面向单细胞超微尺度力学特性表征的微纳操作与测量研究

As the basic unit of life, single cell’s mechanical property characterization at sub-cellular is significant for the understanding of the cell activities and the life mechanism. However, force characterization at sub-cellular level is a big challenge for current techniques owing to the microscopy system and the manipulation method. This proposal aims to propose a new method for single cell mechanical property characterization at sub-cellular level by combining the environmental scanning electrical microscopy (ESEM) and micro-nano manipulation systems together. First, the micro objects will be detected and located from the ESEM image by building an online compensation model based on the real-time ESEM vision and the manipulation environmental recognition. Then, the collaboration strategy of two micro-nano robotic manipulators will be studied to accomplish the single cell mechanical property measurement tasks at sub-cellular level. Finally, the relationship between the cell’s mechanical property and the ESEM image changing will be illustrated via the mathematic model. Therefore, the single cell’s mechanical property characterization at sub-cellular level will be achieved. This proposal provides a new method for single cell analysis at sub-cellular level and it will help us to understand the single cell’s mechanism better, which are significant for the research in micro-nano and biomedical engineering fields.

单细胞作为生命的基本单位，其超微尺度的力学特性是当前研究中的一个重点和难点问题，然而受到显微镜观测系统和操作系统的限制，现有方法无法实现对单细胞超微尺度力学特性的测量，一定程度上制约了单细胞的深入研究。本项目旨在提出环境扫描电子显微镜（ESEM）与双微纳操作器相结合的超微尺度力学柔性测量方法，结合ESEM视觉与微纳操作环境的识别，建立微纳非结构环境下的图像定位在线补偿模型，实现样品的在线识别和三维精确定位；提出面向多任务序列的双微纳机器人协同合作策略，实现基于定位补偿模型反馈的视觉伺服控制，解决单细胞表面的力学特性逐点高精度柔性测量的问题；进而，研究单细胞超微尺度力学测量模型，建立不同力学行为与显微镜动态图像之间的实时对应关系，解决单细胞超微尺度的力学特性图像动态表征的问题。本研究为更深层次探索单细胞机理提供理论和技术支持，对促进我国微纳操作和生物工程等相关领域的发展具有重要的研究意义。

单细胞作为生命的基本单位，其超微尺度的力学特性是当前研究中的一个重点和难点问题，然而受到显微镜观测系统和操作系统的限制，现有方法无法实现对单细胞超微尺度力学特性的测量，一定程度上制约了单细胞的深入研究。本项目旨在提出环境扫描电子显微镜（ESEM）与双微纳操作器相结合的超微尺度力学测量方法，结合ESEM视觉与微纳操作环境的识别，建立微纳非结构环境下的图像定位在线补偿模型，实现样品的在线识别和三维精确定位；提出面向多任务序列的双微纳机器人协同合作策略，实现基于定位补偿模型反馈的视觉伺服控制，解决单细胞表面的力学特性逐点高精度柔性测量的问题；进而，研究单细胞超微尺度力学模型，建立不同力学行为与显微镜动态图像之间的实时对应关系，解决单细胞超微尺度的力学特性图像表征的问题。本研究为更深层次探索单细胞机理提供理论和技术支持，对促进我国微纳操作和生物工程等相关领域的发展具有重要的研究意义。