機器人輔助生物細胞光學操作中運動規(guī)劃.pdf

1、分子和細胞生物學是生命科學中發(fā)展最迅速且最具廣泛影響力的前沿學科之一。光鑷建立在光的輻射壓基礎上，通過激光形成的三維全光學勢阱，產(chǎn)生pN量級的微小操作力，可對生命狀態(tài)下微米到納米量級的生物細胞、大分子及基因等活體物質(zhì)進行無傷精確操作。光鑷用于操控和研究微小活體單位的行為，在細胞分類，細胞特性檢測，細胞融合，胚胎干細胞培養(yǎng)、生物蛋白肌動力測量及DNA顯微解剖等問題上，取得了開創(chuàng)性成果。最近，越來越多的研究熱點集中在將機器人技術和生物工程技

2、術與先進的光鑷系統(tǒng)融合。感興趣的生物細胞經(jīng)過捕獲，移動到用戶指定的目標位置，而且在此過程中如何避開存在于工作區(qū)域內(nèi)的障礙細胞或其他障礙顆粒，這恰恰是一個典型的機器人運動控制課題。如何拓展機器人運動規(guī)劃應用到微觀領域，找出一條到目標點的路徑顯得尤為重要。而且在細胞運送過程中，細胞所吸收的激光能量也需要特別注意。
　　 本論文基于光鑷應用的背景，建立了臺式光鑷生物細胞操作系統(tǒng)，利用機器人自動化相關技術，針對細胞移動和運送，提出一種機

3、器人運動規(guī)劃方法，實現(xiàn)了生物細胞在運送過程中細胞的自動壁障功能和功率吸收的最小化。本研究主要有以下三個方面組成:
　　 首先，我們通過機器人路徑規(guī)劃技術與光鑷操作系統(tǒng)的融合，提出了一種實現(xiàn)活體細胞自動運送的新型方法，首次將基于快速搜索隨機樹的路徑規(guī)劃方法應用到生物活體細胞的運輸中。通過在穩(wěn)定的酵母菌細胞水溶液中自動運輸選定酵母菌細胞的實驗，闡述了這種方法的實效性。
　　 其次，考慮到生物細胞在水溶液中的布朗運動特性對細胞

4、環(huán)境的影響，我們提出一種基于實時在線監(jiān)測的動態(tài)路徑規(guī)劃方法，來躲避復雜環(huán)境中因布朗運動導致的動態(tài)障礙。通過在不同溶液環(huán)境中的酵母菌細胞運輸實驗，驗證了這種方法在復雜動態(tài)溶液環(huán)境中的實效性。此外，通過將三維細胞運輸拆分為兩個二維細胞運輸過程的方法，我們將這種應用于二維空間的路徑規(guī)劃方法，拓展到三維細胞運輸?shù)膽弥小?br>　　 最后，我們對細胞運輸過程中的細胞光學能量吸收問題進行了初步的研究。通過對光鑷捕獲的細胞建立能量吸收模型，實現(xiàn)運