2018 年度国家科学技术奖提名公示内容
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(四) 苏黎世联邦理工大学 Mehmet Fatih Yanik 教授在权威期刊 Annual review of biomedical engineering （JCR 一区期刊）的评 价：
“Other groups also have developed systems with variations in both the capture of the eggs and the image processing algorithms, achieving speeds up to 15 embryos per minute with a success rate of 98.5% (129,130)(其他研究小组开发在卵子捕获 和图像处理算法方面有所变化的系统，每分钟可获得 15 个胚胎，成 功率达 98.5%(129,130) [文献 130：详见代表论文 4] )”【详见代表 引文 4】
2018 年度国家科学技术奖提名公示内容
一、 项目名称
机器人辅助细胞操作
二、 提名者
中国科协
三、 提名意见
该项目将机器人技术与微操作技术结合，实现复杂、精密、可 靠和高效率的细胞自动化微纳操作。通过机器人辅助细胞操作，从 单细胞层面上对细胞的生理和病理机理进行研究，取得了如下重要 发现：
(一) 揭示机器人辅助微纳操作末端执行器与活性细胞的力学 作用机理。研究发现光镊操作下多场力耦合作用规律，以及微探针 穿刺细胞过程中的细胞应力分布规律。
(二) IEEE Fellow、香港科技大学教授、大疆创新董事长李泽湘 教授在权威期刊 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 的评价：
“Sun[24], [25] introduces the concept of synchronization error based on the consideration of the final synchronized result in multiaxis motion control. (孙[24]在考虑多轴运动控 制最终同步结果的基础上，引入了同步误差的概念[文献 24：详见代 表论文 2] )”【详见代表引文 2】
第一完成人是世界上最早应用机器人和光镊等微操作技术对生 物细胞进行微纳米操作的少数几位学术带头人之一。因其在细胞微纳 操作机器人领域的杰出贡献，于 2014 年当选 IEEE Fellow。他还担 任中华人民共和国教育部科学技术委员会学部委员。第二至五完成人 均为香港城市大学博士毕业生，师从第一完成人。他们现在均工作在 内地高校第一线，已成为教学与科研业务骨干。
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(二) 创立了机器人辅助全息光镊细胞微纳操作理论和方法体系。研 究发现了全息光镊细胞操作控制的准确性与效率规律，提出了基于多 场耦合动力学模型和显微视觉的迁移闭环控制方法，突破了复杂显微 液体环境下大批量细胞同步操作的难题，开辟了群体高通量细胞操作 新方向。 (三) 构建了多维感知与穿刺力控制细胞显微穿刺理论与方法体系。 研究发现了细胞穿刺多维可感知信息与细胞穿刺质量的关系，提出了 基于多维信息融合与基于力控制的穿刺控制新理论，突破了兼具高效 率和高可靠性的穿刺操作难题，开辟了细胞穿刺自动化操作的新方向。
“ Xie proposes a two loop force control framework to regulate the penetration force in the fish embryos injection [21]. (谢提出以一种双环控制框架来调节鱼胚胎穿刺的穿透力（穿 刺力）文献 21：详见代表论文 5] )” 【详见代表引文 1】
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五、客观评价
(一) 中国科学院外籍院士、IEEE 终身会士、IEEE 总主席北京理 工大学教授福田敏男教授在权威期刊 Robotics and Biomimetics 的 评价：
“Sun studies the dynamics behavior of the cell in the optical tweezers manipulation and then designs a closed loop control algorithm to transport a single cell or multicells to a certain place [38]. (孙研究了光镊操作中细胞的动力学行为， 设计了一种闭环控制算法，将单个细胞或多个细胞传输到特定的位置 [文献 38：详见代表论文 1] )”【详见代表引文 1】
研究成果发表在相关领域著名刊物上，代表性论文被广泛引用， 单篇最高 SCI 他引超过 130 余次，中科院院士、IEEE Fellow、ASME Fellow 等级别的众多国际知名学者给予了高度评价。
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项目第一完成人是国际上最早应用机器人微操作技术对生物细 胞进行微纳米操作和医学诊断的少数几位学术带头人之一，是该领 域的国际领军人物。因其在细胞微操作机器人领域的杰出贡献，于 2014 年当选 IEEE Fellow。他还担任 2019 年全球最大型机器人会议 之一的机器人与智能系统国际大会（IROS）的主席。
8 篇代表性论文获得广泛引用，单篇最高 SCI 他引超过 130 次。 施引者包括中国科学院外籍院士、IEEE 总主席福田敏男教授，ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. Gupta 教授，RSE Fellow、 英国圣安德鲁斯大学 Kishan Dholakia 教授，香港科技大学、大疆创 新董事长李泽湘教授等。有些成果已开始商业化。如：香港城市大学 郑淑娴教授（转基因鲭鳉鱼技术的联合发明人）基于所提出的机器人 辅助自动化注射技术，建立了世界上首套面向大批量自动化生物制造 的机器人辅助鲭鳉鱼卵母细胞显微穿刺系统，培育了世界首例可用于 环境监测的转基因鲭鳉鱼。
