秦傳波，曾軍英，田聯(lián)房，曹路

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基于微型機器人的顯微注射系統(tǒng)設計與實驗

秦傳波1，曾軍英1，田聯(lián)房2，曹路1

（1. 五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020；2. 華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

針對傳統(tǒng)顯微注射操作中手動操作難度大、成本高等問題，設計了一種基于微型機器人的低成本顯微注射系統(tǒng). 首先，介紹三自由度微型機器人、信號控制器和功率放大器的結構和設計原理. 其次，分析機器人在平面和垂直方向的運動性能. 在驅動信號時，平面尺蠖式蠕動速度可達步；在驅動信號高于時，步進分辨率小于步；垂直方向運動最大范圍，最小分辨率達，滿足實際要求. 最后，設計了顯微針對插、蝦卵細胞吸附固定實驗和蝦卵細胞注射實驗，結果表明，本文方案操作簡單、重復性強，顯微注射成功率達88%.

細胞顯微注射；微型機器人；壓電陶瓷；音圈馬達

細胞顯微注射自動化是當前生物基因工程技術的重點研究方向. 由于生物細胞的直徑通常在范圍內，其操作精度遠超人類生理極限，因此研發(fā)適用于生物工程領域的低成本、高精度微小型自動化機器人，對于實現(xiàn)細胞顯微注射自動化的推廣具有重大的實用價值. 目前，微型機器人按驅動方式可分為微電機驅動、壓電陶瓷驅動和電磁驅動.

國外學者因研究起步較早，已經(jīng)取得較好的研究成果. 如文獻[1]采用四組壓電陶瓷致動器和兩個U型電磁鐵設計了一款完整約束機器人，精度達，但未解決顯微針在垂直方向的運動，且旋轉空間要求大. 文獻[2]可實現(xiàn)三自由度顯微針運動控制，結合機器視覺和PID算法，實現(xiàn)了人類精子的固定和吸取動作，但是實驗條件成本高，要求高精密電機驅動X-Y轉換工作臺. 文獻[3]將視覺監(jiān)控和微執(zhí)行器相結合，實現(xiàn)固定細胞的顯微注射. 文獻[4]則使用壓電驅動超聲波細胞注射技術，實現(xiàn)了批量斑馬卵細胞的注射. 在國內，文獻[5]研發(fā)出國內第一臺細胞注射微操機器人，實驗成功率達80%，但設備成本相對高，不利于推廣. 文獻[6]首創(chuàng)了微流體數(shù)字化驅動的自動化細胞注射系統(tǒng)，但未研發(fā)出可供推廣應用的微小機器人. 文獻[7]使用微力傳感器采集細胞注射過程中的受力情怳，并結合機器視覺實現(xiàn)了細胞顯微注射，但其傳感器不容易安裝和測試. 可以看到，壓電陶瓷因其小型輕便、輸出力大、反應靈敏、精度高等特點受到國內外科研工作者的青睞. 壓電驅動并結合機器視覺和微小型機器人是當前顯微注射的主流研究方向，鑒于其存在研發(fā)成本高、可重復性較差、不易推廣等缺點，本文提出一種基于微操機器人的自動化顯微注射系統(tǒng)[8]：三自由度微型操作機器人（以下簡稱微操機器人），它主要由壓電陶瓷、電流線圈混合驅動，同時設計了針對機器人驅動的可變頻驅動控制板和信號功率放大器.

1 自動化顯微注射系統(tǒng)

顯微注射系統(tǒng)實物如圖1-a，主要由多孔徑倒置顯微鏡平臺、微操機器人、平面鐵磁板、模擬信號發(fā)生器、功率放大器、兩組全局攝相機、可編程電源和差分式氣泵等構成. 微操機器人由壓電陶瓷、電流線圈和音圈馬達混合驅動，顯微操作針安裝在音圈馬達裝置上. 系統(tǒng)框圖見圖1-b.

a. 顯微注射系統(tǒng)實物圖 b. 顯微注射系統(tǒng)框圖

1.1 三自由度混合式驅動微操作機器人

考慮到顯微操作空間以及精度的要求，微操機器人設計為小尺寸：，從結構上分為平面行走和縱向微動模塊. 如圖2-a，壓電陶瓷型號為NEC AE0505D08F，工作電壓，最大位移. 微型機器人可完成3個自由度方向的運動：直線運動、旋轉與轉彎和垂直方向（顯微針移動），通過模擬信號發(fā)生器，分別調整壓電陶瓷上的電壓、電流線圈的電流強度與相位，驅動微操機器人前后運動、轉向和旋轉；而通過操作可編程電源改變音圈馬達的電流，則可實現(xiàn)微操作工具（吸持針或注射針）在垂直方向的上下位移調整.

