面向多样化低损伤生物微操作的精准振动模拟与微流体激励研究

Understanding the pathogenesis and developing the methods of diagnosis & treatment of human disease through analysis of the bio-targets in micro scale is one of the main research methods in biomedical research. Multiple micromanipulations, such as immobilization, transportation and rotation, are essential in the observation, single cell operation & assembly, injection & enucleation of egg cells. However, the existing contact methods or non-contact methods utilizing electric, magnetic and optical field force cannot realize the multiple micromanipulations, and could cause damage to the cells and other bio-targets in micro scale. Thus, in biomedical research area, a multifunctional noninvasive micromanipulation method is desired..Our project plans to design a biomimetic serial-parallel micromanipulator with ultra-high speed and extensive workspace, which can be applied to generating multimode vibration precisely. The vibration will be used to induce microflow in open fluidic environment, and the flow is expected capable of driving the micro bio-targets to transport and rotate in 3D space. Based on the proposed method and computer vision technology under optical microscope, we will realize the robotic positioning & orientation of the bio-targets, and finally apply it to the 3D observation & reconstruction of the cell spheroid and injection & enucleation of egg cells. This project is expected to provide a new multifunctional noninvasive micromanipulation method and a universal robotic micromanipulation platform in biomedical area.

在微尺度下以细胞等微小生物目标为对象，研究人类疾病致病机理、寻找疾病治疗手段，是当今生物医学领域最主要的研究手段之一。在微小生物目标观测、单细胞操作与组装、卵细胞注射与去核中，涉及到捕获、移动、旋转等多种操作。然而，无论是接触式微操作还是基于电、磁、光等能量场的非接触式操作，功能单一，且会给细胞等生物目标带来损伤。因此，生物医学领域亟需一种多样化、低损伤的生物微操作方法。. 本项目拟基于仿生学原理设计具有串并联复合结构的超高速、大行程微纳操作手，精准模拟多种模式的振动。在分析微尺度下固液耦合机理的基础上，利用振动在开放液相环境中所激励的微流体驱动目标在三维空间内移动、旋转。同时结合显微镜下的计算机视觉技术实现机器人化的生物目标三维位姿控制，并应用于细胞球三维观测与重建、卵细胞注射/去核等操作中。为生物医学领域提供一个新型多样化、低损伤的微操作方法，以及一个通用的机器人化微操作平台。

使用微操作技术对细胞等微小生物目标进行研究已成为生物医学领域了解生命本质和解决问题的基本途径。在克隆的早期阶段、临床体外受精和干细胞研究中，需要对生物目标进行去核、注射和三维观测等操作。在这些操作中，需要保持生物目标的活性，并且很好地控制细胞的位置和方向。目前研制的由线性驱动器或能量场力驱动的微机械臂，便于单细胞的固定和运输，但很少能同时实现微尺度的旋转等操作，特别是包括面外旋转和面内旋转的三维旋转。因此，在生物医学领域迫切需要一种面向生物目标的多样化、低损伤微操作方法。..本项目基于仿生学原理，由人类手臂串并联复合结构启发，设计了一种具有串并联复合结构兼顾操作精度、速度以及工作空间的微纳操作手，实现对于具有不同振动频率、振幅以及振动轨迹的多模式振动精准模拟。通过对微尺度下固液耦合机理分析，建立完整的末端执行器-液相环境-被操作目标三者之间的交互控制模型，提出了利用振动激励的微流体在开放环境中驱动微目标的多样化、低损伤操作方法。结合显微视觉技术构建了面向生物目标三维位姿调整的微操作机器人系统，实现机器人化的生物目标三维位姿控制，并应用于细胞球的三维观测与重建，验证了所提出的多样化、低损伤微操作方法的可靠性。通过该项目研制出面向精准振动模拟的超高速大行程微纳操作手，提供一个新型多样化、低损伤的微操作方法，以及一个通用的机器人化微操作平台，有望在生物医学领域发挥重要作用。