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high accuracy. (孙等开发了一个微流控平台，允许同时对单个细胞 进行操作和分类[16]，在光镊的帮助下，从混合物中分离出了人类胚 胎干细胞和酵母细胞[文献 16：详见代表论文 6] )” 【详见代表引 文 6】
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随后又扩展了对鱼胚胎进行微穿刺的阻抗力控制方法[文献 84：详见 代表论文 5] )” 【详见代表引文 5】
“Detailed theoretical proofs of convergence to a stable array configuration with a controllable distance between the paired particles were reported in [91]. ([91]报道了详细的理 论证明，证明了阵列配置与成对颗粒之间的可控距离能够收敛到一个 稳定的值[文献 91：详见代表论文 3] )” 【详见代表引文 5】
(五) ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. Gupta 教 授 在 权 威 期 刊 IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 的评价：
“ Xie et al. [84] later extended the impedance force control method for microinjection on fish embryos. (谢等[84]
( 六 ) 香 港 科 技 大 学 吴 宏 开 教 授 在 国 际 顶 级 期 刊 Advanced Materials（JCR 一区期刊）的评价：
“Sun and coworkers developed a microfluidic platform that allows simultaneous single-cell manipulation and sorting.[16] With the help of optical tweezers, human embryonic stem cells and yeast cells were individually isolated from mixtures at
(三) ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. GuptaLeabharlann Baidu教 授 在 权 威 期 刊 IEEE Transactions on Robotics and Automation Magazine 的评价如下：
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“Cells can be arranged in stable array configurations while preserving a minimum distance among any two pairs of cells [21]. These are significant advances that offer a lot of promise for conducting robust and efficient multicell studies using OTs without manual intervention. (细胞能够被迁移到稳定的阵列中， 同时细胞对之间能够保持最小距离[21]。这些都是重大进步，无需人 工干预，就能为使用光镊进行强大而有效的多细胞研究提供支撑。[文 献 21：详见代表论文 3] )” 【详见代表引文 3】
提名该项目为国家自然科学奖二等奖。
四、项目简介
细胞显微操作技术作为几乎所有细胞研究的技术基础，在操控 精度、操控效率、成功率以及安全性等各个方面，均遭遇发展瓶颈。 随着人类对于在细胞层面上的研究和精准医疗的要求日益增加，传 统的手工操作早已无法满足需要。发展新的细胞显微操作理论及方 法，已经成为凝聚共识的重大科学问题，对揭示人类生命机理和发 展精准医疗技术等都具有重要的理论及现实意义。
“In the domain of biomanipulation applications, a closed loop synchronization control scheme was developed by Hu and Sun in [104] to transport multiple cells, while maintaining a fixed pattern using optical tweezers.(在生物操纵应用领域，胡和孙 [104]提出了一种闭环同步控制方案，在运输多个细胞的同时，利用 光镊实现图形排列[文献 104：详见代表论文 1] ) ” 【详见代表引 文 5】
(二) 创立机器人辅助全息光镊细胞微纳操作理论和方法体系。 研究提出细胞迁移闭环控制方法，突破复杂显微液体环境下大批量 细胞同步操作的难题，开辟高通量细胞操作新方向。
(三) 构建多维感知与穿刺力控制细胞显微穿刺理论与方法体 系。研究发现多维可感知信息与细胞穿刺质量的关系，提出穿刺控 制新理论，突破了兼具高效率和高可靠性的操作难题，开辟细胞穿 刺自动化操作的新方向。
“Wu et al. [34] developed an A* algorithm to automatically transport living cells using optical tweezers. (吴等人[34] 开发了一种 A*算法来实现自动化光镊传输活细胞[文献 34：详见代表 论文 7] ) ”【详见代表引文 5】
