压电驱动器辅助的细胞精准操作方法研究

Cell manipulation is an important research methodology in life science. The frontier research on cell manipulation has reached the sub-cellular level. As a result, the cell manipulation system should achieve sub-micron to nanometer positioning accuracy in the millimeter scale working distance. For the feeding mechanism, the positioning accuracy of motor-based mechanisms cannot satisfy this requirement. There is an urgent need to improve the positioning accuracy of the overall system via the utilization of high-precision actuation methods. In terms of visual feedback, the inverted microscope cannot provide real-time updated global maps and thus it is impossible to dynamically sense the change on the working area during cell manipulation process. This increases the difficulty during batch manipulations on multiple cells. In addition, the conventional cell penetration method lacks enough accuracy and always exert undesired damage to cells. This proposal aims to introduce the piezo-based actuation into the cell manipulation. The research objective is to improve the performance of the cell manipulation system so as to facilitate the span-scale precise cell manipulation. The specific research contents are given as follows: 1) Span-scale high-precision positioning based on the "piezo actuator and motor" combined feeding mechanism, 2) Precise cell penetration with amplified vibration amplitude using piezo-based ultrasonic horn, and 3) the adaptive hysteresis compensation based on the direct inverse modeling approach. The research outcomes of this proposal will function as a sound technical basis for the implementation of precise cell manipulations, e.g., somatic cell nuclear transplant. In the meantime, the research outcomes in the control of piezoelectric actuators can also be transferred to other micro-nano manipulation systems, enabling excellent applicability.

细胞操作是生命科学重要的研究手段，前沿的细胞操作研究已经进入了亚细胞水平，这需要细胞操作系统能够在毫米的运动范围内实现亚微米至纳米级的定位精度。在进给装置方面，电机的定位精度已经不能满足要求，必须利用更高精度的驱动方式来提高系统的定位精度。在视觉反馈方面，显微镜无法提供实时更新的全局地图，不能实时感知工作场景的变化，不利于批量细胞的操作。此外，常规的细胞破膜方法不够精准，对细胞造成的损伤大。本项目拟将压电驱动引入细胞操作系统，面向跨尺度精准操作，全面提升细胞操作系统的性能。研究内容是：1）基于“压电陶瓷-电机”复合进给的跨尺度精准定位、2）基于压电超声变幅杆振动放大机制的细胞精准破膜方法、3）基于直接逆模型法的压电陶瓷迟滞自适应补偿。本项目研究成果可以为实现体细胞核移植等精准细胞操作奠定良好的技术基础；同时，在压电陶瓷控制方面的研究成果也可以移植到其它微纳操作系统中，具有很好的应用前景。

本项目面向细胞精准操作，研制了包括电机宏定位+压电陶瓷微定位+超声换能器精准破膜的细胞微纳操作系统样机；并提出了一系列高精度迟滞建模与补偿方法，有效提升了系统的运动精度。本项目共完成以下3项内容的研究：.(a) 基于“压电陶瓷-电机”复合进给的跨尺度精准定位：研制了“宏微倒置”式的跨尺度微纳定位平台，微平台采用四组压电陶瓷驱动器绕中心平台垂直分布，实现中心平台在X/Y轴上的往复运动，并消除宏平台的定位误差；搭建了宏微双光路显微镜，实现了毫米级全局视野与微米级显微视野的同步获取，并提出了基于SIFT特征的平面微纳定位平台的三自由度微动测量。.(b) 基于压电超声变幅杆振动放大机制的细胞精准破膜方法：设计了二级变幅夹心结构细胞破膜微操作压电超声换能器；开展了细胞破膜用针横向、纵向振动输出的影响因素与相关规律研究，完成了换能器持针结构的设计与优化；深入研究了夹持法兰柔性的影响规律，建立了优化设计方法，显著提升了压电超声换能器的超声能量传输效率；试制了一系列细胞破膜压电超声换能器样机，自主研制了换能器驱动功放，开发了换能器多传感信号采集系统，搭建细胞破膜实验平台；为细胞破膜压电超声换能器的谐振频率跟踪和稳态振幅控制奠定了坚实基础。.(c) 基于直接逆模型法的压电陶瓷迟滞自适应补偿：利用NARX神经网络模型，有效提升了迟滞模型的建模精度与带宽；提出了直接逆模型法，通过测量数据直接获得逆迟滞补偿，突破了常规方法先建模再求逆的局限；提出了直接逆模型法与自适应控制相结合的迟滞在线补偿方法，分别验证了递推最小二乘法、多层前馈神经网络和自适应卡尔曼滤波器的迟滞补偿效果，提高了定位平台的轨迹跟踪能力，减少控制过程中对操作人员经验和技巧的依赖。.项目主要研究成果：发表/录用学术论文11篇，其中SCI检索论文6篇，EI检索论文5篇；申请发明专利3项、软件著作权1项；培养博士研究生2名，硕士研究生9名，其中已毕业5人。