神经工程

张明君

清华大学医学院教授

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探索微创脑机接口的新理论和实现技术

张明君教授于1996年获得浙江大学工业自动化工学博士学位,2000年获得美国华盛顿大学(圣路易斯)系统科学和数学/机器人理学博士学位,是美国斯坦福大学生物医学硕士、电子工程硕士。先后任美国硅谷安捷伦科技公司精密仪器及生物芯片研发工程师、田纳西大学生物医学副教授(终身)、俄亥俄州立大学生物医学工程系正教授(终身)。2020年全职任教于清华大学,现为医学院长聘教授、国家特聘专家。主要研究方向为微纳脑机接口、机器人及生物纳米材料。曾获美国海军研究署年轻科学家奖,IEEE机器人与自动化学会青年科学家奖。 张明君教授从事纳米材料、机器人和控制理论在脑机接口中的交叉学科研究,在生物微纳吸附、微纳机器人驱动机理及生物兼容纳米材料方面取得多项原创性成果。其独特的交叉学科研究努力同时获得美国NSF、DoD、NIH等多个联邦机构的独立PI主旨研究资助。其在海底机器人能源高效跨尺度驱动理论、非传统海底机器人驱动和控制技术做出过原创性成果,获美国海军研究署年轻科学家奖,部分成果在PNAS和IEEE Transactions上公开发表,获IEEE机器人与自动化学会青年科学家奖。目前主要研究兴趣在生物兼容纳米材料与微纳机器人理论在微/非介入脑机接口及阿尔兹海默症和渐冻症早期诊断与干预中的应用。

交叉学科研究脑机接口与微纳机器人

张明君教授目前的科研重点是微纳脑机接口新理论及实现技术。主要研究方向包括长效、自固定、自展开生物兼容性微创电极,以及可用于神经信号转换的生物兼容微纳米换能器,多模态神经信号传感、解码和控制方法。通过合作研究,开展微创脑机接口在阿尔兹海默症和渐冻症早期诊断与干预中的应用。

研究团队致力于利用微纳机器人和纳米材料的最新研究成果,最大限度地减少神经电极的植入创伤,通过微针注射等方式实现微创脑机接口。短期目标是实现微创注射植入型颅骨电极,中期目标是力求大脑微注射电极能够和静脉药物注射一样方便,实现全新的微创脑机接口技术并用于临床,长期目标是通过微纳米换能器实现无创脑机接口。

张明君教授带领研究团队在生物纳米材料、生物纳米吸附和微生物驱动机理方面取得多项原创性成果:

· 在生物纳米材料领域,首次通过自组装技术研制出发光肽基纳米颗粒。肽基纳米颗粒具备光稳定性、生物相容性,可用于靶向癌细胞,实时成像和监测药物释放。Nature编者评论该发光肽基纳米颗粒研究“开创了肽光子学的前沿研究方向(The research idea paves the way for a new front in peptide optics,News & Views, Nature Nanotechnology, Jan. 2016)”。美国国家自然科学基金对该项研究做了专题报道。

· 首次开发了用于食道癌早期检测的近红外荧光肽纳米颗粒(Nature Communications,07/2018),并合作发现了具有荧光性质可调的量子限域肽组装体(Nature Communications,08/2018)。

· 发现食肉真菌少孢节丛孢菌分泌的纳米颗粒(Advanced Functional Materials, 2012)可以刺激免疫反应并杀死肿瘤细胞,食肉真菌形成粘性陷阱,用于捕获和消化穿过其路径的线虫。

· 发现芽膏菜植物分泌的高弹性粘合剂可以形成纳米支架,用于再生和慢性伤口愈合。该发现由美国国家科学基金会在Discovery News上专题报道。英国皇家化学会在Chemistry World专题报道中称“芽膏菜植物用来捕捉昆虫的黏合剂有助于细胞粘附,具有应用于组织工程的潜力。这种材料可能有更多的用途,并为合成生物仿制品的发展指明了方向”。

· 在阿尔茨海默症早期诊断领域,率先提出使用β-淀粉样蛋白和tau蛋白的物理生物标志物(杨氏模量和纳米形态)来诊断阿尔茨海默症。开发了基于卡尔曼滤波器的学习算法,整合了多种生物标记物,研制出用于预测阿尔茨海默症进展的荧光纳米颗粒,并基于香农采样定理为患者提供最佳检查频率建议。该研究成果于2017年7月发表在Science Advances杂志上。中国中央电视台对此项研究做了专题报道。

· 在微生物驱动机理领域,发现贾第虫独特的高效节能游泳机制,这一研究结果发表于PNAS。这种独特的机制启发了微/纳米机器人推进机制的设计。

· 发现豉甲虫弯曲游泳轨迹比线性轨迹更节能,该研究从流体动力学角度解释了自然界中很容易观察到豉甲虫的现象(PLoS Comp. Bio.)。豉甲虫可以在空中飞翔,在水面上快速游动,在空气-水界面上快速潜水,这种推力装置的推进效率是文献中所报道过的最高的。

1.Zhen Fan, Leming Sun, Yujian Huang, Yongzhong Wang andMingjun Zhang*. Bioinspired Fluorescent Dipeptide Nanoparticles for Targeted Tumor Imaging and Realtime Monitoring of Drug Release, Nature Nanotechnology (IF: 34.048), doi: 10.1038/nnano.2015.312, 2016.

