下十遍，每一次導師都耐心指導論文的細節修改。”李天梁笑著說，之前那斷了的上百根光纖，很多次的失敗，也燃燒了老師不少經費。
心懷感恩的同時，李天梁也深知引路人的重要。爲人師後，李天梁對學生的嚴格，也源自于此。
他是做科研的嚴師也是暖心學長
“科研上，李老師對我們要求非常嚴格。”研二學生陳發銀說，指導大家做起實驗來，李老師不放過任何一個細節，同學們實驗中遇到不會的操作，他就親身示範。
“老師幾乎每天都要來實驗室轉轉，我們課題組有10余人，大家研究的內容不盡相同，所做的實驗也相異。但每個人在做什麽實驗，進行到哪一步，遇到了什麽問題，李老師都特別清楚。他甚至細節到叮囑大家做實驗拍照、拍視頻進行記錄，教你用什麽角度拍最好。”
李天梁在實驗室指導學生做實驗
正讀研二的郭金秀是李天梁獨立帶的第一屆學生，郭金秀發表的第一篇SCI論文正得益于李天梁老師的指導。“當時這篇論文改了十幾次，很痛苦。每次改完給老師後，我很快就能收到他的修改意見，涉及整個文章的框架、邏輯，以及文字內容。除此之外，用詞不准、標點使用不當等細節問題也會被一一標注出來。”
在學生們眼裏，李天梁亦師亦友，做起科研他的要求近乎嚴苛。私下裏，他也是個暖心學長。郭金秀說，兩年相處下來，這位年輕導師對待事情的認真態度讓他從懶散、沒信心，逐漸變得自律與自信。“李老師平時會和我們一起打羽毛球、聚餐、談心，遇到不順他也時常鼓勵我。”
目前，李天梁老師帶了多名碩士生，一名碩博連讀生，承擔著兩門本科課程的教學。這些學生大多都是“95後”，最小的還有“00後”，他正像導師當年指導自己一樣，教導著這些學生們。
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