圖2 微小型注射機器人

平面行走模塊主要部件為：一對壓電陶瓷、2個線圈、2個U形導磁鐵芯、1對金屬薄簧片、前/中/后向機身部件. U形導磁鐵芯安裝在前后機身上，其4個支點用作微操機器人的支撐腳，線圈纏繞在鐵芯中間位置，通電時使其吸附在鐵磁性面板上. 后機身與中間機身通過兩片易形變的銅材質薄簧片銜接，且在銜接下方各形成一個直角的凹槽，在兩側凹槽內分別固定一個層積式壓電陶瓷元件. 中間機身和前向機身由旋轉轉動軸連接，確保整個機器人處于同一工作平面且以尺蠖蠕動方式實現(xiàn)微位移. 縱向微動模塊為改進的線性音圈馬達，如圖2-b所示，尺寸為，由電流線圈、2塊永久磁鐵、2片薄銅簧片、塑料動板和基座構成. 磁鐵安裝在動板內置孔內，豎直嵌套在線圈兩端；線圈則安裝在基座上；動板和基座經(jīng)由薄銅簧片連接，由線圈產(chǎn)生的電磁力驅動音圈馬達在豎直方向上運動. 縱向微動模塊主要負責調節(jié)注射針在豎直方向的移動，并使被注射細胞的質心和注射針尖處于同一水平線上. 改進的縱向微動模塊克服了傳統(tǒng)導軌軸承傳動產(chǎn)生的非線性等缺點.

1.2 模擬驅動信號發(fā)生器和功率放大器

信號發(fā)生器負責傳輸微操機器人運動控制信號：選用32通道模擬輸出卡NI PCI-6723，精度13位，峰值，電流最大值. 一個微操機器人需要4組驅動信號：2組正弦波信號驅動壓電陶瓷，2組方波信號為線圈提供電流. 一般細胞顯微注射需要3個機器人協(xié)作完成，本方案最多可驅動8個微操機器人.

a. 功率放大器 b. 放大電路板

微操機器人在平面做尺蠖式蠕動需要分別將前后半機身輪流吸附在鐵磁板上. 吸附功能由流經(jīng)電流線圈的電流調節(jié)控制. 工作條件要求產(chǎn)生矩形波驅動電流最大值為，為此設計了一塊電流調節(jié)板卡（為獨立板卡，便于安裝和管理），設定通過電流線圈的電流工作范圍為.

2 微型操作機器人性能分析

該微操機器人可實現(xiàn)平面運動和垂直方向的顯微工具（吸持針和注射針）移動. 平面運動是指在平面鐵磁板上前后直線運動、左右轉彎和原地旋轉. 垂直方向的顯微針移動是指通過設置可編程電源，改變音圈馬達的電流，控制顯微工具在上下方向的微移動.

2.1 平面運動控制及精度分析

平面運動基本原理：微操機器人需要同一頻率的壓電陶瓷工作電壓和電流線圈中的電流信號來驅動，并控制模擬信號發(fā)生器產(chǎn)生所需運動方式調整電流、電壓的相位關系和各自的幅度，電流信號使機器人機身在平面鐵磁板上處于吸附或自由狀態(tài)，由電壓信號實現(xiàn)前后機身的推進、拉伸和擠壓，分階段實現(xiàn)整體機身的蠕動. 微型操作機器結構簡化如圖4-a，PZ_L和PZ_R表示左右兩側的壓電陶瓷，F(xiàn)L、FR、BL和BR表示前后兩組U形磁鐵所形成的4個支撐點，水平支撐點間為電流線圈. 圖4-b表示微操機器人處于階段1（前進狀態(tài)），前端電流線圈斷電而后端通電，將后半機身吸附在鐵磁板上，同時，在兩側壓電陶瓷加正弦波正相電壓，使其伸長，拉伸薄銅簧片，推動前半機身向前運動；階段2為前端電流線圈通電而后端斷電，將前半機身吸附固定在鐵磁板上而釋放后半機身，同時，壓電陶瓷加正弦波負相電壓，使機身收縮，拖動后半機身向前運動. 如此循環(huán)，實現(xiàn)直線方向尺蠖蠕動.

a. 靜止狀態(tài) b. 直線前進狀態(tài) c. 右轉彎狀態(tài) d. 原地右旋轉狀態(tài)

