基于光鑷的斑馬魚體內(nèi)單細胞自動運輸系統(tǒng)研究.pdf

1、體內(nèi)生物學研究，特別是活體體內(nèi)研究，對觀察生物體整體生命活動、驗證體外研究結果至關重要。開發(fā)一種可以在體內(nèi)捕獲并操縱單細胞的工具可以極大地促進對生物體內(nèi)活動的研究。體內(nèi)單細胞運輸作為體內(nèi)細胞操作的基礎，可以控制在體內(nèi)實驗中細胞的數(shù)目與位置，有助于觀察在體內(nèi)特殊環(huán)境中目標細胞的特性。光鑷的手動操作實驗證明了它有能力進行活體體內(nèi)單一細胞操作。然而人工操控的能力有限，特別是在多擾動高不確定性的體內(nèi)環(huán)境中進行生物微粒操控存在著很大的難度。本文采

2、用機器人與光鑷技術相結合的方法開發(fā)出了一種自動細胞運輸系統(tǒng)，旨在自動識別、捕獲和運輸體內(nèi)環(huán)境中的單細胞。本論文研究從以下三個方面展開。
　　第一，為了實現(xiàn)體內(nèi)目標細胞的自動識別與跟蹤，建立了一套體內(nèi)細胞跟蹤系統(tǒng)。通過利用諸如背景分割、閾值分割和霍夫變換等圖像處理技術，系統(tǒng)可以對復雜體內(nèi)環(huán)境中細胞的位置進行辨識，然后基于細胞運動的位置相關性跟蹤被辨識出的細胞，可實現(xiàn)目標細胞的實時跟蹤。
　　第二，為了實現(xiàn)體內(nèi)單個目標細胞的自動

3、運送，構建了一套自動細胞運輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將檢測到的細胞位置作為反饋信息，采用抗飽和比例控制器對光鑷位置進行控制，實現(xiàn)了體內(nèi)細胞的自動運輸。在此基礎上，進一步開發(fā)了一種擾動補償控制器，以減小血液流動所產(chǎn)生的粘滯阻力對細胞運輸所造成的影響。這種控制方法具有細胞運輸軌跡可調(diào)、軌跡矯正、最小化穩(wěn)態(tài)誤差、消除超調(diào)等優(yōu)點，適用于復雜的體內(nèi)環(huán)境。仿真和實驗證明了所提方法可以有效地對斑馬魚體內(nèi)單個血紅細胞進行運輸。
　　第三，開發(fā)了一種具有避障功

4、能的擾動補償控制器，以處理在體內(nèi)細胞運輸過程中的碰撞問題。碰撞是體內(nèi)運輸任務失敗的主要原因之一。本文提出了一種碰撞規(guī)避矢量法，并結合擾動補償控制器實現(xiàn)了細胞運輸過程中的避障。這種方法可以在一個單一步驟中實現(xiàn)障礙物檢測和碰撞規(guī)避策略制定，以此減少了在線運算量，同時提高了避障的效率。該方法可以使用不同的避障策略來適應不同的運輸環(huán)境。仿真和實驗驗證了所提出的控制器的有效性。
　　綜上所述，本文提出了一種體內(nèi)單細胞自動運輸控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了