本发明专利技术提出一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置及方法，通过压电换能器产生声波引起锤形末端微玻璃针共振，微粒在锤形末端微玻璃针所产生的流场力和二次辐射力的共同作用下实现旋转和移动；本发明专利技术避免了在整个操作过程中操作末端与微粒的物理接触，因此不会对目标产生任何损害，且锤形末端使微粒能够保持在原位旋转，易于将其很好地控制在观测范围内；本发明专利技术不受操作任务和操作对象大小的限制，操作灵活性强；另外本发明专利技术实现了将微粒的移动、定向和固定通过一个执行器来完成，避免了传统多执行器引起的操作复杂程度高，低成功率，低效等问题。低效等问题。低效等问题。
【技术实现步骤摘要】
一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置及方法
[0001]本专利技术属于微纳操作
，尤其涉及一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置及控制方法。
技术介绍
[0002]细胞作为生物体结构和功能的基本单位，具有独立进行多种生命活动的能力，因此细胞学的相关研究引起了现代生物科学领域的广泛关注。近三十年来，显微操作技术快速进步，为生物医学领域的发展提供了非常重要的工具，与细胞相关的显微操作技术已经成为利用显微观察和显微手术等方法探索生命本质和解决相关问题的基础。在生物医学分析、临床研究等领域，对单细胞进行可控的精准操作显得尤为重要，这项技术已经广泛应用于基因工程、胚胎移植、克隆技术和体外受精等特定过程。在这些过程中，医生往往需要在显微镜下对卵母细胞进行移动、定位、固定、注射等操作。其中细胞的定位主要是通过旋转将细胞调整姿态，定位在后期操作所需的方向。在对细胞定位后，才能进行注射精子或者遗传物质提取等操作。比如，对于卵母细胞注射精子而言，其细胞核位于细胞的边缘位置，呈不对称分布，在细胞注射过程中需要通过旋转操作将其重新定位到合适位置，调整细胞核、注射针和固定针在同一平面以保证在显微镜下能够同时观察到，从而保证细胞注射成功实现。除此之外，胚胎细胞在植入前需要多次三维图像评估，以确保其形态结构符合要求。在这些步骤中都需要精准地控制细胞的位置和方向，其中，细胞的全向旋转定位涉及两个主要的基本运动——在焦平面中的旋转和在垂直于焦平面中的旋转，分别定义为平面内旋转和平面外旋转。细胞的移动、定位及固定过程是否顺利决定着细胞显微操作的成败，因此，迫切需要创建一种可多模式切换的、高效、精准且安全性佳的微操作装置及方法。
[0003]迄今为止，高空间分辨率微型致动器通过接触式或者非接触式方式极大地促进了细胞的精准移动，但是，受控的高精度细胞旋转技术仍然是一个挑战，尤其是同时具备细胞捕获，移动以及旋转的显微操作技术。目前，大多数的临床实践依然停留在物理接触的方式，使用传统微针的尖端直接拨动细胞从而实现位置控制。这种方法虽然在使用上比较直接，但是存在很多弊端。作为操作终端的细玻璃针在操作过程中不可避免地会对细胞造成局部负压、穿刺伤等机械损伤，并且高精度的要求使机械手过于复杂，难以实现较高的稳定性，这些问题导致细胞显微操作成功率低下。随着显微操作技术的发展，人们开始不再依赖于接触式的操作方式，而是通过控制多个物理场，近年来，一系列基于物理场能量的驱动方法(例如，光镊、磁镊、声学镊子、介电泳和流体动力场等)已被建立用于进行细胞的移动和旋转。这些过程没有直接的机械接触，克服了接触式物理操作的一些弊端，但依然存在风险，磁场、电场或者高温都有可能对细胞造成潜在损害，并且此类方法设备复杂且昂贵，推广门槛高。相比之下，流体动力场通过绘制压力梯度分布，产生定向流体力来改变细胞的运动，这种方式往往被认为是无损的。然而，这种方式往往在封闭、狭窄的微流体通道中实现，无法实现对细胞的灵活取放，一般只适用于细胞观察，不适合进一步的细胞手术，比如注射、去核等。
[0004]综上所述，现有的显微操作技术越来越难以满足例如卵母细胞注射等具有移动、定位和固定等复杂操作过程的需求。
技术实现思路
[0005]为克服上述技术现有的缺陷，本专利技术提出一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置及方法，通过声波激发锤形玻璃末端振荡，在其周围产生时均流场和二次辐射力实现对目标物的移动和旋转定向操作，有效解决现阶段微操作方法中所存在的功能单一、损害目标物、系统复杂、灵活性差等问题。
[0006]一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，包括微玻璃针(3)、夹持机构、玻璃皿(4)和压电换能器(5)；
[0007]所述微玻璃针(3)的前端由夹持机构固定，微玻璃针(3)的末端置于玻璃皿(4)所盛的液体中；
[0008]所述压电换能器(5)用于产生一定设定频率和振幅的声波，通过玻璃皿(4)中液体的传递，使微玻璃针(3)产生共振，从而在周围的液体中产生时均流场和二次辐射力，共同作用在微粒(6)上，带动微粒(6)旋转和移动。
