“在微纳尺度下，人工活性物质被赋予无线可编程运动的特性，比如当微纳米机器人被放到人体内，可以被外场操控执行特定的功能，用来进行精准药物递送或者无创手术等。”这是吴昌进一直在努力研究的方向。

▲吴昌进

作为香港大学（HKU）机械工程系研究助理教授、香港先进生物医学仪器中心（ABIC）联合课题组长，吴昌进带领团队在活性物质、微纳米机器人等领域不断突破极限，让微小的颗粒“活”起来，赋予它们自主运动、环境响应甚至集群智能的能力。在他眼中，微纳米机器人拥有无数可能性，他理想中的微纳米机器人还应该拥有更多元化的功能、更强大的智能化程度，以期能够真正在临床治疗中实现对未来医学的重塑。

步入微观世界

“我的科研启蒙实际上来自我对微观世界动态行为的观察和探索。”吴昌进说。童年时，他就会沉浸式观察蚁群搬运食物，他不知道为什么这些小小的蚂蚁会懂得协作互助来完成个体难以完成的工作，但在心底埋藏下一颗好奇的种子。

2013年，以本科交换生身份前往台湾成功大学学习期间，吴昌进通过透射电子显微镜捕捉到铁电材料畴壁的运动过程。“这是我第一次在纳米尺度的结构中观察到动力学特性。”这令吴昌进很着迷，对神秘的微观世界满怀向往。此后，在韩国首尔大学和韩国外国语大学物理学系攻读硕士学位时，他从过渡金属氧化物体系中观察到电阻开关效应，揭示了基于界面离子迁移的仿突触忆阻器作用机制，为后来研究微纳尺度动态调控奠定了重要基础。

一路走来，吴昌进创新求变，但科研主线却从未偏离过材料研究。“刚开始研究平衡态材料中的物理机制，到博士阶段转而研究非平衡态材料中的物理化学机理。”如其所言，2018年加入香港大学化学系后，在唐晋尧教授指导下，他系统研究了胶体颗粒在非平衡态条件下的自组织行为。当他在显微镜下观测到合成胶体群体在化学梯度场中的集体运动模式，恍然间，他觉得这几乎是童年记忆中蚂蚁搬家的翻版。只不过在科学赋能下，他发现这种自发形成的协同现象与生物系统中的群体智能具有深刻的内在关联。

“实验发现，当体系达到特定条件时，无序运动的胶体颗粒会突然形成高度有序的阵列，这种相变行为促使我思考无机材料模仿类生命体响应的可能性。”这个念头在吴昌进心中生根发芽，逐渐凝聚成他的核心奋斗方向：探索微纳尺度下物质系统的智能涌现机制，开发具有环境自适应能力的活性材料体系。

探索群体智能的魅力

从微观世界的细菌群落，到宏观世界的鱼群、鸟群甚至人群，从个体来看，无论尺寸大小还是智力水平，都相差甚远，但却都能涌现出类似的群体行为。根本原因在于，个体间相互作用能够在群体中促使产生自组织相变。如果能将这种集群行为在人工系统中复现，对于理解复杂生命系统、设计智能材料及构建复杂机器人系统将具有重大意义。然而，由于传统人工合成物质缺乏生物系统中个体间的智能交互机制，“仿生群体智能”被认为难以在合成系统中实现。

早在博士阶段，吴昌进就通过引入活性胶体颗粒间的离子交换反应，构建了颗粒间化学偶联和非互易性相互作用，从而使活性胶体系统持续偏离平衡态，展现出从微观到宏观的相分离和仿生集群运动，并且能够对周围环境展现灵敏感应和自发执行长程定向集体迁移。重要的是，这一长程定向集体迁移不依赖胶体颗粒单独的刺激响应，而是由胶体集群内部颗粒间相互作用形成的自我调控和自组织产生。这是首次在合成系统中复现了仿生命系统的智能群体共识行为。

“这些微纳米级别的活性颗粒，具有优良的运动可操控性。我们能够通过激光、磁场、超声等方式对它们呈现出来的集群行为进行动态调控，从而使其自组装形成复杂的功能化活性胶体集群。”吴昌进认为，这意味着可以通过外场调控活性胶体集群运动为设计和制备智能响应型活性材料增加新的可能性。而这一系列研究也为理解不同尺度系统的自组织原理提供了新视角，为精准生物医学技术等应用提供了新思路。