同理，微操機器人實現(xiàn)機身左/右轉彎時，只需對兩側壓電陶瓷施加相位不同的電壓信號. 工作原理與前進的方式類似，如圖4-c所示右轉彎狀態(tài). 左右兩側壓電陶瓷工作電壓相位相同，但左側正弦波峰值遠大于右側. 同理，如果要實現(xiàn)機身原地旋轉，對于左右兩側的壓電陶瓷施加峰值不同且反相的電壓信號，同時減小電流線圈電流，即可實現(xiàn)相對的原地旋轉，如圖4-d所示原地右旋轉運動，兩側工作電壓相反，且左側壓電陶瓷正弦波峰值遠大于右側.

a. 前進 b. 原地左旋轉 c. 右轉彎 d. 電流波形

由于壓電陶瓷和機械結構的不一致以及平面摩擦力的變化，導致主微操機器人平面行走時存在理論偏差. 課題組使用最小二乘進行補償[9]. 由圖6-a知，工作頻率為，壓電陶瓷正弦波峰值電壓，當步行步時，補償前偏差位移高達，補償后，前進步時，其位移偏移量為左右. 用間隔的透明測微尺測量測定位移與頻率的關系. 移動10步的距離為6.5格，每格代表，即其速度為步. 前進步時，其位移偏移量為左右，線性精度大大提高. 平面運動位移與信號頻率關系密切. 信號幅度不變，頻率越大，工作周期越小，施加在壓電陶瓷上的時間短，每個周期蠕動的距離越小. 反之，工作頻率越低，施加在壓電陶瓷上的時間長，每個周期蠕動的距離越大. 由于器件、機械結構和摩擦力的影響，曲線并非嚴格線性關系. 當工作頻率超過時，步進精度小于測微尺1格，即步進精度可小于步.

a. 平面移動補償前后偏移量對比 b. 垂直位移與電流關系

2.2 垂直方向上顯微工具移動分析

3 實驗

3.1 實驗設備

實驗設備有：PC機一臺（含開發(fā)程序）；Olympus Ix71顯微鏡平臺；模擬信號控制器NI PCI- 6723；功率放大器；微操機器人；成年蝦卵若干（直徑約）；器皿；差分式氣泵；光學位移傳感器；鍛針儀器；硬質中性玻璃管若干（內徑，壁厚，管長）；顯微吸持針若干；加工長度為、針尖直徑為注射針若干.

在國際市場的發(fā)展過程中，一些企業(yè)已經(jīng)認識到預算管理的重要性，并試圖建立許多預算管理機制。切實的到企業(yè)中運營和實施，而預算管理不僅對預算本身有著很高的需求，而且還需要有完善的監(jiān)管機制來實現(xiàn)有效管理。在預算管理機制實施的過程中，我國企業(yè)主要關注預算工作的細節(jié)和內容，對預算管理的監(jiān)督體系缺乏了解，使得企業(yè)預算管理不可能實現(xiàn)全面有效的落實。

3.2 系統(tǒng)實驗操作

系統(tǒng)通過PC端交互界面產(chǎn)生驅動信號、運動方向和實時視頻跟蹤. 交互界面在XP系統(tǒng)VC 2005下開發(fā)，內嵌基于Open CV的視頻采集模塊. 通過3個實驗檢驗方案效果，即系統(tǒng)調焦驗證實驗、細胞姿態(tài)調整與吸附、細胞刺穿實驗. 以下實驗驅動信號頻率均為，細胞直徑，吸持針尖針直徑，注射針尖直徑.

3.2.1 系統(tǒng)對焦驗證實驗

顯微鏡能否對焦準確是實驗的前提，通過縱向模塊微調顯微針位移可實現(xiàn)自動對焦. 完成對焦后，為了確定吸持針和注射針處在同一水平面上，課題組設計了顯微針對插實驗來驗證其位置的正確性，即注射針的針尖能否正確刺入吸持針的針頭內徑. 圖7-a為調焦后準備對刺，顯微針針端的距離約，驅動微操機器人直線前進，經(jīng)幾個步長后，初步接觸，如圖7-b所示. 如果刺偏則通過旋轉和轉向功能進行調整. 圖7-c和圖7-d分別展示了注射針準確刺入吸持針和退針的情景. 該實驗表明2種針不但對焦成功而且基本保持在同一個水平面上，可以進行細胞吸附及細胞注射實驗.

