基于微型机器人的显微注射系统设计与实验

秦传波，曾军英，田联房，曹路



基于微型机器人的显微注射系统设计与实验

秦传波1，曾军英1，田联房2，曹路1

（1. 五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020；2. 华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510641）

针对传统显微注射操作中手动操作难度大、成本高等问题，设计了一种基于微型机器人的低成本显微注射系统. 首先，介绍三自由度微型机器人、信号控制器和功率放大器的结构和设计原理. 其次，分析机器人在平面和垂直方向的运动性能. 在驱动信号时，平面尺蠖式蠕动速度可达步；在驱动信号高于时，步进分辨率小于步；垂直方向运动最大范围，最小分辨率达，满足实际要求. 最后，设计了显微针对插、虾卵细胞吸附固定实验和虾卵细胞注射实验，结果表明，本文方案操作简单、重复性强，显微注射成功率达88%.

细胞显微注射；微型机器人；压电陶瓷；音圈马达

细胞显微注射自动化是当前生物基因工程技术的重点研究方向. 由于生物细胞的直径通常在范围内，其操作精度远超人类生理极限，因此研发适用于生物工程领域的低成本、高精度微小型自动化机器人，对于实现细胞显微注射自动化的推广具有重大的实用价值. 目前，微型机器人按驱动方式可分为微电机驱动、压电陶瓷驱动和电磁驱动.

国外学者因研究起步较早，已经取得较好的研究成果. 如文献[1]采用四组压电陶瓷致动器和两个U型电磁铁设计了一款完整约束机器人，精度达，但未解决显微针在垂直方向的运动，且旋转空间要求大. 文献[2]可实现三自由度显微针运动控制，结合机器视觉和PID算法，实现了人类精子的固定和吸取动作，但是实验条件成本高，要求高精密电机驱动X-Y转换工作台. 文献[3]将视觉监控和微执行器相结合，实现固定细胞的显微注射. 文献[4]则使用压电驱动超声波细胞注射技术，实现了批量斑马卵细胞的注射. 在国内，文献[5]研发出国内第一台细胞注射微操机器人，实验成功率达80%，但设备成本相对高，不利于推广. 文献[6]首创了微流体数字化驱动的自动化细胞注射系统，但未研发出可供推广应用的微小机器人. 文献[7]使用微力传感器采集细胞注射过程中的受力情怳，并结合机器视觉实现了细胞显微注射，但其传感器不容易安装和测试. 可以看到，压电陶瓷因其小型轻便、输出力大、反应灵敏、精度高等特点受到国内外科研工作者的青睐. 压电驱动并结合机器视觉和微小型机器人是当前显微注射的主流研究方向，鉴于其存在研发成本高、可重复性较差、不易推广等缺点，本文提出一种基于微操机器人的自动化显微注射系统[8]：三自由度微型操作机器人（以下简称微操机器人），它主要由压电陶瓷、电流线圈混合驱动，同时设计了针对机器人驱动的可变频驱动控制板和信号功率放大器.

1 自动化显微注射系统

显微注射系统实物如图1-a，主要由多孔径倒置显微镜平台、微操机器人、平面铁磁板、模拟信号发生器、功率放大器、两组全局摄相机、可编程电源和差分式气泵等构成. 微操机器人由压电陶瓷、电流线圈和音圈马达混合驱动，显微操作针安装在音圈马达装置上. 系统框图见图1-b.

a. 显微注射系统实物图 b. 显微注射系统框图

1.1 三自由度混合式驱动微操作机器人

考虑到显微操作空间以及精度的要求，微操机器人设计为小尺寸：，从结构上分为平面行走和纵向微动模块. 如图2-a，压电陶瓷型号为NEC AE0505D08F，工作电压，最大位移. 微型机器人可完成3个自由度方向的运动：直线运动、旋转与转弯和垂直方向（显微针移动），通过模拟信号发生器，分别调整压电陶瓷上的电压、电流线圈的电流强度与相位，驱动微操机器人前后运动、转向和旋转；而通过操作可编程电源改变音圈马达的电流，则可实现微操作工具（吸持针或注射针）在垂直方向的上下位移调整.

图2 微小型注射机器人

平面行走模块主要部件为：一对压电陶瓷、2个线圈、2个U形导磁铁芯、1对金属薄簧片、前/中/后向机身部件. U形导磁铁芯安装在前后机身上，其4个支点用作微操机器人的支撑脚，线圈缠绕在铁芯中间位置，通电时使其吸附在铁磁性面板上. 后机身与中间机身通过两片易形变的铜材质薄簧片衔接，且在衔接下方各形成一个直角的凹槽，在两侧凹槽内分别固定一个层积式压电陶瓷元件. 中间机身和前向机身由旋转转动轴连接，确保整个机器人处于同一工作平面且以尺蠖蠕动方式实现微位移. 纵向微动模块为改进的线性音圈马达，如图2-b所示，尺寸为，由电流线圈、2块永久磁铁、2片薄铜簧片、塑料动板和基座构成. 磁铁安装在动板内置孔内，竖直嵌套在线圈两端；线圈则安装在基座上；动板和基座经由薄铜簧片连接，由线圈产生的电磁力驱动音圈马达在竖直方向上运动. 纵向微动模块主要负责调节注射针在竖直方向的移动，并使被注射细胞的质心和注射针尖处于同一水平线上. 改进的纵向微动模块克服了传统导轨轴承传动产生的非线性等缺点.

