面向生物工程的機器人微操作系統(tǒng)

　　在生物和醫(yī)學工程中常用的微操作過程主要有兩大類：微注射操作和微切割操作，這兩種操作在現(xiàn)代生物和醫(yī)學研究中均起到了非常重要的作用。

全光學生物微操作系統(tǒng)

　　目前制作轉(zhuǎn)基因動物的最有效、操作最簡便的方法是采用微注射技術，即用微操作系統(tǒng)（手動系統(tǒng)）對動物的活性受精卵注入外源基因，其目的主要是培育新型品種。這種顯微操作過程是生物領域中研究、培育轉(zhuǎn)基因動物的一個重要環(huán)節(jié)，也是操作精度要求最高的環(huán)節(jié)。在這種微觀環(huán)境下，用亞毫米的工具對這些細胞進行操作，只能在顯微鏡下進行。目前這些工作都是由人工來完成的。

　　生物和遺傳工程中的另一大類微操作過程是微切割操作。完成切割操作的系統(tǒng)與完成微注射操作的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理相同，微切割系統(tǒng)只需要微切割刀。微切割刀的尖端部分也應是亞微米級。微操作系統(tǒng)的位移和定位精度均比微注射系統(tǒng)還高，微切割操作對生物醫(yī)學研究，特別是在植物學研究，遺傳工程研究，建立動、植物（包括人類）的DNA文庫等高科技領域中都有十分重要的應用。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，操作起來更加困難。

　　因此，生物領域中從事細胞操作的科研人員和實驗操作人員都希望能夠提高微注射操作和微切割操作系統(tǒng)的自動化和智能化的程度，使操作簡單化、自動化，進而實現(xiàn)普及化。

　　南開大學、中國科技大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、廣東工業(yè)大學相繼開展了這方面的研究工作。

　　南開大學研制的“面向生物醫(yī)學工程的微操作機器人系統(tǒng)”以一臺倒置顯微鏡為主體，配置了左右兩個可握持工具進行空間三自由度運動的機械臂、平面兩自由度可控平臺以及自動調(diào)焦系統(tǒng)。系統(tǒng)可在顯微視覺引導下，由計算機控制，雙臂協(xié)調(diào)地機械自動或半自動的操作。它的功能覆蓋了生物醫(yī)學工程的主要操作（如染色體切割，細胞轉(zhuǎn)基因注射等）。該系統(tǒng)可在一個微小的操作空間內(nèi)，控制操作工具進行微米級精度的運動。它適合于在細胞級水平上進行切割、注射、微電位測量等典型的生物醫(yī)學工程操作。

　　由中國科技大學研制的“全光學生物微操作系統(tǒng)”進行植物轉(zhuǎn)基因獲得成功。該實驗用脫毒馬鈴薯和毛白楊雄株試管苗進行，用“全光學生物微操作系統(tǒng)”中高功率脈沖激光對浸泡在DNA溶液中的子葉局部進行逐個細胞的穿孔。經(jīng)生化檢測，激光空孔部位顯示出湛藍顏色，表明待轉(zhuǎn)的GUS基因已經(jīng)進入葉肉細胞。由此證明對上述兩種植物的轉(zhuǎn)基因獲得成功。

　　光學微操控微加工不同于傳統(tǒng)的機械加工系統(tǒng)，它對生物細胞、細胞器及其它微小粒子的微加工是通過光來實現(xiàn)的，沒有任何機械接觸。激光光鑷可以方便地在三維空間拖動微粒使之在空間上準確定位，因此可用來完成分選粒子（或細胞），使兩個或多個粒子相互密接，從而觀察其相互作用等。激光光刀則對被光鑷夾持的“工件”進行穿孔、基因轉(zhuǎn)導、細胞器切割、焊接等加工。

　　光學微處理的另一特點是可以在不損傷粒子（細胞）表面的情況下深入其內(nèi)部進行微操作或微加工，特別適合于研究活體生物粒子，是細胞和生物大分子研究的重要工具，將在細胞生物學、分子遺傳學、基因工程等領域中發(fā)揮重要作用。

　　光學微操作系統(tǒng)在涉及微小粒子的各種研究和應用領域，諸如在大氣物理、空間科學、材料科學、醫(yī)藥科學、精密測量等方面也有廣闊應用前景。

　　由北京航空航天大學研制的具有視覺反饋的微操作系統(tǒng)，能在攝像頭下完成全局視覺閉環(huán)反饋，且采用壓電陶瓷驅(qū)動和較新穎的柔性鉸鏈機構(gòu)，可對活體細胞和基因進行自動或半自動顯微操作。該系統(tǒng)已進行了數(shù)次小白鼠受精卵基因注射實驗，并獲得成功。

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