面向实时自适应多模态操作的软体微操作机器人：解决生物医学中跨尺度、空间约束与多功能集成挑战

《Advanced Science》：Soft Micromanipulation Robot for Real-Time Adaptive Multimodal Operation

本文介绍了一种创新的软体微操作机器人（SMR），其通过中空多缺口拮抗-激动机制实现全向、微米级精度的操作，结合±180°弯曲与360°旋转实现全角度工作，定位精度达14微米。SMR能够原位适应敏感生物样本与受限工作空间（如生物芯片、多孔板），支持抽吸、转移、可编程组装、靶向微注射及生物样本局部切割等多种操作模式。该平台在构建人肾细胞球状体组装实验及肿瘤模拟结构的精准干预中展现出卓越潜力，为体外建模、药物测试及微尺度手术等生物医学场景提供了灵活、自适应的解决方案。

　　

1 引言

微观世界的揭示从根本上改变了我们对生命与疾病的理解。许多生理与病理过程，从细胞代谢到癌症的发生，均起源于微米尺度。这促使研究人员利用工程学、机器人学及控制理论的进展，开发能够在微观世界复制宏观操作技能的微操作器，实现对生命系统的“奇妙航行”。然而，微操作领域仍面临三个关键科学挑战：生物靶标在尺寸上跨越多个数量级（从细胞到毫米级模式生物），要求操作器兼具微米级精度、自适应运动性与多功能集成；操作通常在空间受限的工作空间（如生物芯片或多孔板）内进行，物理边界严重限制可达性与灵活性；所需操作的多样性（包括抽吸、转移、旋转、切割、注射与组装）要求统一平台能够整合多种操作模式并协调执行。应对跨尺度异质性、受限工作空间可达性及多模态集成这三重挑战，是开发多功能微操作器的关键。

非接触式微操作策略（如磁力、光学、声学、微流控）利用场诱导力实现三维操作，其非接触特性可实现跨尺度的温和操控，但固有的力产生限制与自由度不足使其难以胜任依赖接触的操作（如抽吸、微注射、微解剖）。面对非接触方法的局限性，研究重新聚焦于系留方法。传统的微操作平台通过增加自由度（DOFs）来提升灵活性，并在特定应用（如精子抽吸、胚胎微注射）中展示了改进效果。然而，这些任务特定的创新缺乏能够同时应对生物多样性、几何限制及组合操作需求的统一架构。

受生物附肢（如象鼻、章鱼腕足）启发的软体连续体机器人，凭借其固有的柔顺性、连续变形能力及高灵活性，为与脆弱样本的安全交互提供了有吸引力的替代方案。其在宏观机器人手术中的成功证明了其穿越狭窄自然腔道执行复杂任务（如肿瘤活检、组织切除）的能力。然而，现有设计主要针对外科应用，其亚毫米级精度通常可接受，且操作需求与微观尺度存在显著差异。它们缺乏处理从单细胞到毫米级生物体靶标所需的跨尺度适应性、微米级精度及多模态功能，也无法在显微镜条件下整合抽吸、旋转、注射、组装等多种操作。

2 结果与讨论

2.1 软体微操作机器人的设计

软体微操作机器人（SMR）集成了三个功能互补的模块——弯曲模块、旋转模块和平移模块——以应对跨尺度生物异质性、工作空间约束和多模态操作需求。SMR的核心组件是一个采用中空嵌套设计的双管弯曲模块，其远端融合，内管（激动剂，红色）和外管（拮抗剂，黄色）构成仿生拮抗-激动对。线性马达T驱动内管产生线性位移，通过不对称缺口设计在内外管中性轴之间产生力臂，从而产生弯曲扭矩。这种动态平衡实现了稳定的曲率控制（±180°）。整个弯曲模块可由旋转马达驱动进行连续360°旋转，从而将末端执行器重新定向至任意空间角度。三自由度平移平台通过动态补偿弯曲或旋转过程中的末端执行器位移，使目标始终保持在操作工作空间内。这种协调的运动控制使得在密闭环境（如多孔板、生物芯片）中实现“全角度”（±180°弯曲和360°旋转）操作成为可能。功能通道贯穿弯曲模块，可容纳各种系留微工具（微吸管、微注射针、微电极等）。

