一種用于微小生物體的氣動微操作裝置的制作方法

專利名稱：一種用于微小生物體的氣動微操作裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，適用于對微小生物體及微小 顆粒的分揀篩選等操作，屬于生物醫學技術領域。
背景技術：
在生命科學研究領域，模式生物常被作為選定的生物物種進行研究，用于揭示某 種具有普遍規律的生命現象；作為典型的模式生物代表，秀麗隱桿線蟲因其為多細胞動物， 生長發育過程與人類相似，已經為生物學家進行了許多科學實驗研究，并發現了許多疾病 的本質機理，為人類延長壽命，更好生活帶來了福音。雖然模式生物研究得到了日益重視，但是針對模式生物尤其是以線蟲為代表的自 動化分揀裝置研制還未被國內外學者所體積，目前絕大多數操作仍采用鑷子、毛細管等工 具，通過人工顯微鏡下觀察并手工進行實驗操作，其操作效率低、成功率低、工作強度大，很 難實現生物實驗高通量。國外如澳大利亞的R. A. Russell研究的“用于完成亞毫米級抓取及操作任務的機 器人裝置”、日本Nagoya大學F. Arai等人研究的“用于微型操作的粘著型末端執行器”等， 雖然同是對微小物體進行微操作，但由于其方法及機理不同，僅適用于微小固體顆粒等的 操作。國內如華中科技大學黃心漢等人研究的“基于顯微視覺的微裝配機器人裝置”、哈 爾濱工業大學付國義“面向亞毫米器件操作的真空吸附式作業工具的研制”等均采用真空 吸附方式進行微小固體顆粒的吸取等微操作；哈爾濱工業大學王會香等人提出的“適用于 生物顯微切割操作的真空吸附拾取組織新方法”雖然也涉及到生物科學領域，但其操作對 象是更細小無生命運動的微細組織，并不適用于如線蟲為代表的微小生物體。總之，目前國內外雖然對微細操作的研究工作取得了一些進展，但還存有如下問 題1)針對微小生物體的自動化操作裝置仍未出現；2)目前的真空微操作裝置都采用壓縮 氣泵和真空發生器配合使用的方式進行，其裝置結構龐大，不易移動及便攜；3)絕大多數 真空微操作裝置進行操作時因其對象為固體顆粒，均為開環操作裝置，控制精度不高。

發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提供一種體積小、易攜帶的擁有負壓吸附氣路與 正壓釋放氣路的用于微小生物體真空微操作裝置，可以分別實現微小生物體的吸取和釋放 等微操作，用來針對用來為亞毫米級的微小生物的活體、尸體或組織等進行分揀、篩選、移 動等微操作，而不至對生物體造成傷害及損壞。本發明一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，包括控制器、負壓真空泵、負壓節 流閥、真空比例閥、吸附電磁閥、氣路軟管、壓力傳感器、微調姿組件、正壓氣泵、正壓節流 閥、正壓比例閥、釋放電磁閥、速度控制閥和末端微夾。其中，負壓真空泵通過軟管及接頭與負壓節流閥的輸入端相連。負壓節流閥的輸
4出端通過氣管與真空比例閥的輸入端連接。真空比例閥的輸出端通過氣管及接頭與吸附電 磁閥的輸入端相連，在吸附電磁閥的輸出端通過氣路軟管與壓力傳感器相連，壓力傳感器 的另一端通過氣管連接有微調姿組件，末端微夾固定安裝在微調姿組件上。正壓氣泵通過氣管及接頭與正壓節流閥的輸入端相連。正壓節流閥的輸出端通過 氣管與正壓比例閥的輸入端連接。正壓比例閥的輸出端通過管路及接頭與釋放電磁閥的輸 入端相連。在釋放電磁閥的輸出端還通過氣管及接頭與速度控制閥的輸入端相連，速度控 制閥通過氣路軟管與壓力傳感器相連。控制器分別與真空比例閥、吸附電磁閥、壓力傳感 器、微調姿組件、正壓比例閥和釋放電磁閥相連。所述微調姿組件包括軟管、彈性管、記憶合金絲、固膠狀軟體和外套。其中，外套、 彈性管、軟管由外層到內層依次套接；外套與彈性管間設置有固膠狀軟體；記憶合金絲固 定設置在固膠狀軟體內，與外套以及彈性管不接觸；所述記憶合金絲為2η條，η為正整數， η ^ 2，記憶合金絲之間相互平行，兩兩為一對，且其中至少有兩對記憶合金絲所在平面相
