面向生物工程的機(jī)器人微操作系統(tǒng)

　　在生物和醫(yī)學(xué)工程中常用的微操作過(guò)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(xué)研究中均起到了非常重要的作用。

全光學(xué)生物微操作系統(tǒng)

　　目前制作轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的最有效、操作最簡(jiǎn)便的方法是采用微注射技術(shù)，即用微操作系統(tǒng)（手動(dòng)系統(tǒng)）對(duì)動(dòng)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(guò)程是生物領(lǐng)域中研究、培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的一個(gè)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(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行操作，只能在顯微鏡下進(jìn)行。目前這些工作都是由人工來(lái)完成的。

　　生物和遺傳工程中的另一大類微操作過(guò)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(dòng)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(yīng)是亞微米級(jí)。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(duì)生物醫(yī)學(xué)研究，特別是在植物學(xué)研究，遺傳工程研究，建立動(dòng)、植物（包括人類）的DNA文庫(kù)等高科技領(lǐng)域中都有十分重要的應(yīng)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(lái)更加困難。

　　因此，生物領(lǐng)域中從事細(xì)胞操作的科研人員和實(shí)驗(yàn)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(dòng)化和智能化的程度，使操作簡(jiǎn)單化、自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)普及化。

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

　　南開(kāi)大學(xué)研制的“面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)”以一臺(tái)倒置顯微鏡為主體，配置了左右兩個(gè)可握持工具進(jìn)行空間三自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂、平面兩自由度可控平臺(tái)以及自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。系統(tǒng)可在顯微視覺(jué)引導(dǎo)下，由計(jì)算機(jī)控制，雙臂協(xié)調(diào)地機(jī)械自動(dòng)或半自動(dòng)的操作。它的功能覆蓋了生物醫(yī)學(xué)工程的主要操作（如染色體切割，細(xì)胞轉(zhuǎn)基因注射等）。該系統(tǒng)可在一個(gè)微小的操作空間內(nèi)，控制操作工具進(jìn)行微米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng)。它適合于在細(xì)胞級(jí)水平上進(jìn)行切割、注射、微電位測(cè)量等典型的生物醫(yī)學(xué)工程操作。

　　由中國(guó)科技大學(xué)研制的“全光學(xué)生物微操作系統(tǒng)”進(jìn)行植物轉(zhuǎn)基因獲得成功。該實(shí)驗(yàn)用脫毒馬鈴薯和毛白楊雄株試管苗進(jìn)行，用“全光學(xué)生物微操作系統(tǒng)”中高功率脈沖激光對(duì)浸泡在DNA溶液中的子葉局部進(jìn)行逐個(gè)細(xì)胞的穿孔。經(jīng)生化檢測(cè)，激光空孔部位顯示出湛藍(lán)顏色，表明待轉(zhuǎn)的GUS基因已經(jīng)進(jìn)入葉肉細(xì)胞。由此證明對(duì)上述兩種植物的轉(zhuǎn)基因獲得成功。

　　光學(xué)微操控微加工不同于傳統(tǒng)的機(jī)械加工系統(tǒng)，它對(duì)生物細(xì)胞、細(xì)胞器及其它微小粒子的微加工是通過(guò)光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有任何機(jī)械接觸。激光光鑷可以方便地在三維空間拖動(dòng)微粒使之在空間上準(zhǔn)確定位，因此可用來(lái)完成分選粒子（或細(xì)胞），使兩個(gè)或多個(gè)粒子相互密接，從而觀察其相互作用等。激光光刀則對(duì)被光鑷夾持的“工件”進(jìn)行穿孔、基因轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞器切割、焊接等加工。

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

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

　　由北京航空航天大學(xué)研制的具有視覺(jué)反饋的微操作系統(tǒng)，能在攝像頭下完成全局視覺(jué)閉環(huán)反饋，且采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和較新穎的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，可對(duì)活體細(xì)胞和基因進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)顯微操作。該系統(tǒng)已進(jìn)行了數(shù)次小白鼠受精卵基因注射實(shí)驗(yàn)，并獲得成功。

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