2025年日内瓦国际发明展上，吴昌进团队采用沉浸式显微投影装置展示了一款新型纳米机器人。以往的纳米机器人多采用人工合成材料来制备，进入人体后极易产生免疫反应和诱发炎症等不良后果。而他们的纳米机器人突破性地采用全生物来源材料来制备，不仅能增强生物相容性，还能令生物材料进入人体后可以被消化代谢掉，不产生有害残留，大大提高安全性能。这些纳米机器人携带抗肿瘤药物在体内进行自主运动，通过肿瘤附近的化学梯度主动靶向肿瘤，来实现更加精准和高效的药物递送。发明展现场，当那些纳米机器人在毛细血管模型中穿梭的影像被投放出来，人们从中感受到精密的机械美学。“这是日内瓦制表精神在纳米尺度上的重生！”评委们惊叹道。

更令吴昌进高兴的是，荣获日内瓦国际发明展金奖后，他们的成果赢得了更多实质性的关注，许多专家都表达了合作意愿。目前，他们已经与数家医院开展了合作，准备将成果进一步实用化。“我相信，在几年内，我们的研究有望给癌症患者带来更加有效的治疗。”吴昌进说。

打通“学术—应用”壁垒

作为香港大学与美国哈佛大学等顶尖科学家联合成立的创新枢纽，香港先进生物医学仪器中心（ABIC）构建了独特的“临床—技术—产业”三角协同机制，瞄准可负担筛查检测、精准伴随诊断、战略治疗方法和先进医疗设备组件，加速临床转化。这与吴昌进的目标不谋而合。2023年，吴昌进结束了在香港大学化学系为期两年的博士后工作，受聘为香港大学机械工程系研究助理教授，并担任ABIC课题组长，开始尝试产业转化。

“我们研究一项科学技术，它可能非常前沿，却不知道对谁‘有用’。比如做微纳米机器人，我们把这项工作做得很漂亮，但真去跟医院、生物公司等沟通时，对方可能觉得这些东西并不能解决他们的问题。这是最难的。”吴昌进一直保持着清醒的认知。他认为，要在活性材料研究和应用上取得突破，多学科交叉是大势所趋。现在，他所带领的团队已有十多人，包含多名来自世界名校的博士后、博士生等，在这个年轻的团队里，他们杜绝内耗，非常注重知识分享与及时沟通，会根据不同的学术背景为成员安排适合和擅长的研究任务，扬长补短，共同推动科研进程。他表示，从基础研究转向应用研究，最重要的是需要打破观念壁垒，在前沿创新和社会需求之间做好平衡。“不能过分关注‘我觉得做得多好’，要去倾听真正的需求，只有这样，我们去做产业化转化，才能更容易一些。”

“从个体运动到集群演化，从机理解析到功能应用”，在这一框架下，吴昌进兢兢业业地耕耘着。近年，他主持国家自然科学基金、香港大学新进教授启动基金等多个项目，在顶级期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《自然》（Nature）、《科学进展》（Sciences Advances）、《美国化学会志》(JACS)、《先进材料》（Advanced Materials）等权威期刊发表文章23篇，成果受到众多学术刊物、媒体的专题评述。而他和团队也在不断拓展研究与应用的边界。在科学认知层面，他们期望建立智能材料动态响应与集群行为涌现的普适性理论，突破传统平衡态物理的认知边界；在技术创新层面，他们致力于创制具有环境认知能力的“类生命”微纳系统，实现从预设程序到自主决策的跨越；在社会价值层面，他们致力于推动微纳机器人在精准医疗与环境修复中的应用，例如开发可降解磁性微粒用于动脉粥样硬化斑块的靶向清除等。

“这些系统化布局将加速技术落地进程，预计未来5年内可初步实现肿瘤靶向治疗系统、神经调控装置等2～3个相关医疗器械产品问世。”吴昌进说。他期待通过多学科深度交叉，在非平衡态物质科学领域形成具有国际影响力的创新体系，为人类探索微观世界贡献中国智慧。他也非常欢迎更多对此感兴趣的学生能够加入团队，和他们携手绘制这份蓝图。

来源: 科学中国人