自 2003 年起，项目组就开始筹划相关研究。2005 年起，开始系 统性地将机器人与自动化技术融入细胞微纳操作，是国内外最早从事 机器人辅助细胞自动化微纳操作研究的课题组之一。师生两代人经过 10 余年的协同攻关，在接触式及非接触式细胞微纳操作机器人理论 及方法两个瓶颈问题上取得了关键性突破。主要创新点如下： (一) 揭示了机器人辅助微纳操作末端执行器与活性细胞的力学作用 机理。研究发现了光镊操作多场力耦合作用规律和显微注射过程中细 胞的应变规律，建立了光镊下细胞迁移的作用力模型和针穿刺下细胞 应力与压强变化模型，为实现不同类型细胞自动化微纳操作奠定了重 要的理论基础。
“Other groups also have developed systems with variations in both the capture of the eggs and the image processing algorithms, achieving speeds up to 15 embryos per minute with a success rate of 98.5% (129,130)(其他研究小组开发在卵子捕获 和图像处理算法方面有所变化的系统，每分钟可获得 15 个胚胎，成 功率达 98.5%(129,130) [文献 130：详见代表论文 4] )”【详见代表 引文 4】
2018 年度国家科学技术奖提名公示内容
一、 项目名称
机器人辅助细胞操作
二、 提名者
中国科协
三、 提名意见
该项目将机器人技术与微操作技术结合，实现复杂、精密、可 靠和高效率的细胞自动化微纳操作。通过机器人辅助细胞操作，从 单细胞层面上对细胞的生理和病理机理进行研究，取得了如下重要 发现：
(一) 揭示机器人辅助微纳操作末端执行器与活性细胞的力学 作用机理。研究发现光镊操作下多场力耦合作用规律，以及微探针 穿刺细胞过程中的细胞应力分布规律。
(二) IEEE Fellow、香港科技大学教授、大疆创新董事长李泽湘 教授在权威期刊 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 的评价：
“Sun[24], [25] introduces the concept of synchronization error based on the consideration of the final synchronized result in multiaxis motion control. (孙[24]在考虑多轴运动控 制最终同步结果的基础上，引入了同步误差的概念[文献 24：详见代 表论文 2] )”【详见代表引文 2】
第一完成人是世界上最早应用机器人和光镊等微操作技术对生 物细胞进行微纳米操作的少数几位学术带头人之一。因其在细胞微纳 操作机器人领域的杰出贡献，于 2014 年当选 IEEE Fellow。他还担 任中华人民共和国教育部科学技术委员会学部委员。第二至五完成人 均为香港城市大学博士毕业生，师从第一完成人。他们现在均工作在 内地高校第一线，已成为教学与科研业务骨干。
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(二) 创立了机器人辅助全息光镊细胞微纳操作理论和方法体系。研 究发现了全息光镊细胞操作控制的准确性与效率规律，提出了基于多 场耦合动力学模型和显微视觉的迁移闭环控制方法，突破了复杂显微 液体环境下大批量细胞同步操作的难题，开辟了群体高通量细胞操作 新方向。 (三) 构建了多维感知与穿刺力控制细胞显微穿刺理论与方法体系。 研究发现了细胞穿刺多维可感知信息与细胞穿刺质量的关系，提出了 基于多维信息融合与基于力控制的穿刺控制新理论，突破了兼具高效 率和高可靠性的穿刺操作难题，开辟了细胞穿刺自动化操作的新方向。
“ Xie proposes a two loop force control framework to regulate the penetration force in the fish embryos injection [21]. (谢提出以一种双环控制框架来调节鱼胚胎穿刺的穿透力（穿 刺力）文献 21：详见代表论文 5] )” 【详见代表引文 1】
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五、客观评价
(一) 中国科学院外籍院士、IEEE 终身会士、IEEE 总主席北京理 工大学教授福田敏男教授在权威期刊 Robotics and Biomimetics 的 评价：
“Sun studies the dynamics behavior of the cell in the optical tweezers manipulation and then designs a closed loop control algorithm to transport a single cell or multicells to a certain place [38]. (孙研究了光镊操作中细胞的动力学行为， 设计了一种闭环控制算法，将单个细胞或多个细胞传输到特定的位置 [文献 38：详见代表论文 1] )”【详见代表引文 1】
研究成果发表在相关领域著名刊物上，代表性论文被广泛引用， 单篇最高 SCI 他引超过 130 余次，中科院院士、IEEE Fellow、ASME Fellow 等级别的众多国际知名学者给予了高度评价。
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项目第一完成人是国际上最早应用机器人微操作技术对生物细 胞进行微纳米操作和医学诊断的少数几位学术带头人之一，是该领 域的国际领军人物。因其在细胞微操作机器人领域的杰出贡献，于 2014 年当选 IEEE Fellow。他还担任 2019 年全球最大型机器人会议 之一的机器人与智能系统国际大会（IROS）的主席。
8 篇代表性论文获得广泛引用，单篇最高 SCI 他引超过 130 次。 施引者包括中国科学院外籍院士、IEEE 总主席福田敏男教授，ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. Gupta 教授，RSE Fellow、 英国圣安德鲁斯大学 Kishan Dholakia 教授，香港科技大学、大疆创 新董事长李泽湘教授等。有些成果已开始商业化。如：香港城市大学 郑淑娴教授（转基因鲭鳉鱼技术的联合发明人）基于所提出的机器人 辅助自动化注射技术，建立了世界上首套面向大批量自动化生物制造 的机器人辅助鲭鳉鱼卵母细胞显微穿刺系统，培育了世界首例可用于 环境监测的转基因鲭鳉鱼。