1.2 模拟驱动信号发生器和功率放大器

信号发生器负责传输微操机器人运动控制信号：选用32通道模拟输出卡NI PCI-6723，精度13位，峰值，电流最大值. 一个微操机器人需要4组驱动信号：2组正弦波信号驱动压电陶瓷，2组方波信号为线圈提供电流. 一般细胞显微注射需要3个机器人协作完成，本方案最多可驱动8个微操机器人.

a. 功率放大器 b. 放大电路板

微操机器人在平面做尺蠖式蠕动需要分别将前后半机身轮流吸附在铁磁板上. 吸附功能由流经电流线圈的电流调节控制. 工作条件要求产生矩形波驱动电流最大值为，为此设计了一块电流调节板卡（为独立板卡，便于安装和管理），设定通过电流线圈的电流工作范围为.

2 微型操作机器人性能分析

该微操机器人可实现平面运动和垂直方向的显微工具（吸持针和注射针）移动. 平面运动是指在平面铁磁板上前后直线运动、左右转弯和原地旋转. 垂直方向的显微针移动是指通过设置可编程电源，改变音圈马达的电流，控制显微工具在上下方向的微移动.

2.1 平面运动控制及精度分析

平面运动基本原理：微操机器人需要同一频率的压电陶瓷工作电压和电流线圈中的电流信号来驱动，并控制模拟信号发生器产生所需运动方式调整电流、电压的相位关系和各自的幅度，电流信号使机器人机身在平面铁磁板上处于吸附或自由状态，由电压信号实现前后机身的推进、拉伸和挤压，分阶段实现整体机身的蠕动. 微型操作机器结构简化如图4-a，PZ_L和PZ_R表示左右两侧的压电陶瓷，FL、FR、BL和BR表示前后两组U形磁铁所形成的4个支撑点，水平支撑点间为电流线圈. 图4-b表示微操机器人处于阶段1（前进状态），前端电流线圈断电而后端通电，将后半机身吸附在铁磁板上，同时，在两侧压电陶瓷加正弦波正相电压，使其伸长，拉伸薄铜簧片，推动前半机身向前运动；阶段2为前端电流线圈通电而后端断电，将前半机身吸附固定在铁磁板上而释放后半机身，同时，压电陶瓷加正弦波负相电压，使机身收缩，拖动后半机身向前运动. 如此循环，实现直线方向尺蠖蠕动.

a. 静止状态 b. 直线前进状态 c. 右转弯状态 d. 原地右旋转状态

同理，微操机器人实现机身左/右转弯时，只需对两侧压电陶瓷施加相位不同的电压信号. 工作原理与前进的方式类似，如图4-c所示右转弯状态. 左右两侧压电陶瓷工作电压相位相同，但左侧正弦波峰值远大于右侧. 同理，如果要实现机身原地旋转，对于左右两侧的压电陶瓷施加峰值不同且反相的电压信号，同时减小电流线圈电流，即可实现相对的原地旋转，如图4-d所示原地右旋转运动，两侧工作电压相反，且左侧压电陶瓷正弦波峰值远大于右侧.

a. 前进 b. 原地左旋转 c. 右转弯 d. 电流波形

由于压电陶瓷和机械结构的不一致以及平面摩擦力的变化，导致主微操机器人平面行走时存在理论偏差. 课题组使用最小二乘进行补偿[9]. 由图6-a知，工作频率为，压电陶瓷正弦波峰值电压，当步行步时，补偿前偏差位移高达，补偿后，前进步时，其位移偏移量为左右. 用间隔的透明测微尺测量测定位移与频率的关系. 移动10步的距离为6.5格，每格代表，即其速度为步. 前进步时，其位移偏移量为左右，线性精度大大提高. 平面运动位移与信号频率关系密切. 信号幅度不变，频率越大，工作周期越小，施加在压电陶瓷上的时间短，每个周期蠕动的距离越小. 反之，工作频率越低，施加在压电陶瓷上的时间长，每个周期蠕动的距离越大. 由于器件、机械结构和摩擦力的影响，曲线并非严格线性关系. 当工作频率超过时，步进精度小于测微尺1格，即步进精度可小于步.

a. 平面移动补偿前后偏移量对比 b. 垂直位移与电流关系

2.2 垂直方向上显微工具移动分析

3 实验

3.1 实验设备

实验设备有：PC机一台（含开发程序）；Olympus Ix71显微镜平台；模拟信号控制器NI PCI- 6723；功率放大器；微操机器人；成年虾卵若干（直径约）；器皿；差分式气泵；光学位移传感器；锻针仪器；硬质中性玻璃管若干（内径，壁厚，管长）；显微吸持针若干；加工长度为、针尖直径为注射针若干.

