文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
光镊在生物细胞自动化操作中的力学标定和运动规划
姓名:吴燕华
申请学位级别:博士
专业:测试计量技术及仪器
指导教师:黄文浩;孙东
2011-05
摘要
摘要
光镊是基于光子动量守恒的一项物理工具,能无接触式捕获和移动微米/纳
米级的微粒。对保持在生长环境中的细胞可进行无损捕获和固定,以及对它进行
精确的操作,克服了以往单细胞难以被固定和易产生机械损伤这两个致命弱点。
对活细胞快速精确的搬运,可应用于细胞手术、稀少细胞的分离和采集、生物组
织工程及细胞接触。生物细胞操作中对精度和效率的需求使自动化机器人技术与
光镊的结合变得尤为重要。在对细胞力学表征和操作中,对光镊的力学参数了解
是前提。但是,传统的数学计算和实验标定方法假定活细胞为理想球体,忽视其
内部复杂结构和粗糙的细胞膜。除此之外,极少工作注意到光镊自动化过程中的
运动规划。如何基于动力学参数去设计最佳细胞运动参数,是个富有挑战性的工
作。
本论文致力于标定光镊操作活细胞过程中的力学参数,并在此基础上进行细
胞自动化操作中的运动规划。研究主要分为以下三个部分。
首先,我们用一种新的实验方法来标定施加在活细胞上的力。与已有的方案
不同,此方法并不假定活细胞具有和聚苯乙烯/硅球一样的光学或粘滞参数。通
过将一个微聚苯乙烯球粘连在活细胞上并移动这个混合体,小上的粘滞阻力可以
获得,即混合体上总的粘滞力减去小球上的粘滞力(在极低雷诺数的条件下)。
然后单独移动细胞,在力平衡时,细胞的光镊捕获力等于粘滞力。
其次,在对光镊操作细胞的动力学分析上,运动规划策略被用来设计最佳移
动速度。由于移动过程中液体环境及激光性质的变化,之前标定的动力学参数会
不稳定,故此,之前设定的移动速度需要在线调整。我们设计了比例-积分控制
器,用来在线调整细胞移动速度,保证细胞始终以最佳速度移动并且不逃离光镊
捕获范围。之前的动力学参数被用来设计这个 PI 控制器。
最后,我们使用改进的 A 星算法来规划细胞移动过程中的最佳路径。改进
方法是对拐弯的节点进行“惩罚”,以保证整个路径上拐弯较少但同时路程也较
短。这个算法需要在路径的平滑性和移动代价上取得平衡。移动酵母菌的实验被
用来验证提出的方法。
I
摘要
本论文主要贡献在于使用新的实验方法来标定光镊操作中的力学参数,并将
结果应用于自动化操作中的运动规划。
关键词:光镊力标定运动规划路径规划几何光学粘滞力光阱比例积分控
制细胞收集 A 星算法
II
Abstract III
Abstract
Optical tweezers, which are based on the transfer of photon momentum, can trap
and move microscale and nanoscale particles without physical contact. Rapid and
precise transportation of live cells can benefit cell microsurgery, rare cell isolation,
tissue engineering and cell-to-cell interactions. Increasing demands for both accuracy
and efficiency in biological cell manipulation highlight the need for automation with
robotics technology. Understanding the forces exerted on live cells is essential to
biomechanical characterization and cell manipulation. However, traditional numerical
force measurement assumes live cells to be ideal objects, ignoring plicated
inner structures and rough membranes. Furthermore, little reported research has
specifically considered the synergy of dynamic analysis in motion planning during
automated transportation. The