面向胚胎显微操作的光磁双驱细胞原位快速操控与柔性定位研究

In-situ cell pose manipulation and holding technology is the key for early embryo research. It is the reason that the cell micro-injection system unable meeting the clinical needs. This project aims to solve the challenging by using micro-robots actuated by both of the optical tweezers and magnetic field. Firstly, the grasping model of the embryo is established, based on which, a self-assembled micro-manipulation tool is developed. By establishing the dynamic models of micro-robots under the optical and magnetic fields, a cooperative control scheme is proposed to drive multiple micro-robots to form a formation following the configuration of the micro-manipulation tool firstly, and then to drive the embryo to the desired pose with high speed. Meanwhile, through control both of the optical and magnetic fields, the micro-manipulation tool achieves flexible holding of the embryo cell by balance the injection force dynamically during micro-injection. The proposed in-situ embryo cell fast manipulation and flexible holding approach would be a breakthrough for early embryo research and automatic micro-injection system.

胚胎细胞原位快速精确操控与定位技术的不足，是胚胎细胞自动化显微操作系统迟迟无法走入临床的主要原因。本课题面向胚胎显微操作的特殊要求，针对胚胎细胞原位操控与定位的难点问题，提出快速光操纵与柔性磁定位相结合的胚胎细胞原位操纵与定位的总体解决思路。从微尺度环境下胚胎细胞的多指抓取模型入手，研究胚胎细胞微操纵工具构建方法；分析光磁耦合作用下微机器人运动机理，建立光磁耦合作用下微机器人动力学模型，提出光磁双驱微机器人及其驱动磁场的设计方法；研究多光镊优化配置策略及协调控制方法，控制多个微机器人自组织成胚胎细胞微操纵工具，实现对细胞位姿的快速精确操控；通过光场磁场协调控制，操控细胞微操纵工具对胚胎细胞施以动态反力平衡显微注射破膜力，实现胚胎细胞的柔性定位，为胚胎细胞显微操控技术的发展提供新的思路及方法，加速胚胎显微操作的全自动化实现并推动其临床应用。

本课报告面向胚胎显微操作的特殊要求，针对胚胎细胞原位快速操控与定位的难点问题，从磁性功能液态金属入手，阐明了液态金属微机器人的光、磁、电多能场耦合驱动机理及模型，研究了多能场耦合驱动的液态金属微机器人设计制备方法；提出了微机器人（集群）协调控制方法，构建了多能场融合的微机器人操作系统，成功实施了细胞的精确位姿态操控以及离体组织的靶向给药任务。.研究的创新点有：1）提出了磁性功能液态金属，构建了液态金属多场耦合驱动机理及模型，突破了生物活体内液态金属能控性难题；2）提出了场控微机器人柔性操控新方法，实现了多能场融合的微机器人高速精确操控；3）提出了液态金属集成封装新方法，突破了液态金属驱动环境的限制，实现了新型液态金属微机器人的在微操作及微机器人领域的工程应用。.依托本项目，第一/通讯作者发表SCI/EI论文14篇，其中SCI论文10篇（SCI一区6篇，二区2篇，三区2篇）；授权发明专利8项，实用新型2项；获批软件著作权2项；获得2021年度中国机器人应用创新奖，迪十六届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛全国一等奖。本项目研发的多款3-6自由度的微纳米机器人；单个微机器人运动精度为1微米；多能场耦合的微机器人驱控系统的微操作成功率>99%。培养研究生4人，达到合同规定指标。.研究立足前沿，面向生物、医学研究中的迫切需求，融合多项先进技术，为胚胎细胞显微操控技术的发展提供新的思路及方法，有利于加速辅助生殖、克隆以及基因编辑等胚胎显微操作的全自动化实现并推动其临床应用。