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随后又扩展了对鱼胚胎进行微穿刺的阻抗力控制方法[文献 84：详见 代表论文 5] )” 【详见代表引文 5】
“Detailed theoretical proofs of convergence to a stable array configuration with a controllable distance between the paired particles were reported in [91]. ([91]报道了详细的理 论证明，证明了阵列配置与成对颗粒之间的可控距离能够收敛到一个 稳定的值[文献 91：详见代表论文 3] )” 【详见代表引文 5】
(五) ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. Gupta 教 授 在 权 威 期 刊 IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 的评价：
“ Xie et al. [84] later extended the impedance force control method for microinjection on fish embryos. (谢等[84]
( 六 ) 香 港 科 技 大 学 吴 宏 开 教 授 在 国 际 顶 级 期 刊 Advanced Materials（JCR 一区期刊）的评价：
“Sun and coworkers developed a microfluidic platform that allows simultaneous single-cell manipulation and sorting.[16] With the help of optical tweezers, human embryonic stem cells and yeast cells were individually isolated from mixtures at
(三) ASME Fellow、南加利福尼亚大学 Satyandra K. GuptaLeabharlann Baidu教 授 在 权 威 期 刊 IEEE Transactions on Robotics and Automation Magazine 的评价如下：
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“Cells can be arranged in stable array configurations while preserving a minimum distance among any two pairs of cells [21]. These are significant advances that offer a lot of promise for conducting robust and efficient multicell studies using OTs without manual intervention. (细胞能够被迁移到稳定的阵列中， 同时细胞对之间能够保持最小距离[21]。这些都是重大进步，无需人 工干预，就能为使用光镊进行强大而有效的多细胞研究提供支撑。[文 献 21：详见代表论文 3] )” 【详见代表引文 3】
提名该项目为国家自然科学奖二等奖。
四、项目简介
细胞显微操作技术作为几乎所有细胞研究的技术基础，在操控 精度、操控效率、成功率以及安全性等各个方面，均遭遇发展瓶颈。 随着人类对于在细胞层面上的研究和精准医疗的要求日益增加，传 统的手工操作早已无法满足需要。发展新的细胞显微操作理论及方 法，已经成为凝聚共识的重大科学问题，对揭示人类生命机理和发 展精准医疗技术等都具有重要的理论及现实意义。
“In the domain of biomanipulation applications, a closed loop synchronization control scheme was developed by Hu and Sun in [104] to transport multiple cells, while maintaining a fixed pattern using optical tweezers.(在生物操纵应用领域，胡和孙 [104]提出了一种闭环同步控制方案，在运输多个细胞的同时，利用 光镊实现图形排列[文献 104：详见代表论文 1] ) ” 【详见代表引 文 5】
(二) 创立机器人辅助全息光镊细胞微纳操作理论和方法体系。 研究提出细胞迁移闭环控制方法，突破复杂显微液体环境下大批量 细胞同步操作的难题，开辟高通量细胞操作新方向。
(三) 构建多维感知与穿刺力控制细胞显微穿刺理论与方法体 系。研究发现多维可感知信息与细胞穿刺质量的关系，提出穿刺控 制新理论，突破了兼具高效率和高可靠性的操作难题，开辟细胞穿 刺自动化操作的新方向。
“Wu et al. [34] developed an A* algorithm to automatically transport living cells using optical tweezers. (吴等人[34] 开发了一种 A*算法来实现自动化光镊传输活细胞[文献 34：详见代表 论文 7] ) ”【详见代表引文 5】
自 2003 年起，项目组就开始筹划相关研究。2005 年起，开始系 统性地将机器人与自动化技术融入细胞微纳操作，是国内外最早从事 机器人辅助细胞自动化微纳操作研究的课题组之一。师生两代人经过 10 余年的协同攻关，在接触式及非接触式细胞微纳操作机器人理论 及方法两个瓶颈问题上取得了关键性突破。主要创新点如下： (一) 揭示了机器人辅助微纳操作末端执行器与活性细胞的力学作用 机理。研究发现了光镊操作多场力耦合作用规律和显微注射过程中细 胞的应变规律，建立了光镊下细胞迁移的作用力模型和针穿刺下细胞 应力与压强变化模型，为实现不同类型细胞自动化微纳操作奠定了重 要的理论基础。