基于多光镊的细胞三维位姿精确操控机理与方法研究

3D cell pose manipulation technology is the key of many biomedical applications, such as assisted reproductive and stem cells research. This project aims to develop a multiple optical tweezers based 3D cell pose manipulation system with integration of the robotic technology and optical tweezers system. Firstly, both the dynamic and kinematics models of the target cell under multiple optical traps are investigated, based on which, an optimal traps configuration scheme and a multiple optical manipulator cooperative control approach are then developed. By incorporating with a binocular vision model based cell posture measurement system, a robot-aided optical manipulation system is then developed for the 3D cell pose control. The proposed robot-aided optical cell pose manipulation system would be a breakthrough for the development of cell surgery.

细胞三维位姿的精确操控技术是人工辅助生殖以及干细胞研究等生物医学研究的关键技术，直接关系到细胞手术的成败。本课题针对细胞三维位姿精确操控这一难点问题，综合运用机器人技术与多光镊技术，开展基于多光镊的细胞三维位姿精确操控研究。首先从多光镊-被操控细胞的耦合作用机理出发，建立多光镊耦合作用下被操控细胞的动力学与运动学模型，进而研究多光镊优化配置策略以及协调控制算法，结合双目视觉的细胞三维位姿实时反馈与预测，实现细胞三维位姿的精确操控，为细胞精确操控技术的发展提供新的理论和方法，促进人工辅助生殖、干细胞研究等细胞工程相关领域的发展。

细胞三维位姿的精确操控技术是人工辅助生殖以及干细胞研究等生物医学研究的关键技术，直接关系到细胞手术的成败。本课题针对细胞三维位姿精确操控这一难点问题，综合运用机器人技术与多光镊技术，开展了基于多光镊的细胞位姿精确操控研究。首先从多光镊-被操控细胞的耦合作用机理出发，建立多光镊耦合作用下被操控细胞的动力学与运动学模型，进而研究多光镊优化配置策略以及协调控制算法，结合机器视觉的细胞三维位姿实时反馈与预测，在此基础上，研究了利用多光镊对细胞位姿的精确快速操控方法，为细胞精确操控技术的发展提供新的理论和方法，促进人工辅助生殖、干细胞研究等细胞工程相关领域的发展。项目开展过程中，共发表SCI/EI论文13篇，其二区以上SCI论文5篇，含advanced materials, automatica 等领域顶级期刊；授权发明专利5项，培养研究生4人，依托本项目成果获得苏州市自然科学优秀论文二等奖一项。在该项目支持下，为下一阶段利用磁控微机器人进行细胞操控的技术可行性进行了前期探索，取得了一定的进展，成功申请并获批国家自然科学基金面上项目1项。