2.2 软体微操作机器人的双模控制

为确保SMR在连续角度调整期间保持在显微镜视场（FOV）内，开发了包含弯曲模型和旋转模型的双模协调控制系统。弯曲模型根据线性马达T的位移确定末端执行器的三维位姿（位置和弯曲角度），实现大范围方向偏转。同时，旋转模型驱动独立的旋转马达实现全向面内角度调整，允许重新定向而无横向漂移。

弯曲运动学采用变曲率方法建模，考虑了内外管各节段的可变缺口长度w_j和刚性段长度c_j。该模型将马达位移d与几何管参数定量关联，并可通过齐次变换矩阵计算从基座到末端执行器位置的总体变换。旋转模型定义了末端执行器在绕T_m轴旋转运动期间的位置P_e，其中旋转半径的大小由弯曲模型中的马达位移d决定。

该双模型协作框架为精确的SMR运动控制奠定了基础。弯曲模型提供末端执行器三维位姿的准确预测与控制。旋转模型实现在受限工作空间内动态优化观察与操作角度。集成的主动补偿（u_xyz）有效消除了由弯曲和旋转引起的定位误差，并减轻了光学遮挡带来的操作限制。这种解耦的运动学框架支持高级反馈控制器的实现，以最小化末端执行器定位误差，显著增强SMR在复杂任务微操作场景中的适用性。

2.3 多角度校准与精度评估

SMR额外的弯曲和旋转自由度带来了灵活性，但也引入了巨大的校准挑战。传统的点对点校准方法需要大量人工干预且耗时，限制了其在时间敏感的生物学程序中的应用。

校准目标在于确定将末端执行器位置映射到相机坐标的刚性变换（旋转矩阵R和平移向量t）。为克服单平面校准中沿光轴（Z_c）的强耦合性，开发了一种多平面迭代最近点（ICP）方法。SMR末端执行器尖端在三个不同的焦深（Z_c1, Z_c2, Z_c3）上追踪预定义的利萨如轨迹，通过协调SMR弯曲、旋转和三自由度平移实现。校准流程包含三个层次优化的阶段：每平面粗对齐、全局线性初始化和全局ICP细化。

为验证快速校准算法的效率与多角度精度，进行了两项实验。校准速度通过30次重复试验评估，该算法每次校准仅需10 ± 1.9秒，比传统点对点方法（15 ± 2.6分钟）提升90倍，同时保持相当的定位精度。操作精度在SMR不同弯曲角度（0°, 45°, 90°）下通过三种测试轨迹进行评估：通过8字形路径（3周期，4800点）评估连续运动精度，通过五边形路径点（1周期，3500点）评估点对点瞄准，通过蝙蝠形路径（1周期，8500点）评估复杂轨迹跟踪。在0°（直构型）下，所有轨迹均实现亚7微米精度。在45°弯曲下，连续轨迹保持类似高精度，而五边形精度因方向转换期间的跟踪误差下降至12.43 ± 5.06微米。在90°弯曲试验中，所有轨迹均保持足以进行单细胞操作的精度（<14微米）。所有配置和轨迹的平均误差均低于14微米，满足精细单细胞操作的要求。跨所有角度配置的一致误差性能证明了在整个工作空间内具有稳健的角度容错能力，验证了校准对于复杂三维生物操作的可靠性。

2.4 可操作性与适应性验证

为应对生物微操作中受限的操作角度、培养容器几何约束和生物靶标跨尺度异质性等挑战，进行了两项集成实验：功能可操作性测试以量化尖端接触期间的角度可达性和机械相互作用特性，以及跨标准化容器的容器适应性验证。

与传统刚性操作器（RM）相比，SMR在可访问工作空间面积上提供了3.4至6.8倍的提升。使用棉根模型（φ ≈ 3毫米）的实验验证证实了其扩展工作空间的实际优势：SMR稳健地访问了所有10个预定义位置，并通过180°弯曲结合60°旋转在远端侧位实现165°无阴影可视化，以及通过60°弯曲补偿线性平台固有30°角实现90°垂直尖端插入，显著减少剪切诱导的组织损伤。