互垂直。本發明微操作裝置通過控制器驅動吸附電磁閥和釋放電磁閥處于關閉狀態，且使 負壓真空泵工作于負壓真空狀態。由控制器驅動微調姿組件進行微調姿，使末端微夾對準 生物體，通過控制器設定真空比例閥的真空負壓數據，使負壓吸附氣路處于所設定的負壓 環境，開啟吸附電磁閥，由此開始進行吸附微操作，將微生物體吸附在末端微夾上。當末端微夾將生物體移到指定地點后，通過控制器驅動吸附電磁閥和釋放電磁閥 處于關閉狀態，且使正壓氣泵工作于正壓狀態。通過控制器設定正壓比例閥的正壓壓力數 據，使正壓釋放氣路處于所設定的正壓環境，開啟釋放電磁閥，由此開始進行釋放微操作， 將末端微夾上的生物體釋放到指定地點。本發明的優點在于(1)本發明的微操作裝置能夠適用于微小生物體的微操作過程中，可以針對活體、 尸體、組織等生物體進行分揀、篩選、移動等微操作，而不至對生物體造成傷害及損壞；(2)本發明的微操作裝置具有兩條氣路，并通過氣路軟管連接到末端微夾上，可以 分別實現微小生物體的吸取和釋放等微操作；(3)本發明的微操作裝置采用微型負壓真空泵和微型正壓氣泵作為氣源，減小了 微操作裝置的尺寸，易于便攜與移動，易于與其它設備集成到一體；(4)本發明的微操作裝置中負壓吸附氣路和正壓釋放氣路均采用閉環控制，使控 制器可得到吸附微操作和釋放微操作過程中的壓力變化，并實時控制壓力波動，提高氣壓 的控制精度，能夠確保在進行微小生物體操作過程不至損壞生物體；(5)本發明的微操作裝置中設有用于末端微夾調姿的微調姿組件，可以微調末端 微夾實施微操作過程的姿態，尤其勝任針對微小生物活體的微操作；(7)本發明的微操作裝置中微調姿組件采用輕質記憶合金作驅動，質量輕、疲勞壽 命高、能量密度大、運動精度高、定位準確；(8)本發明的微操作裝置中末端微夾尖端表面采用真空濺射鍍金處理，可以為微 操作過程中消除一定的靜電力影響。


圖1是本發明微操作裝置結構示意圖
圖2是本發明微操作裝置氣動原理圖
圖3是本發明微操作裝置微調姿組件結構圖4是本發明微操作裝置微調姿組件J暴炸視圖中
1-控制器2-負壓真空泵3_負壓節流閥
4-真空比例閥5-吸附電磁閥6-氣路軟管
7_壓力傳感器8-微調姿組件9-正壓氣泵
10-正壓節流閥11-正壓比例閥12-釋放電磁閥
13-速度控制閥14-末端微夾801-軟管
802-彈性管803-固膠狀軟體804-記憶合金絲
805-外套
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，如圖1所示，包括控制器1、負壓 真空泵2、負壓節流閥3、真空比例閥4、吸附電磁閥5、氣路軟管6、壓力傳感器7、微調姿組件 8、正壓氣泵9、正壓節流閥10、正壓比例閥11、釋放電磁閥12、速度控制閥13、末端微夾14。負壓真空泵2通過軟管及接頭與負壓節流閥3的輸入端相連；負壓節流閥3的輸 出端通過氣管與真空比例閥4的輸入端連接；真空比例閥4的輸出端通過氣管及接頭與吸 附電磁閥5的輸入端相連，在吸附電磁閥5的輸出端通過氣路軟管6與壓力傳感器7相連， 壓力傳感器7的另一端通過氣管連接有微調姿組件8，末端微夾14固定安裝在微調姿組件 8上，由此構成了用于實現真空吸附功能的負壓吸附氣路。正壓氣泵9通過氣管及接頭與正壓節流閥10的輸入端相連；正壓節流閥10的輸 出端通過氣管與正壓比例閥11的輸入端連接；正壓比例閥11的輸出端通過管路及接頭與 釋放電磁閥12的輸入端相連；在釋放電磁閥12的輸出端還通過氣管及接頭與速度控制閥 13的輸入端相連，速度控制閥13通過氣路軟管6與壓力傳感器7相連，由此上述結構與壓 力傳感器7的另一端連接的微調姿組件8以及與微調姿組件8連接的末端微夾14共同構 成了用于實現正壓釋放功能的正壓釋放氣路。控制器1分別與真空比例閥4、吸附電磁閥5、壓力傳感器7、正壓比例閥11、釋放 電磁閥12和微調姿組件8相連，控制器1上設置有外設接口，以便與外部控制設備連接，如 計算機等，由此實現本發明微操作裝置的遠程控制。如圖2所示，其中，負壓真空泵2用來給本發明微小生物體真空微操作裝置提供在 進行吸附微操作時負壓吸附氣路的真空負壓，既能抽真空形成負壓氣路，又能工作在小壓 力正壓氣路環境。負壓節流閥3用于控制進行吸附微操作時負壓吸附氣路中的氣體流量， 確保吸附微操作的穩定進行；真空比例閥4用來將負壓吸附氣路中的真空負壓控制在設定 的數值。吸附電磁閥5實現了負壓吸附氣路與正壓釋放氣路間的隔離，通過吸附電磁閥5 可控制負壓吸附氣路的開啟與閉合，即吸附微操作的開啟與關閉。