2.Zhen Fan, Chaochu Cui, Yan Chang, Leming Sun, Fan Yuan, Zui Pan*andMingjun Zhang*. Near-infrared Fluorescent Peptide Nanoparticles for Enhancing Esophageal Cancer Therapeutic Efficacy. Nature Communications (NCOMMS, IF: 12.124), 9:2605 | DOI: 10.1038/s41467-018-04763-y, 2018.

3.Tao Yue, Xinghua Jia, Jennifer Petrosino, Dong Wang, Jesse Fine, Scott Galster, Rebecca Davis, Doug Scharre,Mingjun Zhang*. Computational integration of nano-scale physical biomarkers and cognitive assessments to diagnose and predict the progression of Alzheimer’s disease. Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.1700669, 2017.

4.Kai Tao, Zhen Fan, Leming Sun, Pandeeswar Makam, Zhen Tian, Mark Ruegsegger, Shira Shaham-Niv, Derek Hansford, Ruth Aizen, Zui Pan, Scott Galster, Jianjie Ma, Fan Yuan, Mingsu Si, Songnan Qu,Mingjun Zhang*, Ehud Gazit*, Junbai Li*. Quantum Confined Peptide Assemblies with Tunable Visible to NearInfrared Spectral Range. Nature Communications (NCOMMS, IF: 12.124), 9:3217 | DOI: 10.1038/s41467-018-05568-9, 2018.

5.S. Lenaghan, C. A. Davis, W. R. Henson, Z. Zhang, andMingjun Zhang*. High-Speed Microscopic Imaging of Flagella Motility and Swimming in Giardia lamblia Trophozoites. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, IF: 9.681), 108 (34), pp. 13891–13892, 2011 (featured by Science Daily, Physics Web, Homeland Security Wire, multiple media and press).

6.Mingjun Zhang*, Maozi Liu, Harry Prest and Steve Fischer. Nanoparticles Secreted from Ivy Rootlets for Surface Climbing, Nano Letters (IF: 13.198), 8 (5), pp. 1277–1280, 2008 (highlighted by Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Chemical and Engineering News, draw national media attention).

7.Yongzhong Wang, Leming Sun, Sijia Yi, Yujian Huang, Scott C. Lenaghan andMingjun Zhang*. Naturally Occurring Nanoparticles from Arthrobotrys oligospora as a Potential Immunostimulatory and Antitumor Agent, Advanced Functional Materials (IF: 10.179), 2012.

8.Xinghua Jia, Zongyao Chen, Andrew Riedel, Ting Si, William R. Hamel,Mingjun Zhang*. Energy-efficient Surface Propulsion Inspired by Whirligig Beetles. IEEE Transactions on Robotics*, 31 (6), pp. 1432-1443, doi: 10.1109/TRO.2015.2493501, 2015.

9.Xinghua Jia, Xiaobo Li, Scott Lenaghan, andMingjun Zhang*. Design of Efficient Propulsion for Nanorobots. IEEE Transactions on Robotics, 30(4), pp. 792-, 2014.

10.W. Fisher andMingjun Zhang*, A Bio-chip Microarray Fabrication System using Inkjet Technology, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 4, pp.488-500, 2007.

11.Mingjun Zhangand T. J. Tarn. A Hybrid Switching Control Strategy for Non-linear and Under-actuated Mechanical Systems, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 48, no. 10, pp. 1777-1782, 2003.

12.Mingjun Zhangand T. J. Tarn. Hybrid Control of the Pendubot, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 7, no. 1, 79-87, March 2002.

学术荣誉与奖励

2013 美国田纳西大学工程学院卓越研究奖

2011 美国国防部海军研究署青年科学家奖

2011 美国田纳西大学工程学院卓越研究奖

2004 安捷伦科技公司创新优秀奖

2003 IEEE机器人与自动化学会青年科学家奖

1996 浙江大学竺可桢奖学金



开设课程

微纳脑机接口:理论及实践


技术专利

1.2016Mingjun Zhang. A High-throughput and Cost-effective Approach for Robust Diagnosis of Alzheimer's Disease, 62/341,458.

2.2016Mingjun Zhang, Scott Galster, Xinghua Jia, Douglas Scharre, Dong Wang. An assistive robotic helmet to promote brain health for aging population. Patent application, 62/524,919.

3.2015Mingjun Zhang, Zhen Fan and Leming Sun Arthrobotrys. Synthesis of fluorescent peptide nanostructures. Patent application, 62/268,827.

4.2013Mingjun Zhang, and Yongzhong Wang. Nanoparticles from oligospora as an Immunostimulatory and Antitumor Agent. Patent application PCT/US13/66393, October 2013.

5.2012 Jason Burris, Neal Stewart, Scott Lenaghan, David Gilmore,Mingjun Zhang. Biofabrication for nanoparticle production using English ivy (Hedera helix), Patent Pending.

6.2010Mingjun Zhang, Lijin Xia and Scott Lenaghan. Cosmetic compositions including ivy derived nanoparticles, US2013/0189336A1.

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