面向细胞显微操作的电热驱动柔顺机构动态优化设计与主动控制研究

The cell micromanipulation is an advanced topic of high technologies combining mechanical, electrical, biological and medical sciences. The widely used vacuum-absorption-based micropipette proves to be difficult in manipulation and results in high failure rates. The current micro-gripper is confined to the static design of flexible structure and the process of micromanipulation cannot be controlled efficiently. This cannot meet the requirement in functions and performances for cell micromanipulation.. This project focuses on the optimal dynamic design and active control of high performance electro-thermal actuated compliant mechanism for cell micromanipulation, aiming at a promotion from the simple cell gripping to the fine cell micromanipulation. In order to enhance the functions and improve the performances, a comprehensive study is proposed in the dynamic design of electro-thermal actuators, optimal design of compliant mechanism and active control strategy for micromanipulation. Useful theories and methods are presented in modelling, analyzing, designing, manufacturing, controlling and experimenting. This project is not only significant in stimulating mutual development of compliant mechanisms and micromanipulations, and further improving the research quality, but also valuable in wide applications in fields related to MEMS, life and medical sciences.

细胞显微操作是机械、电子、生物及医学等多学科交叉融合的高科技前沿领域，目前广泛采用的传统吸管操作难度大、失败率高，而微夹持器的操作功能单一，精度较低，研究局限在柔性结构静态设计的初级水平，不能对微操作过程进行有效控制，因此，在功能和性能上都不能满足细胞显微操作的要求。.本项目提出面向细胞显微操作的高性能电热驱动柔顺机构动态优化设计与主动控制研究，旨在实现从简单细胞夹持到精细显微操作这一功能和性能上的提升，主要围绕电热驱动结构动态设计、柔顺机构优化设计和显微操作过程主动控制三方面问题展开系统和深入的研究，从建模、分析、设计、研制、控制到实验研究形成一整套理论和方法，全面提高和改善显微操作系统的功能和性能。此项研究不仅对丰富柔顺机构学及微操作领域研究内容，提高研究水平，促进相关学科交叉融合发展具有重要的理论意义和学术价值，而且在微机电系统、生命科学及医学等领域中具有广阔的应用。

为实现从简单细胞夹持到精细显微操作这一功能和性能上的提升，本项目将电热驱动器、柔顺机构和过程控制三个关键环节有机整合到了一起，围绕细胞显微操作的电热驱动柔顺机构动态优化设计与主动控制展开了深入、系统的研究，建立了V型和Z型两种电热微驱动器的静态及动态建模、特性分析与结构设计方法，加工、制作出了高性能电热驱动器；建立了显微操作柔顺机构的4自由度和5自由度伪刚体运动模型及动力学模型，设计并研制出了新型柔顺铰链及夹钳机构；开发出了一套细胞显微操作平台软硬件系统，提出了显微细胞操作位置及阻抗控制策略，实现了斑马鱼鱼卵细胞自动夹持、转移、穿刺和释放显微操作实验。本项目研究建立了一套适用于细胞显微操作的电热驱动柔顺机构系统建模、分析、设计、研制、控制到实验研究的理论和方法，从驱动装置、执行机构和控制策略三个层面全面提高和改善了显微操作系统的功能和性能，丰富了机械学及显微操作领域相关研究内容，促进了相关学科交叉发展。