可预测的力-位移行为对于跨不同弯曲角度的可靠微操作（特别是注射）至关重要。在0°、30°、45°和90°角度下测量力-位移曲线。拮抗双管机制调控力调节：在0°弯曲时，最大输出为830 ± 50 mN；随着弯曲增加至30°和45°，力输出逐渐减少至392 ± 30 mN和200 ± 20 mN；在90°弯曲时，力在500微米位移内峰值为70 ± 15 mN。重要的是，SMR在90°弯曲、10微米位移下提供2.73 ± 0.69 mN的力，足以进行斑马鱼卵母细胞穿刺（通常需要0.7–1.2 mN）。这种可预测的角度依赖性力学使得能够进行精确的微注射校准，而不影响机械可靠性。

为验证SMR对典型容器的适应性，容器选择标准涵盖了连续尺寸梯度（6.4–60毫米直径），代表了所有关键实验参数：体积（微升至毫升范围）、结构（开放vs.半封闭设计）和空间复杂性（2D至3D培养微结构）。SMR通过功能通道集成微流控系统，实现末端执行器（用于转移和捕获的钝头、用于注射的尖锐斜面）的快速更换，以应对不同的微操作。在96孔板（φ 6.4毫米）中，90°垂直弯曲实现了100微米荧光珠的精确定位（±14微米）。在T25培养瓶中，协调的60°弯曲±120°旋转通过无碰撞壁访问实现长期培养中的定向干预。中尺度操作展示了跨功能多功能性：60毫米培养皿容纳长距离平移以创建400–800微米微结构，而35毫米培养皿中的85°弯曲促进了顺序珠放置成环形结构。在6孔板中，簇（280 ± 30微米）在400微米和800微米微孔之间的转移证明了生物靶标的可靠且无损伤处理，确认了其适用于复杂生物组装任务。

2.5 体外环形结构的生物构建

环形生物结构（如血管、肠道、肾小管）在活体组织中广泛存在，为模拟生理微环境、构建病理生理模型及研究细胞力学和药物递送效率提供了独特优势。这些生物结构通常在体外制备，需要外部机械刺激引导细胞自组装成三维形状。

手动移液器操作方法显示出在精确定位方面的关键局限性。生理性手部震颤（50–200微米振幅）导致沉积过程中的定位误差超过200微米。这种精度限制迫使操作者采用随机液滴沉积方法，导致细胞-细胞接触紊乱，且大多无法形成适用于生理学研究的可重现环形生物结构。

为评估SMR构建复杂生物结构的能力，将其多角度操作性能与仅限于固定角度访问的刚性微操作器进行了两项实验比较。第一项实验将单细胞球状体精确放置在环形生物芯片内的四个预定位置（0°, 90°, 180°, 270°）。第二项实验侧重于使用双荧光（mCherry/GFP）293T细胞球状体构建完整、连续的环形组装体。量化了三个关键参数的性能：空间定位精度、生物芯片损伤发生率和最终生物组装体的结构完整性。

十三名操作者参与了细胞放置实验。虽然刚性操作器保持了稳定的定位精度，但其总体成功率仍不理想。固定角度操作模式导致约24%的尝试中生物芯片受损。对于无碰撞操作，刚性操作器依赖于悬停释放方法，该方法的有效性对难以补偿的不稳定参数高度敏感。相比之下，SMR通过多角度调整显著提高了放置成功率，在所有角度实现了73–77%的成功率，而刚性操作器为26–56%。环形组装实验采用琼脂糖环形生物芯片以确保微环境一致性。使用SMR的操作者（B, D–G）在多个指标上表现出明显改善的性能。成功率对于专家操作者达到85%，熟练操作者达到80%，新手操作者达到70–85%，表明无论经验水平如何，性能均保持一致。生物芯片损伤降至仅3%，并且由于机器人全向访问，细胞簇重叠被有效消除。此外，通过最小化操作步骤显著增强了环状度，有助于实现更精确可靠的结构组装。这些结果共同证明，SMR的实时自适应能力（通过多角度补偿和初始姿态调整实现）有效克服了传统刚性操作器在复杂三维生物构建中的固有局限性，确保了精确、可靠的操作，同时保护了微环境的完整性。