[0009]较佳的，微玻璃针(3)的末端设计为锤形。
[0010]较佳的，所述夹持机构包括三轴移动平台(1)和微调平台(2)；所述微调平台(2)固定在三轴移动平台(1)上，所述微玻璃针(3)固定在微调平台(2)上，其中三轴移动平台(1)用于调整微调平台(2)的位置，微调平台(2)用于调节微玻璃针(3)的方向和位姿。
[0011]较佳的，所述压电换能器(5)固定在玻璃皿(4)上。
[0012]较佳的，所述压电换能器(5)包括压电换能片和压电驱动器；所述压电驱动器用于给压电换能片输入正弦信号，使压电换能片产生设定频率和振幅的声波；压电换能片固定在玻璃皿(4)底部。
[0013]一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置的控制方法，包括：
[0014]S401：将微粒(6)放置于玻璃皿(4)的液体中，并将其通过载玻片置于显微镜的视野中；
[0015]S402：调节三轴运动平台(1)和微调平台(2)，将微玻璃针(3)浸没在玻璃皿(4)的液体中；
[0016]S403；打开压电换能器(5)，调整其输出声波的频率和振幅，当声波频率接近微玻璃针(3)的共振频率时，微玻璃针(3)发生振荡，从而在其周围产生垂直分布的流场；
[0017]S404：调节三轴运动平台(1)，使微玻璃针(3)针身靠近微粒(6)，在二次辐射力的作用下，微粒(6)向微玻璃针(3)靠近，在所述针身表面高速流动的液体使微粒(6)靠近却不与针身接触，实现微粒(6)的捕获；
[0018]S405:调节三轴移动平台(1)，使微玻璃针(3)产生位移，在二次辐射力的作用下带动微粒(6)移动；
[0019]S406：到达目标位置后，微粒(6)在流场力和二次辐射力的作用下进行平面内旋转；
[0020]S407：调整玻璃皿(4)的位置，从而将微粒(6)移动到微玻璃针(3)末端端口处，微粒(6)在流场力和二次辐射力的作用下进行平面外旋转；
[0021]S408：通过降低压电换能器(5)的输入电压，使得微粒(6)转速缓慢下降到最低转速，当转动到预期位姿时，立刻切断压电换能器(5)的输入信号，微粒(6)立刻停止转动。
[0022]本专利技术具有如下有益效果：
[0023]本专利技术提出一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置及方法，通过压电换能器产生声波引起锤形末端微玻璃针共振，微粒在锤形末端微玻璃针所产生的流场力和二次辐射力的共同作用下实现旋转和移动；对比已有的利用微操作机械手系统，本专利技术避免了在整个操作过程中操作末端与微粒的物理接触，因此不会对目标产生任何损害，且锤形末端使微粒能够保持在原位旋转，易于将其很好地控制在观测范围内；对比已有的以磁、电、光等作为外场间接作用的非接触式操作，本专利技术具有更好的安全性；对比已有的在微流控芯片内进行细胞显微操作的系统，本专利技术不受操作任务和操作对象大小的限制，操本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，其特征在于，包括微玻璃针(3)、夹持机构、玻璃皿(4)和压电换能器(5)；所述微玻璃针(3)的前端由夹持机构固定，微玻璃针(3)的末端置于玻璃皿(4)所盛的液体中；所述压电换能器(5)用于产生一定设定频率和振幅的声波，通过玻璃皿(4)中液体的传递，使微玻璃针(3)产生共振，从而在周围的液体中产生时均流场和二次辐射力，共同作用在微粒(6)上，带动微粒(6)旋转和移动。2.如权利要求1所述的一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，其特征在于，微玻璃针(3)的末端设计为锤形。3.如权利要求1所述的一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，其特征在于，所述夹持机构包括三轴移动平台(1)和微调平台(2)；所述微调平台(2)固定在三轴移动平台(1)上，所述微玻璃针(3)固定在微调平台(2)上，其中三轴移动平台(1)用于调整微调平台(2)的位置，微调平台(2)用于调节微玻璃针(3)的方向和位姿。4.如权利要求1所述的一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，其特征在于，所述压电换能器(5)固定在玻璃皿(4)上。5.如权利要求4所述的一种声流镊驱动的微小目标的移动和转动控制装置，其特征在于，所述压电换能器(5)包括压电换能片和压电驱动器；所述压电驱动器用于给压电换能片输入正弦信号，使压电换能片产生设定频率和振...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓明，李玉洋，王婷婷，柳丹，唐小庆，黄强，新井健生，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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