机器人辅助生物细胞光学操作中运动规划

摘要

分子和细胞生物学是生命科学中发展最迅速且最具广泛影响力的前沿学科之一。光镊建立在光的辐射压基础上，通过激光形成的三维全光学势阱，产生pN量级的微小操作力，可对生命状态下微米到纳米量级的生物细胞、大分子及基因等活体物质进行无伤精确操作。光镊用于操控和研究微小活体单位的行为，在细胞分类，细胞特性检测，细胞融合，胚胎干细胞培养、生物蛋白肌动力测量及DNA显微解剖等问题上，取得了开创性成果。最近，越来越多的研究热点集中在将机器人技术和生物工程技术与先进的光镊系统融合。感兴趣的生物细胞经过捕获，移动到用户指定的目标位置，而且在此过程中如何避开存在于工作区域内的障碍细胞或其他障碍颗粒，这恰恰是一个典型的机器人运动控制课题。如何拓展机器人运动规划应用到微观领域，找出一条到目标点的路径显得尤为重要。而且在细胞运送过程中，细胞所吸收的激光能量也需要特别注意。
　　 本论文基于光镊应用的背景，建立了台式光镊生物细胞操作系统，利用机器人自动化相关技术，针对细胞移动和运送，提出一种机器人运动规划方法，实现了生物细胞在运送过程中细胞的自动壁障功能和功率吸收的最小化。本研究主要有以下三个方面组成:
　　 首先，我们通过机器人路径规划技术与光镊操作系统的融合，提出了一种实现活体细胞自动运送的新型方法，首次将基于快速搜索随机树的路径规划方法应用到生物活体细胞的运输中。通过在稳定的酵母菌细胞水溶液中自动运输选定酵母菌细胞的实验，阐述了这种方法的实效性。
　　 其次，考虑到生物细胞在水溶液中的布朗运动特性对细胞环境的影响，我们提出一种基于实时在线监测的动态路径规划方法，来躲避复杂环境中因布朗运动导致的动态障碍。通过在不同溶液环境中的酵母菌细胞运输实验，验证了这种方法在复杂动态溶液环境中的实效性。此外，通过将三维细胞运输拆分为两个二维细胞运输过程的方法，我们将这种应用于二维空间的路径规划方法，拓展到三维细胞运输的应用中。
　　 最后，我们对细胞运输过程中的细胞光学能量吸收问题进行了初步的研究。通过对光镊捕获的细胞建立能量吸收模型，实现运输过程中细胞所受的光学损伤的最小化。细胞运输的路径由A星路径规划算法产生。基于提出的能量吸收模型，通过对产生路径的轨迹平滑设计，达到细胞运输吸收功率最小化的目标。
　　 本毕业论文的主要贡献在于，利用机器人路径规划的研究方法来实现生物学细胞在简单稳定和复杂动态环境中的自动运输问题，更进一步实现细胞在运输过程中光学损伤的最小化。本课题符合当前微观生物医药学的发展趋势，对细胞生物学各个领域应用有着重要的战略发展意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景介绍

1．2 问题描述

1．3 研究目标

1．4 研究方法及意义

1．5 小结

第2章 文献综述

2．1 生物学精密操作技术

2．1．1 原子力显微镜

2．1．2 磁镊

2．1．3 介电泳

2．1．4 其它的一些微操作工具

2．2 光镊

2．2．1 介绍

2．2．2 光镊的物理特性

2．2．3 实验设计、实施和运行

2．3 光镊自动操作下的路径规划

2．3．1 机器人的运动规划

2．3．2 细胞操作的路径规划

2．4 光镊产生的光学损伤

2．5 小结

第3章 光学操作的静态RRT路径规划

3．1 引言

3．2 基于RRT算法的路径规划方案

3．3 在稳定的水溶液中生物细胞的路径规划

3．1．1 光镊操作系统

3．1．2 模拟静态路径规划

3．1．3 实验

3．4 小结

第4章 光学操作中的动态路径规划及三维路径规划

4．1 引言

4．2 机器人光镊系统的俘获力的特性描述

4．3 动态水溶液中生物细胞的路径规划

4．3．1 微小颗粒的布朗运动

4．3．2 动态路径规划

4．3．3 实验

4．4 用光镊传输生物细胞的三维路径规划

4．4．1 三维路径规划

4．4．2 仿真

4．5 小结

第5章 路径规划中细胞光学损伤最小化问题的初步研究

5．1 引言

5．2 生物细胞光学损伤的能量模型

5．3 实现光损伤最小化的路径规划

5．3．1 通过A*算法产生路径

5．3．2 轨迹平滑

5．4 预期实验

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果