2.6 全向软体微操作机器人的生物医学应用

本节进行了一系列实验，以证明所开发SMR的全向可操作性、任务适应性和多功能性，这些是传统微操作器无法实现的。这些实验系统地展示了机器人在脆弱、异质性微环境中执行高级任务（包括捕获、转移、注射和切除）的能力，同时保持生物样本及其周围基质的结构完整性。

实现局部药物递送中的高靶向精度对于可靠的疗效评估至关重要。本文介绍的SMR实现了一种精确药理学测试的新方法，允许进行空间控制的细胞级药物递送。利用第2.5节建立的灵活操作框架，开发了一种多角度药物递送机器人。构建了交替的GFP和mCherry标记的细胞环（150微米半径），由200微米293T荧光细胞簇组装而成，实现了跨多个平面（80微米Z轴间距）的三维空间编程药物递送。SMR采用拉制而成的硼硅酸盐玻璃微电极（≈5微米内径，长锥度），确保平滑的流体控制和精确的组织穿透，同时最大限度地减少附带损伤。SMR在局部药物递送中表现出卓越的适应性，能够以高分辨率进行空间和时间受控的药理学干预。使用双模式（明场和荧光）成像，在递送过程中监测实时药物分布和组织反应。测试了三种药理学上不同的药物以代表不同的治疗场景：75%乙醇作为快速裂解药物，Zeocin（10 mg mL^-1）作为慢扩散抗生素，5-氟尿嘧啶（5-FU）作为剂量依赖性化疗药物。乙醇通过高压脉冲（2 μL s^-1）递送，导致靶细胞立即结构崩解。相比之下，Zeocin以低压、间歇模式（0.1 μL s^-1，间隔2秒）给药，以促进逐渐扩散，同时最小化机械干扰。对于5-FU，浓度梯度（100–1000 μM）揭示了阈值效应：低于600 μM的浓度未引起显著生长抑制，而800和1000 μM处理导致注射部位293T细胞扩张明显抑制。在整个过程中，SMR的动态重新配置（通过可调弯曲15°–120°和旋转±90°实现）确保了在复杂分层结构中精确导航，每次注射在30秒内完成。这些结果证明了SMR以可编程时空精度递送多种药理制剂的能力，支持其用于定量药物疗效研究的潜力。

癌症研究和药物开发 critically depend on precise tumor excision techniques to investigate tumor-stroma interactions, evaluate treatment responses, and explore metastatic mechanisms. 本文中，SMR能够在受限的三维微环境中使用仿生肿瘤模型进行精确显微手术。通过将GFP标记的“肿瘤”簇（100微米直径，正常细胞团块大小的一半）可编程地嵌入mCherry表达的健康细胞环内。在生物芯片限制和重力沉降下培养24小时后，这些结构发育成成熟的肿瘤模拟结构（280 × 150微米），具有真实的细胞粘附。通过结合明场和荧光成像精确定位肿瘤。利用SMR的细胞级精度，切除使用硼硅酸盐微吸管（10微米内径，3–5毫米中锥度）通过多点渐进抽吸进行，优化了分离效率并防止堵塞。该策略有效防止了对健康组织的机械损伤，同时允许在显微手术过程中进行实时监测和动态参数调整。术后，三维重建和体积分析证实了切除的高精度。约98.4%的肿瘤模拟质量被成功移除，而超过99%的包裹健康组织（红色荧光293T细胞）保持完整。这证明了我们的方法在实现彻底肿瘤切除并异常保留邻近健康结构方面的能力。