a. 對刺調焦準備 b. 對刺接觸 c. 對刺成功 d. 顯微針退針

3.2.2 細胞吸附實驗

細胞固定是細胞注射的關鍵. 在實驗中借助三端口差分式氣泵實現(xiàn)細胞注射，其中兩個端口通過軟管插入裝有純凈水的器皿，另一端口經(jīng)軟管接微操機器人的顯微針. 吸附細胞時，出氣端口氣壓小于抽氣端口氣壓，在接有吸附針的第3個端口形成一個抽氣的負壓差，實現(xiàn)細胞吸附；注射細胞時，抽氣端口氣壓小于出氣端口氣壓，在接有注射針的第3個端口形成一個出氣的正壓，將物質注入細胞. 驅動微操機器人直線運動到距離蝦卵質心約處，如圖8-a所示，圓形黑色物體為蝦卵（非活體）. 接著控制機器人通過前后、轉向和旋轉動作微調，使顯微吸持針和卵細胞的質心基本處于同一水平直線上，如圖8-b，然后啟動氣泵，產(chǎn)生負壓，引導流體運動，實現(xiàn)卵細胞吸附，如圖8-c，蝦卵吸附在吸持針針端上，吸持針系自行打磨，顯微下略顯粗糙，直徑為. 圖8-d展示卵細胞的釋放，改變氣泵的開關，產(chǎn)生正壓，在吸持針末端的卵細胞瞬間離開吸持針末端，因而CCD采集到模糊影像.

a. 準備吸附細胞 b. 吸附細胞過程 c. 穩(wěn)定吸附細胞 d. 釋放細胞過程

3.2.3 細胞刺穿實驗

當細胞吸附固定后，則進行細胞注射. 細胞注射過程基本分為4個階段：準備、接觸、穿刺與注射和退針. 通過差分氣泵產(chǎn)生負壓，經(jīng)由連通軟管的吸持針，吸附和固定蝦卵，圖9-a為準備階段，左側吸附固定蝦卵，處于靜止狀態(tài). 通過微操機器人左右轉彎和自身旋轉，調整注射針方向，使得針和卵細胞質心連成一條成線，然后驅動微操機器人直線步進，運動至接觸階段，如圖9-b，即注射針前進到蝦卵的邊緣位置初步接觸注射對象. 減少前進步長，繼續(xù)驅動微操機器人前進，進入穿刺階段，由于無生命的蝦卵外殼較硬、形變不明顯，故在吸持針的針端處因注射針的推進僅產(chǎn)生輕微的形變，如圖9-c所示. 此時，打開注射針端的氣泵產(chǎn)生正壓，將注射針內基因物質注射入細胞（穿刺與注射的姿態(tài)相同）. 隨后驅動微操機器人后退，實現(xiàn)撤針，如圖9-d所示. 在相同實驗條件下，重復細胞注射實驗50次，成功44次，成功率為88%. 實驗結果表明該系統(tǒng)操作簡單、可重復性強.

a. 準備階段 b. 接觸階段 c. 穿刺與注射 d. 退針階段

4 結論

本文設計了一個基于壓電陶瓷、電流線圈和音圈馬達混合驅動的微操機器人注射系統(tǒng)，分析了機器人的設計方法、工作原理和工作性能，并使用蝦卵和注射針在該系統(tǒng)進行顯微針對插、細胞吸附和細胞注射實驗，結果表明，本設計操作簡單，可重復性強，易于培訓和推廣. 此外，本設計可按實驗需求，安裝多路信號驅動板和功率放大器，以驅動多個機器人.

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[責任編輯：韋 韜]

Micro Injection System Design and Experiments Based on the Micro-Robot Automated Microinjection

QINChuan-bo, ZENGJun-ying, TIANLian-fang, CAOLu

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. School of Automation Science & Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

In light of the operation difficulty and the high cost of traditional manual microinjection, a low-cost microinjection system based on micro-robots is designed. The paper first introduces the structure and design principles of micro-robots of three-degrees-of-freedom, signal controllers and power amplifiers. Then it analyses the performance of the robots in the planar and vertical directions. When the driving signal is at, the Inchworm peristaltic stepping speed can be up tostep; when the frequency is higher than, the single step resolution is less thanstep; when the maximum range of vertical movement is, the minimum resolution is up to. Thus the actual requirements can be met. Finally, three experiments on micropipette mutual thorns, cells adsorption and cell injection are designed. Results show that the proposed scheme is simple, reproducible and the microinjection success rate reaches 88%.

cell microinjection; micro robots; piezoelectric ceramic; voice coil motors

1006-7302（2016）02-0041-08

TN391.41

A

2015-11-18

廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才類項目（2015KQNCX165）；廣東省教育廳特色創(chuàng)新類項目（2015KTSCX143）；2015年江門市科技計劃項目（201501003001556）；五邑大學青年科研基金資助項目（2015zk10）

秦傳波（1982—），男，安徽宿州人，講師，博士，主要研究方向為模式識別與人工智能.