面向生物工程的机器人微操作系统

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面向生物工程的机器人微操作系统

　　在生物和医学工程中常用的微操作过程主要有两大类：微注射操作和微切割操作，这两种操作在现代生物和医学研究中均起到了非常重要的作用。

全光学生物微操作系统

　　目前制作转基因动物的最有效、操作最简便的方法是采用微注射技术，即用微操作系统（手动系统）对动物的活性受精卵注入外源基因，其目的主要是培育新型品种。这种显微操作过程是生物领域中研究、培育转基因动物的一个重要环节，也是操作精度要求最高的环节。在这种微观环境下，用亚毫米的工具对这些细胞进行操作，只能在显微镜下进行。目前这些工作都是由人工来完成的。

　　生物和遗传工程中的另一大类微操作过程是微切割操作。完成切割操作的系统与完成微注射操作的系统的基本结构和驱动原理相同，微切割系统只需要微切割刀。微切割刀的尖端部分也应是亚微米级。微操作系统的位移和定位精度均比微注射系统还高，微切割操作对生物医学研究，特别是在植物学研究，遗传工程研究，建立动、植物（包括人类）的DNA文库等高科技领域中都有十分重要的应用。同微注射操作相同，目前微切割操作也是由人工完成的。而且由于微切割操作比微注射操作要求的精度高，操作起来更加困难。

　　因此，生物领域中从事细胞操作的科研人员和实验操作人员都希望能够提高微注射操作和微切割操作系统的自动化和智能化的程度，使操作简单化、自动化，进而实现普及化。

　　南开大学、中国科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、广东工业大学相继开展了这方面的研究工作。

　　南开大学研制的“面向生物医学工程的微操作机器人系统”以一台倒置显微镜为主体，配置了左右两个可握持工具进行空间三自由度运动的机械臂、平面两自由度可控平台以及自动调焦系统。系统可在显微视觉引导下，由计算机控制，双臂协调地机械自动或半自动的操作。它的功能覆盖了生物医学工程的主要操作（如染色体切割，细胞转基因注射等）。该系统可在一个微小的操作空间内，控制操作工具进行微米级精度的运动。它适合于在细胞级水平上进行切割、注射、微电位测量等典型的生物医学工程操作。

　　由中国科技大学研制的“全光学生物微操作系统”进行植物转基因获得成功。该实验用脱毒马铃薯和毛白杨雄株试管苗进行，用“全光学生物微操作系统”中高功率脉冲激光对浸泡在DNA溶液中的子叶局部进行逐个细胞的穿孔。经生化检测，激光空孔部位显示出湛蓝颜色，表明待转的GUS基因已经进入叶肉细胞。由此证明对上述两种植物的转基因获得成功。

　　光学微操控微加工不同于传统的机械加工系统，它对生物细胞、细胞器及其它微小粒子的微加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。激光光镊可以方便地在三维空间拖动微粒使之在空间上准确定位，因此可用来完成分选粒子（或细胞），使两个或多个粒子相互密接，从而观察其相互作用等。激光光刀则对被光镊夹持的“工件”进行穿孔、基因转导、细胞器切割、焊接等加工。

　　光学微处理的另一特点是可以在不损伤粒子（细胞）表面的情况下深入其内部进行微操作或微加工，特别适合于研究活体生物粒子，是细胞和生物大分子研究的重要工具，将在细胞生物学、分子遗传学、基因工程等领域中发挥重要作用。

　　光学微操作系统在涉及微小粒子的各种研究和应用领域，诸如在大气物理、空间科学、材料科学、医药科学、精密测量等方面也有广阔应用前景。

　　由北京航空航天大学研制的具有视觉反馈的微操作系统，能在摄像头下完成全局视觉闭环反馈，且采用压电陶瓷驱动和较新颖的柔性铰链机构，可对活体细胞和基因进行自动或半自动显微操作。该系统已进行了数次小白鼠受精卵基因注射实验，并获得成功。

feilia557

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