應(yīng)用機(jī)器人光鑷細(xì)胞手術(shù)系統(tǒng)研究生物細(xì)胞微米級(jí)操控.pdf

1、單細(xì)胞手術(shù)由于其在生理，病理，和藥理學(xué)研究領(lǐng)域有著重要的作用，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。然而目前大多數(shù)單細(xì)胞手術(shù)研究?jī)H限于概念演示驗(yàn)證階段。由于沒(méi)有有效細(xì)胞手術(shù)系統(tǒng)能夠精確地操作和控制單個(gè)細(xì)胞的位置和姿態(tài)角，同時(shí)可以處理大批量細(xì)胞以增加操作精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吞吐量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，這些都進(jìn)一步阻礙了單細(xì)胞手術(shù)研究進(jìn)步。本文中，建立了一個(gè)集成機(jī)器人光鑷的細(xì)胞手術(shù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量細(xì)胞同時(shí)操控，以及單細(xì)胞位置和方位角的精確控制，其中光鑷可

2、以看做是機(jī)器人受控的末端執(zhí)行器進(jìn)行捕獲和操作生物細(xì)胞。本文從以下三個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。
　　首先，建立了一個(gè)自治控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞位置的精確控制。該控制策略保證了被捕獲的細(xì)胞能夠始終保持在光鑷中心附近的小鄰域內(nèi)，從而確保在整個(gè)操作過(guò)程中細(xì)胞能夠穩(wěn)定的光捕獲?；诒还忤囀`的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)方程，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的飽和PID控制器實(shí)現(xiàn)細(xì)胞位置的漸近調(diào)控。該控制策略不精確依賴(lài)于細(xì)胞動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)和細(xì)胞速度的測(cè)量。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提控制策略的有效性。<

3、br>　　其次，利用機(jī)器人光鑷細(xì)胞操縱系統(tǒng)，結(jié)合全息光鑷(HOTs)技術(shù)，建立了多組細(xì)胞移動(dòng)配對(duì)框架。所提的細(xì)胞配對(duì)方法是基于人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)和同心圓思想。設(shè)計(jì)了特定的人工勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)用于驅(qū)動(dòng)多組細(xì)胞到達(dá)期望的拓?fù)?，同時(shí)避障。根據(jù)光鑷俘獲細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)方程，設(shè)計(jì)了基于人工勢(shì)能場(chǎng)函數(shù)的控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)多組細(xì)胞分別到達(dá)各自的圓。利用同心圓的對(duì)稱(chēng)性，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多組細(xì)胞配對(duì)控制，同時(shí)配對(duì)的細(xì)胞間距是可控的，配對(duì)細(xì)胞的間距依賴(lài)于同心圓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用酵母菌細(xì)胞實(shí)

4、驗(yàn)來(lái)闡釋本文所提的細(xì)胞配對(duì)方法的有效性。
　　最后，本文利用受控的機(jī)器人光鑷平臺(tái)，研究了動(dòng)態(tài)建模和控制多自由度細(xì)胞旋轉(zhuǎn)。采用機(jī)器人控制的全息光鑷產(chǎn)生的兩個(gè)光阱來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)。首先建立了廣義的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，該模型涵蓋了細(xì)胞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程。利用T-matrix方法來(lái)計(jì)算建模光鑷，標(biāo)定了光鑷施加給細(xì)胞的力矩與其在在細(xì)胞內(nèi)坐標(biāo)的關(guān)系。建立的視覺(jué)追蹤框架可以提取細(xì)胞旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的方位角和角速度。根據(jù)簡(jiǎn)化的多自由度細(xì)胞旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)模型

5、，設(shè)計(jì)了視覺(jué)反饋控制器實(shí)現(xiàn)細(xì)胞像平面內(nèi)和像平面外旋轉(zhuǎn)操作。選取具有特征點(diǎn)的酵母細(xì)胞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操控實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本文所提方法的有效性。
　　概括來(lái)說(shuō)，基于機(jī)器人光鑷細(xì)胞手術(shù)控制系統(tǒng)能夠提供強(qiáng)有力的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞位置和方位角精確控制，以及多細(xì)胞同時(shí)操控任務(wù)。自治的細(xì)胞位置控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞操作過(guò)程在穩(wěn)定的光鑷捕獲，而且是依賴(lài)于細(xì)胞位置的細(xì)胞手術(shù)應(yīng)用或是相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最基本最重要的操作技術(shù)。多組細(xì)胞配對(duì)操作很大程度上提高操作效率和