面向细胞局部精准置换的自动纳米操控方法研究

Nano manipulation has become a research focus during the past years. Unfortunately, currently existing nano manipulation systems present such problems as high operation complexity, low success rate, low efficiency, and so on, which make them unsuitable for batch manipulation. For the emerging research topic of cell parts replacement, this project aims to successfully combine the recently developed cross-scale, fast AFM system with the self-built micro-manipulation robot, and deeply study the cross-scale platforms based high-performance nano manipulation methods, with the emphasis on how to enhance the manipulation precision and efficiency of the AFM-based nano manipulation system, so as to provide solid foundation for cell parts replacement. To this end, this project will study the key technologies related with automatic nano manipulation method, mainly including: target cell searching and stirring algorithm design, AFM probe precise positioning strategy development for cell parts operation, accurate manipulation methods design for such elastic bodies as cells, real-time display for the nano manipulation process by the utilization of augmented reality techniques, typical applications oriented experimental study, and so on. This project is of both scientific importance and promising application prospect. The research results can boost further applications of AFM and micro-manipulation technologies on such fields as material science, life science, chemistry, nano technology/science, and so on. It can also provide solid theoretical basis and much technological accumulation for the development of nano-scale manufacturing system with high degree of automation.

纳米操作是当前的研究热点，而现有的纳米操作系统面临操作复杂，成功率低，效率低下等一系列问题，难以进行批量化操作。本项目针对细胞局部置换这一新兴研究领域，基于现有的跨尺度AFM平台和微操作机器人系统，深入研究基于跨尺度平台的高性能纳米操控方法，重点提高AFM纳米操作系统的操作精度和操作效率，为实现细胞的局部替换操作等奠定基础。为此，本项目将对自动纳米操控所涉及的关键技术进行深入研究，主要研究内容包括：目标细胞的搜索与拨转，面向细胞局部操作的探针精确定位策略，面向细胞弹性体的精准操作方法研究，基于增强现实技术的纳米操作过程实时呈现，典型应用实验研究。这项工作具有很好的科学意义和良好的实际应用前景，其研究成果也可以促进AFM和微操作技术更好地应用于材料，生物，化学，纳米等科技领域，为实现具有较高自动化程度的纳米制造系统提供理论依据和技术积累。

原子力显微镜作为一种先进的纳米观测工具，在纳米操作领域发挥着重要作用，为更好地认知微观世界，探索物质的本质特性提供了有力支撑。然而，基于原子力显微镜的纳米操作技术，仍然面临着操作复杂、成功率低、效率低下、缺乏实时视觉反馈等问题，进而制约了纳米操作技术的进一步发展和应用。为此，本项目针对面向细胞局部精准置换的自动纳米操控方法展开了深入研究，设计并实现了自动化程度较高的纳米操作系统，并分别在原子力显微镜成像性能提升、细胞自动化搜寻和定位、原子力显微镜探针定位、操作过程可视化、细胞实验等方面开展了大量研究工作，从而提高了纳米操作的精度和自动化程度。具体而言，课题组首先搭建了包含原子力显微镜、光学显微镜、高性能相机、力反馈设备、嵌入式控制器、可视化界面等组件的纳米操作系统，为实现自动化纳米操作提供了软硬件支持。随后，在细胞自动化搜寻和定位方面，课题组提出了针对细胞及其局部特征区域的自动化检测算法，实现了对目标的快速搜寻和自动化定位。在原子力显微镜探针定位方面，课题组针对压电驱动器的迟滞非线性等特性展开了研究，设计了基于门控循环单元等迟滞模型的补偿算法，消减了驱动器非线性对定位精度的影响，并在此基础上设计了自适应控制器等先进跟踪控制策略，实现了探针的准确定位。此外，针对纳米操作过程缺乏实时视觉反馈的问题，课题组结合力反馈设备和增强现实技术，通过对样品形变进行建模，实现了纳米操作过程的可视化。最后，课题组针对上述研究内容进行了大量实验验证，重点开展了细胞菌落全局形貌和局部特征构建、细胞精准注射和抽取、细胞机械特性快速检测、高精度纳米刻画等研究工作，从而有效提升了纳米操作的效率和自动化程度。本项目的开展拓宽了原子力显微镜在纳米操作领域的应用范畴，为生命科学、医学、材料科学等领域的研究提供思路，因此具有重要的理论意义和良好的应用价值。