基于光鑷的斑馬魚體內(nèi)單細(xì)胞自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)研究.pdf

1、體內(nèi)生物學(xué)研究，特別是活體體內(nèi)研究，對觀察生物體整體生命活動(dòng)、驗(yàn)證體外研究結(jié)果至關(guān)重要。開發(fā)一種可以在體內(nèi)捕獲并操縱單細(xì)胞的工具可以極大地促進(jìn)對生物體內(nèi)活動(dòng)的研究。體內(nèi)單細(xì)胞運(yùn)輸作為體內(nèi)細(xì)胞操作的基礎(chǔ)，可以控制在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中細(xì)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(biāo)細(xì)胞的特性。光鑷的手動(dòng)操作實(shí)驗(yàn)證明了它有能力進(jìn)行活體體內(nèi)單一細(xì)胞操作。然而人工操控的能力有限，特別是在多擾動(dòng)高不確定性的體內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行生物微粒操控存在著很大的難度。本文采

2、用機(jī)器人與光鑷技術(shù)相結(jié)合的方法開發(fā)出了一種自動(dòng)細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)，旨在自動(dòng)識(shí)別、捕獲和運(yùn)輸體內(nèi)環(huán)境中的單細(xì)胞。本論文研究從以下三個(gè)方面展開。
　　第一，為了實(shí)現(xiàn)體內(nèi)目標(biāo)細(xì)胞的自動(dòng)識(shí)別與跟蹤，建立了一套體內(nèi)細(xì)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(shù)，系統(tǒng)可以對復(fù)雜體內(nèi)環(huán)境中細(xì)胞的位置進(jìn)行辨識(shí)，然后基于細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的位置相關(guān)性跟蹤被辨識(shí)出的細(xì)胞，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)細(xì)胞的實(shí)時(shí)跟蹤。
　　第二，為了實(shí)現(xiàn)體內(nèi)單個(gè)目標(biāo)細(xì)胞的自動(dòng)

3、運(yùn)送，構(gòu)建了一套自動(dòng)細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將檢測到的細(xì)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(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)細(xì)胞的自動(dòng)運(yùn)輸。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了一種擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，以減小血液流動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯阻力對細(xì)胞運(yùn)輸所造成的影響。這種控制方法具有細(xì)胞運(yùn)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(diǎn)，適用于復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了所提方法可以有效地對斑馬魚體內(nèi)單個(gè)血紅細(xì)胞進(jìn)行運(yùn)輸。
　　第三，開發(fā)了一種具有避障功

4、能的擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，以處理在體內(nèi)細(xì)胞運(yùn)輸過程中的碰撞問題。碰撞是體內(nèi)運(yùn)輸任務(wù)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(jié)合擾動(dòng)補(bǔ)償控制器實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞運(yùn)輸過程中的避障。這種方法可以在一個(gè)單一步驟中實(shí)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(yùn)算量，同時(shí)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(yīng)不同的運(yùn)輸環(huán)境。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xì)胞自動(dòng)運(yùn)輸控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了