关键词:
细胞微注射
柔性机构
细胞力学模型
穿刺速度优化
压电迟滞模型
力位控制
摘要:
随着生物技术的进一步发展,研究人员需要向细胞内部注射外源物质,以控制细胞的生命活动。迄今为止,细胞微注射操作大多由专业人员在经过长期培训后手动完成。这种大量重复性操作易使人产生疲劳,严重影响注射的效果和效率,这对自动化细胞微注射设备提出了迫切需求。本文为实现细胞自动化注射,从细胞生物力学特性入手,针对细胞穿刺机构的运动规划、位置控制和力控制等核心技术问题展开研究,主要完成了以下工作:1.搭建了细胞微注射实验系统,机械平台包括宏动定位单元、微动穿刺单元、细胞固定单元、传感单元以及视觉单元。微动穿刺单元作为关键执行单元,由压电作动器驱动,为放大其较小的输出行程,设计了桥式柔性位移放大机构,建立了机构的静力学模型,求得了放大倍数和输入刚度的解析式,通过NSGA-Ⅱ算法对机构尺寸进行了多目标优化,实际放大倍数大于15倍。采用Simulink Real-Time作为实时控制系统进行硬件在环测试。2.基于膜理论建立了球状悬浮细胞的非线性力学模型。由于细胞对注射针不同的穿刺速度和加速度所产生的力学响应不同,设计了细胞穿刺实验,获得了细胞膜材料常数、穿刺速度和穿刺加速度三者间的经验公式,可较好地表征细胞膜的变刚度现象。3.对膜理论模型进行合理简化,得到细胞变形与受力之间的Hunt-Crossley非线性粘弹性模型。为保障细胞本体的生命安全,以被刺破时细胞形变量最小为准则建立优化目标,规划出注射针的最优速度曲线,细胞形变量可减少20μm以上。4.结合Hunt-Crossley模型设计了穿刺机构的力位控制算法。由于压电作动器固有的迟滞现象严重影响穿刺机构的定位性能,建立了放大机构输入电压与输出位移之间的神经网络模型,采用前馈加反馈的复合控制算法对迟滞效应进行补偿,实现了机构的输出位移控制;结合阻抗和滑模控制,设计了细胞与注射针间接触力的力轨迹跟踪算法,最大跟踪误差12.35μN;注射针与细胞接触瞬间,位置控制器切换为力控制器,分析了穿刺瞬间系统的动态性能,验证了所提控制算法的鲁棒性。