在国际市场的发展过程中，一些企业已经认识到预算管理的重要性，并试图建立许多预算管理机制。切实的到企业中运营和实施，而预算管理不仅对预算本身有着很高的需求，而且还需要有完善的监管机制来实现有效管理。在预算管理机制实施的过程中，我国企业主要关注预算工作的细节和内容，对预算管理的监督体系缺乏了解，使得企业预算管理不可能实现全面有效的落实。

3.2 系统实验操作

系统通过PC端交互界面产生驱动信号、运动方向和实时视频跟踪. 交互界面在XP系统VC 2005下开发，内嵌基于Open CV的视频采集模块. 通过3个实验检验方案效果，即系统调焦验证实验、细胞姿态调整与吸附、细胞刺穿实验. 以下实验驱动信号频率均为，细胞直径，吸持针尖针直径，注射针尖直径.

3.2.1 系统对焦验证实验

显微镜能否对焦准确是实验的前提，通过纵向模块微调显微针位移可实现自动对焦. 完成对焦后，为了确定吸持针和注射针处在同一水平面上，课题组设计了显微针对插实验来验证其位置的正确性，即注射针的针尖能否正确刺入吸持针的针头内径. 图7-a为调焦后准备对刺，显微针针端的距离约，驱动微操机器人直线前进，经几个步长后，初步接触，如图7-b所示. 如果刺偏则通过旋转和转向功能进行调整. 图7-c和图7-d分别展示了注射针准确刺入吸持针和退针的情景. 该实验表明2种针不但对焦成功而且基本保持在同一个水平面上，可以进行细胞吸附及细胞注射实验.

a. 对刺调焦准备 b. 对刺接触 c. 对刺成功 d. 显微针退针

3.2.2 细胞吸附实验

细胞固定是细胞注射的关键. 在实验中借助三端口差分式气泵实现细胞注射，其中两个端口通过软管插入装有纯净水的器皿，另一端口经软管接微操机器人的显微针. 吸附细胞时，出气端口气压小于抽气端口气压，在接有吸附针的第3个端口形成一个抽气的负压差，实现细胞吸附；注射细胞时，抽气端口气压小于出气端口气压，在接有注射针的第3个端口形成一个出气的正压，将物质注入细胞. 驱动微操机器人直线运动到距离虾卵质心约处，如图8-a所示，圆形黑色物体为虾卵（非活体）. 接着控制机器人通过前后、转向和旋转动作微调，使显微吸持针和卵细胞的质心基本处于同一水平直线上，如图8-b，然后启动气泵，产生负压，引导流体运动，实现卵细胞吸附，如图8-c，虾卵吸附在吸持针针端上，吸持针系自行打磨，显微下略显粗糙，直径为. 图8-d展示卵细胞的释放，改变气泵的开关，产生正压，在吸持针末端的卵细胞瞬间离开吸持针末端，因而CCD采集到模糊影像.

a. 准备吸附细胞 b. 吸附细胞过程 c. 稳定吸附细胞 d. 释放细胞过程

3.2.3 细胞刺穿实验

当细胞吸附固定后，则进行细胞注射. 细胞注射过程基本分为4个阶段：准备、接触、穿刺与注射和退针. 通过差分气泵产生负压，经由连通软管的吸持针，吸附和固定虾卵，图9-a为准备阶段，左侧吸附固定虾卵，处于静止状态. 通过微操机器人左右转弯和自身旋转，调整注射针方向，使得针和卵细胞质心连成一条成线，然后驱动微操机器人直线步进，运动至接触阶段，如图9-b，即注射针前进到虾卵的边缘位置初步接触注射对象. 减少前进步长，继续驱动微操机器人前进，进入穿刺阶段，由于无生命的虾卵外壳较硬、形变不明显，故在吸持针的针端处因注射针的推进仅产生轻微的形变，如图9-c所示. 此时，打开注射针端的气泵产生正压，将注射针内基因物质注射入细胞（穿刺与注射的姿态相同）. 随后驱动微操机器人后退，实现撤针，如图9-d所示. 在相同实验条件下，重复细胞注射实验50次，成功44次，成功率为88%. 实验结果表明该系统操作简单、可重复性强.

a. 准备阶段 b. 接触阶段 c. 穿刺与注射 d. 退针阶段

4 结论

本文设计了一个基于压电陶瓷、电流线圈和音圈马达混合驱动的微操机器人注射系统，分析了机器人的设计方法、工作原理和工作性能，并使用虾卵和注射针在该系统进行显微针对插、细胞吸附和细胞注射实验，结果表明，本设计操作简单，可重复性强，易于培训和推广. 此外，本设计可按实验需求，安装多路信号驱动板和功率放大器，以驱动多个机器人.

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[责任编辑：韦 韬]

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

广东省教育厅青年创新人才类项目（2015KQNCX165）；广东省教育厅特色创新类项目（2015KTSCX143）；2015年江门市科技计划项目（201501003001556）；五邑大学青年科研基金资助项目（2015zk10）

秦传波（1982—），男，安徽宿州人，讲师，博士，主要研究方向为模式识别与人工智能.