應用機器人光鑷細胞手術系統(tǒng)研究生物細胞微米級操控.pdf

1、單細胞手術由于其在生理，病理，和藥理學研究領域有著重要的作用，已經(jīng)受到越來越多的關注和研究。然而目前大多數(shù)單細胞手術研究僅限于概念演示驗證階段。由于沒有有效細胞手術系統(tǒng)能夠精確地操作和控制單個細胞的位置和姿態(tài)角，同時可以處理大批量細胞以增加操作精度，實驗數(shù)據(jù)的吞吐量和實驗結果的可靠性，這些都進一步阻礙了單細胞手術研究進步。本文中，建立了一個集成機器人光鑷的細胞手術系統(tǒng)能夠實現(xiàn)批量細胞同時操控，以及單細胞位置和方位角的精確控制，其中光鑷可

2、以看做是機器人受控的末端執(zhí)行器進行捕獲和操作生物細胞。本文從以下三個方面進行展開。
　　首先，建立了一個自治控制系統(tǒng)實現(xiàn)細胞位置的精確控制。該控制策略保證了被捕獲的細胞能夠始終保持在光鑷中心附近的小鄰域內，從而確保在整個操作過程中細胞能夠穩(wěn)定的光捕獲?；诒还忤囀`的細胞動力學方程，提出了一個簡單的飽和PID控制器實現(xiàn)細胞位置的漸近調控。該控制策略不精確依賴于細胞動力學模型參數(shù)和細胞速度的測量。最后實驗驗證所提控制策略的有效性。<

3、br>　　其次，利用機器人光鑷細胞操縱系統(tǒng)，結合全息光鑷(HOTs)技術，建立了多組細胞移動配對框架。所提的細胞配對方法是基于人工勢場函數(shù)和同心圓思想。設計了特定的人工勢能場函數(shù)用于驅動多組細胞到達期望的拓撲，同時避障。根據(jù)光鑷俘獲細胞的動力學方程，設計了基于人工勢能場函數(shù)的控制器來驅動多組細胞分別到達各自的圓。利用同心圓的對稱性，自動實現(xiàn)多組細胞配對控制，同時配對的細胞間距是可控的，配對細胞的間距依賴于同心圓的拓撲結構。用酵母菌細胞實

4、驗來闡釋本文所提的細胞配對方法的有效性。
　　最后，本文利用受控的機器人光鑷平臺，研究了動態(tài)建模和控制多自由度細胞旋轉。采用機器人控制的全息光鑷產(chǎn)生的兩個光阱來實現(xiàn)細胞旋轉。首先建立了廣義的細胞運動動力學模型，該模型涵蓋了細胞旋轉運動動力學方程。利用T-matrix方法來計算建模光鑷，標定了光鑷施加給細胞的力矩與其在在細胞內坐標的關系。建立的視覺追蹤框架可以提取細胞旋轉過程中的方位角和角速度。根據(jù)簡化的多自由度細胞旋轉的動力學模型

5、，設計了視覺反饋控制器實現(xiàn)細胞像平面內和像平面外旋轉操作。選取具有特征點的酵母細胞進行旋轉操控實驗來驗證本文所提方法的有效性。
　　概括來說，基于機器人光鑷細胞手術控制系統(tǒng)能夠提供強有力的平臺實現(xiàn)細胞位置和方位角精確控制，以及多細胞同時操控任務。自治的細胞位置控制系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)細胞操作過程在穩(wěn)定的光鑷捕獲，而且是依賴于細胞位置的細胞手術應用或是相關的生物醫(yī)學工程領域最基本最重要的操作技術。多組細胞配對操作很大程度上提高操作效率和