藻类细胞机器人协同作业研究

With the abilities of perception and driving, algal cells can be seen as microrobots from the view of engineering. However, the ability of a single algal robot is very limited. If we can realize site-specific, quantitative assembly between algal robots and the manipulated objects, and use algal robots perform tasks collaboratively, biomedicine and micro-nano manufacturing will all benefit from it. In this project, in order to solve the challenges and problems of algal robots collaboration, the movement mechanism and dynamics model of algal robots will be studied from the perspective of bioengineering. The assembly mechanism between algal robots and manipulated objects will be unveiled. Furthermore, the site-specific, quantitative assembly method and optimal model will be developed. Then the effective release method will be studied, the manipulated objects can be accurately and quickly released at the destination by algal robots, and the algal robots can be recycled and reused. The automatic system of algal robots collaboration will be established, the manipulated objects can be effectively assembled, controllably transported and accurately released at the destination by algal robots. Through this research work, the fundamental biological mechanisms of algal cells will be unveiled. Furthermore, it is probable to bring significant breakthrough in the fields of biological collaboration and new biological energy.

藻类细胞具有感知和驱动能力，从工程学角度来说它们可以看作一个个微型机器人。然而单个藻类细胞机器人的作用能力非常有限，如果能实现藻类细胞机器人和被操作对象的定点、定量装配，利用藻类细胞机器人协同作业，必将在生物医疗、微纳制造等领域发挥重要作用。本课题将针对藻类细胞机器人在协同作业研究方面面临的挑战和问题，从生物工程学的角度出发，研究藻类细胞机器人的运动机理及动力学模型。揭示藻类细胞机器人和被操作对象的装配机理，发展被操作对象与藻类细胞机器人定点、定量装配方法及最优化模型。研究藻类细胞机器人对被操作对象的有效释放方法，实现被操作对象的快速、精准释放，以及回收和再次使用藻类细胞机器人。构建自动化的藻类细胞机器人协同作业系统，实现藻类细胞机器人对被操作对象有效装配、可控传输以及精准释放一体化功能。本项目的开展将揭示藻类细胞更多生物学本质规律，并有望在生物协同作业和新型生物能源方面带来重要突破。

微生物机器人由于具备常规机电系统所不具备的独特优势而得到广泛关注，然而单个微生物机器人的作用能力非常有限，要想利用微生物机器人来开展药物传输、微纳制造等作业任务，协作是一种极其重要的途径。在微生物机器人协同作业研究方面，目前仍然面临微生物机器人群体和被操作对象盲目性装配、运动可控性差、作业效率低下等问题。本项目从生物工程学的角度出发，阐明了藻类细胞机器人的运动机理，研究了藻类细胞机器人运动轨迹、速度、驱动力、转矩等动力学参数，分析了藻类细胞机器人在不同溶液介质中的运动特性随时间变化规律。结合藻类细胞自身特点，研究了藻类细胞机器人和被操作对象的装配、释放机理，发展了基于光诱导介电泳技术以及特异性粘附技术的藻类细胞机器人与被操作对象可控装配方法。构建了藻类细胞机器人协同作业系统，实现了藻类细胞机器人对被操作对象可控装配、传输以及释放，同时利用藻类细胞机器人协同驱动，实现了被操作对象的旋转运动，旋转速度相对于单个藻类细胞机器人驱动得到一定提升。该项目为微生物机器人协同作业提供了一种新的思路和方法，对进一步扩展微生物机器人应用领域具有重要的理论和实际意义。