论文部分内容阅读
微型机器人在生物医疗、微尺度环境监测、微尺度装配等领域具有重要的应用价值，因而受到研究者的广泛关注。目前研究者已经研制出不同类型的微型机器人，但是传统的微型机器人面临着驱动以及能量供给和控制信息传递等问题，为了突破这些限制，新型的微型机器人-微生物机器人应运而生，特别是在靶向治疗、体外检测、微纳器件等领域更是表现出传统微型机器人无法比拟的优势，然而目前微生物机器人的研究尚处于起步阶段，往往存在着生命周期短、环境鲁棒性差、驱动力小、控制精度差、集成度低、缺少必要的预测模型等诸多问题，针对微生物机器人科学技术发展的需求，本文将以藻类细胞微生物为主体，研究藻类细胞的光驱动操控方法及图形化方法，构建基于藻类细胞的生物粘性微泵，并探索藻类细胞与外部功能部件的集成技术，尝试开发新型的基于藻类细胞的生物混合微系统，从而实现机器人化定位、游动以及装载、运输和卸载货物等微尺度作业任务。研究内容主要包括以下四个方面: (1)藻类细胞机器人生物学特性研究:通过对藻类细胞鞭毛马达分子结构的分析，阐明藻类细胞鞭毛摆动机理，结合实验测量，建立起藻类细胞机器人游动的三球模型，利用有限元分析获取藻类细胞游动时周围流场分布，从理论上对藻类细胞的游动机制进行诠释。进一步将光照参数耦合到三球模型中，阐明藻类细胞机器人在光源刺激下的转向机制。获取藻类细胞的运动轨迹及运动速度，并进行统计学分析。最后对藻类细胞在低雷诺数环境下的流体动力学理论进行研究，并首次提出基于原子力显微镜的单个藻细胞游动力测量方法和计算模型。 (2)藻类细胞机器人控制方法研究:在对藻类细胞的生物学特性研究的基础上，开展藻类细胞机器人控制方法的研究，首先在旋转运动方面，建立细胞转动状态模型，并从实验上对这一模型进行验证。进而对影响细胞转动速度的外界因素进行研究，提出温度控制细胞转动速度方法，并从实验上证实。在平移运动方面，结合藻类细胞的趋光性，自主设计并搭建自动化的藻类细胞光引导系统，完成对藻类细胞在直线形微管道中的往复运动控制。在此基础上，对系统的性能进行测试和分析，并进一步完善系统结构。结合视觉反馈技术，对藻类细胞在二维平面的沿任意轨迹的运动控制进行实验验证。 (3)基于藻类细胞机器人的生物粘性微泵研究:在对藻类细胞旋转控制方法研究的基础上，开展利用莱茵衣藻细胞的旋转运动构建生物粘性微泵的研究。首先阐明生物粘性微泵工作机理，结合多物理场有限元分析，对影响生物粘性微泵性能的因素（偏心率、细胞转速）进行详细讨论，建立各个参数与粘性微泵流速关系曲线。为了实现对细胞的操作及旋转控制，搭建光诱导介电泳系统，建立细胞在光诱导介电泳环境中的极化模型-双壳模型，结合有限元分析，获取细胞受到的光诱导介电泳力，进而建立细胞在光诱导介电泳微环境中的受力模型。利用光诱导介电泳方法，对莱茵衣藻细胞进行捕获、移动以及图形化处理。提出改变照射光的光照强度调节莱茵衣藻细胞旋转速度的方法，并从实验上进行证实。最后利用单个粒子示踪方法，测试细胞粘性微泵性能。 (4)基于藻类细胞机器人的生物混合微系统研究:在对藻类细胞平移运动控制方法研究的基础上，开展基于藻类细胞机器人的生物混合微系统研究。开发基于数字微镜设备的调制投影印刷(DMPP)系统，实现无模板的、自动化的、高速的生物混合微系统中微结构（功能部件）制作。进一步独创性的提出特异性粘附方法，实现藻类细胞和微结构的可控集成，并从实验上证实藻类细胞机器人对微结构准确的拾取，可控的传输，以及到达目的地后精确的释放。在此基础上，结合光牵引方式，开展藻类细胞和微结构的定点、定量的粘附研究，并对藻类细胞机器人对微结构的协同驱动效果进行测试分析。最后为了进一步提升生物混合微系统的应用范围，开展光场和磁场复合控制的研究。搭建电磁驱动(EMA)系统，并创新性的在该系统中集成可自动化控制的微型LED，完成对藻类细胞和磁性微球集成结构的磁场控制和光场控制实验验证。 本文的研究工作为微生物机器人的研究提供了一定的理论基础，为构建新型的生物混合微系统，开发具有机器人化定位、游动以及装载、运输和卸载货物能力的微型作业机器人提供了相关技术支持。