面向微流控生物细胞微操作的柔顺放大夹持器设计与阻抗控制策略仿真研究

《Scientific Reports》：Design and control of a piezoelectric microgripper for micromanipulation of biological cells

　　

摘要

生物细胞的安全可靠微操作需要兼具精确运动控制、柔性力调节以及能够应对组织变异的稳健控制策略的微夹持器。本工作针对微流控生物细胞（如胚胎干细胞和卵母细胞）的微夹持器设计与控制挑战展开研究，这些细胞的粘弹性和粘附相互作用使稳定抓取变得复杂。本文设计并优化了一种柔顺放大机构，对优化后的微夹持器进行有限元分析，位移放大比为25.02，第一固有频率为513.31 Hz，表明其在运动放大与动态性能之间取得了良好平衡。生物细胞行为采用粘弹性模型表征，夹持器的结构动力学则通过结合刚体运动学和Timoshenko梁理论的混合建模方法加以描述。为在接触与非接触条件下调节位移和夹持力，本文实现了阻抗控制与混合位置/力切换控制策略，并进行对比分析。所建立的解析模型通过有限元仿真进行了验证。在标称条件下，两种控制器均能提供满意的调节效果；然而，阻抗控制对组织刚度变化、质量估计不确定性和传感器噪声的敏感度较低，而混合方案则更容易受到切换引起的瞬态影响。本文还通过仿真研究了压电迟滞和蠕变效应的单独及共同影响，在所研究的条件下，阻抗控制器仍保持了可接受的闭环性能。使用人类胚胎干细胞特性的额外仿真表明，夹持力调节可控制在纳牛顿量级，而在所考虑的工况范围内，液体引起的附加质量和粘性阻尼影响有限。估计的闭环带宽均低于第一结构模态。总体而言，结果表明将柔顺设计、粘弹性细胞建模与基于阻抗的交互控制相结合，可为未来生物医学微操作系统提供一个有前景的基于仿真的研究框架。