機(jī)器人輔助生物細(xì)胞光學(xué)操作中運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.pdf

1、分子和細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)中發(fā)展最迅速且最具廣泛影響力的前沿學(xué)科之一。光鑷建立在光的輻射壓基礎(chǔ)上，通過(guò)激光形成的三維全光學(xué)勢(shì)阱，產(chǎn)生pN量級(jí)的微小操作力，可對(duì)生命狀態(tài)下微米到納米量級(jí)的生物細(xì)胞、大分子及基因等活體物質(zhì)進(jìn)行無(wú)傷精確操作。光鑷用于操控和研究微小活體單位的行為，在細(xì)胞分類(lèi)，細(xì)胞特性檢測(cè)，細(xì)胞融合，胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)、生物蛋白肌動(dòng)力測(cè)量及DNA顯微解剖等問(wèn)題上，取得了開(kāi)創(chuàng)性成果。最近，越來(lái)越多的研究熱點(diǎn)集中在將機(jī)器人技術(shù)和生物工程技

2、術(shù)與先進(jìn)的光鑷系統(tǒng)融合。感興趣的生物細(xì)胞經(jīng)過(guò)捕獲，移動(dòng)到用戶(hù)指定的目標(biāo)位置，而且在此過(guò)程中如何避開(kāi)存在于工作區(qū)域內(nèi)的障礙細(xì)胞或其他障礙顆粒，這恰恰是一個(gè)典型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課題。如何拓展機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃應(yīng)用到微觀(guān)領(lǐng)域，找出一條到目標(biāo)點(diǎn)的路徑顯得尤為重要。而且在細(xì)胞運(yùn)送過(guò)程中，細(xì)胞所吸收的激光能量也需要特別注意。
　　 本論文基于光鑷應(yīng)用的背景，建立了臺(tái)式光鑷生物細(xì)胞操作系統(tǒng)，利用機(jī)器人自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)，針對(duì)細(xì)胞移動(dòng)和運(yùn)送，提出一種機(jī)

3、器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了生物細(xì)胞在運(yùn)送過(guò)程中細(xì)胞的自動(dòng)壁障功能和功率吸收的最小化。本研究主要有以下三個(gè)方面組成:
　　 首先，我們通過(guò)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)與光鑷操作系統(tǒng)的融合，提出了一種實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞自動(dòng)運(yùn)送的新型方法，首次將基于快速搜索隨機(jī)樹(shù)的路徑規(guī)劃方法應(yīng)用到生物活體細(xì)胞的運(yùn)輸中。通過(guò)在穩(wěn)定的酵母菌細(xì)胞水溶液中自動(dòng)運(yùn)輸選定酵母菌細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)，闡述了這種方法的實(shí)效性。
　　 其次，考慮到生物細(xì)胞在水溶液中的布朗運(yùn)動(dòng)特性對(duì)細(xì)胞

4、環(huán)境的影響，我們提出一種基于實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法，來(lái)躲避復(fù)雜環(huán)境中因布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)障礙。通過(guò)在不同溶液環(huán)境中的酵母菌細(xì)胞運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種方法在復(fù)雜動(dòng)態(tài)溶液環(huán)境中的實(shí)效性。此外，通過(guò)將三維細(xì)胞運(yùn)輸拆分為兩個(gè)二維細(xì)胞運(yùn)輸過(guò)程的方法，我們將這種應(yīng)用于二維空間的路徑規(guī)劃方法，拓展到三維細(xì)胞運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用中。
　　 最后，我們對(duì)細(xì)胞運(yùn)輸過(guò)程中的細(xì)胞光學(xué)能量吸收問(wèn)題進(jìn)行了初步的研究。通過(guò)對(duì)光鑷捕獲的細(xì)胞建立能量吸收模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)