3 结论

本文提出了软体微操作机器人（SMR）以应对生物微操作中的三大挑战——跨尺度靶标操作、受限工作空间导航和集成多模态操作。其中空嵌套拮抗-激动机制抑制了弯曲不稳定性，而光聚合集成结构消除了力不平衡引起的扭转。该设计使得在与三自由度线性平移平台集成时，能够在显微镜视场内实现“全角度”（±180°弯曲，360°旋转）操作。通过严格的轨迹跟踪测试（五边形、8字形和不规则蝙蝠路径），SMR在关键方向（0°, 45°, 90°）上展示了±14微米的定位精度。SMR实现了与刚性操作器相比6.8倍的有效工作空间提升，这在包括棉根无遮挡多角度访问和跨多种实验室器皿（培养皿、多孔板、培养瓶、生物芯片）的微珠转移等任务中得到证明。这种增强的操作范围最小化了碰撞风险，同时最大化受限工作空间中的可用空间。成功执行了集成操作，包括从荧光微珠到293T细胞簇的靶标的抽吸、转移、可编程组装、微注射和切割。关键的是，在受限生物芯片内从GFP和mCherry标记的293T细胞制造了环形生物结构，为药物筛选创建了空间组织的细胞系统。为展示其显微手术能力，SMR执行了两项高精度手术实验。第一项涉及多角度微注射，精度达5 ± 2.4微米，利用自适应递送模式：用于靶向单点治疗的Zeocin溶液的低压连续释放，以及用于特定细胞球多点消融的75%乙醇的高压脉冲注射。第二项应用展示了高精度肿瘤模拟环切除，体积分析确认移除了98.4%的靶标质量，同时保留了邻近健康细胞。这种精度，结合其用于局部药物递送的自适应注射系统，促进了个性化治疗研究。

尽管当前基于树脂的原型在密集循环操作中表现出延迟弹性恢复，这是核心功能可接受的成本效益折衷。通过采用基于视觉的反馈控制策略在线检测和校正位置误差，可以实时减轻这种影响。或者，可以通过按需数字光处理（DLP）打印进行任务特定制造来维持性能，或使用超弹性材料（如镍钛诺）替代结构以增强可重用性并减少恢复延迟。这种高精度多角度操作能力为小模式生物（包括类器官、斑马鱼幼虫和果蝇幼虫）的应用带来了希望，使得能够对脆弱解剖部位（如性腺、心脏和感觉器官）进行靶向干预。随着多智能体智能和先进传感技术的持续发展，这种能够集成和处理多模态数据的全向微操作机器人系统将成为未来智能微操作研究的强大且可扩展的平台。

组装的环形结构在生物芯片内表现出稳健的结构稳定性，在超过七天内保持其定义的几何形状而未检测到变形。值得注意的是，在第3至5天，每个结构中心 consistently 出现坏死核心，这可能是由于高细胞密度导致的氧气和营养物质扩散限制所致。释放到标准培养环境中后，结构完整性逐渐退化：细胞在24小时内向外迁移形成外周光环，环在第3天变平，凸显了物理限制对于三维组织的必要性。为探究药理学反应，对200个细胞环进行了靶向5-FU注射（800 μM, 0.5 μL），对照组接受0.5 μL培养基（10%FPS + DMEM）。尽管高浓度5-FU如预期有效抑制了环状结构的局部生长，但ATP测定结果却违反直觉，药物注射组的相对发光单位（RLU）值略高于对照组。我们假设这种效应可能源于竞争性释放（即清除药物敏感性较弱的细胞使更健康的邻居受益）或轻度毒物兴奋效应（即低水平5-FU短暂增强代谢活性）。这种意想不到的反应揭示了药物作用的复杂空间动力学，这是传统技术无法研究的。

4 实验部分

SMR使用Form 3B+立体光刻（SLA）打印机（Formlabs）制造。用于功能表征（如运动学性能、工作空间分析）的初始原型使用Clear Resin（Formlabs）打印。对于所有生物学实验，为确保完全生物相容性，SMR使用BioMed Clear（Formlabs）制造，这是一种根据ISO 10993-5认证无细胞毒性的医疗器械材料。采用严格的后期处理方案以消除未固化树脂并对设备进行细胞培养实验灭菌。293T细胞系（GNHu17）在补充有10%胎牛血清（FBS）的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中，于37°C、5% CO₂湿润气氛下维持培养。微阵列芯片通过将熔融的3%（w/v）PBS琼脂糖溶液倒入无菌培养皿中，并使用光固化3D打印模具压印形成特征而制备。微流控递送系统由氟化乙丙烯（FEP）管、定制模块化连接器和可互换微吸管组成，与油驱动微注射器（CellTram 4r Oil, Eppendorf）耦合，由步进电机驱动以实现精确的微尺度操控。荧光分析使用转盘共聚焦显微镜系统（IX83, Olympus）进行。微操作实验使用倒置显微镜系统（IX73P1F, Olympus）进行。所有定量数据以均值±标准差表示。性能比较使用独立双样本双尾t检验进行，显著性水平设为α = 0.01。