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正壓氣泵9用來為本發明微小生物體真空微操作裝置提供進行釋放微操作時正 壓釋放氣路中的正壓氣源。正壓節流閥10用來控制釋放微操作時正壓釋放氣路中的氣體 流量。正壓比例閥11用來將進行釋放微操作時正壓釋放氣路中正壓控制在設定的數值。速 度控制閥13用來控制在釋放微操作過程中的末端微夾14處的氣體流速，從而控制釋放生 物體的速度，防止釋放速度過快，致使微生物體消失。釋放電磁閥12實現了正壓釋放氣路 與負壓吸附氣路間的隔離，通過釋放電磁閥12可控制正壓釋放氣路的開啟與閉合，即釋放 微操作功能的開啟及關閉。壓力傳感器7用來將進行吸附微操作時末端微夾14處的實際真空負壓值實時反 饋給控制器1，或將進行釋放微操作時末端微夾14處的正壓力值實時反饋給裝置控制器1。 控制器1分別驅動吸附電磁閥5或釋放電磁閥12的開啟和關閉，實現吸附微操作與釋放微 操作間的切換。控制器1與真空比例閥4和壓力傳感器7之間采用真空負壓閉環控制，使控 制器1可得到壓力傳感器7反饋回來的真空負壓值，并實時控制壓力波動。控制器1與正 壓比例閥11和壓力傳感器7間采用正壓閉環控制，使控制器1可得到壓力傳感器7反饋回 來的正壓值，并實時控制壓力波動。通過控制器1分別控制真空比例閥4或正壓比例閥11， 使末端微夾14處的操作壓力穩定在所需數值范圍，由此提高氣壓的控制精度，能夠確保在 進行微小生物體操作過程不至損壞生物體；本發明微操作裝置中采用的負壓真空泵2與正 壓氣泵9結構尺寸小，易于移動與便攜。本發明微操作裝置中，所述末端微夾14尖端部分采用真空濺射鍍金處理，可以消 除一定的靜電力；且末端微夾14尖端開口直徑為微小生物體橫向截面直徑的25% 50%， 具體實施過程中可依據操作對象的具體橫向截面尺寸范圍擇優選擇合適的口徑可得到更 佳效果；且末端微夾14開口直徑可以依據被操作對象的尺度進行選取適當大小，具有更廣 泛的適用性。所述微調姿組件8，包括軟管801、彈性管802、固膠狀軟體803、記憶合金絲804和 外套805，如圖3所示。其中，外套805、彈性管802、軟管801由外層到內層依次套接。外套 805與彈性管802間設置有固膠狀軟體803 ；如圖4所示，記憶合金絲804為四條，固定設置 在固膠狀軟體803內，與外套805以及彈性管802不接觸。四條記憶合金絲804兩兩為一 對，且每對記憶合金絲804所在的平面相互垂直。本實施例將兩對記憶合金絲804分別設 置在固膠狀軟體803的垂直平面與水平平面上，且每對記憶合金絲804相互平行。所述記 憶合金絲804可為2η條，η為正整數，η ^ 2，其中至少有兩對記憶合金絲804所在平面相 互垂直。記憶合金絲804用來驅動微調姿組件8，使微調姿組件8具有兩個自由度微調姿功 能，通過控制器1驅動記憶合金絲804，使位于固膠狀軟體803的垂直平面與水平平面上的 記憶合金絲804收縮彎曲，使其分別做上下彎曲運動與左右彎曲運動，從而帶動微調姿組 件8做上下彎曲或左右彎曲運動，由此控制末端微夾14能夠在微觀尺度內跟蹤生物活體的 運動，以便更好的實施吸附和釋放微操作。所述彈性管802，為可彎折具有彈性變形及恢復能力的材料制成，如彈簧管等；當 其受外力作用時，可在外力作用下依據外力大小發生程度不等的彎曲變形；當外力撤除后， 彈性管802依靠自身的彈性力能夠完全恢復到其初始平衡位置。所述外套805，由柔軟性材料制成，如塑料等，當內部軟管801、彈性管802、記憶合金絲804和固膠狀軟體803發生彎曲變形時，外套805也能隨之順應變形；外套805能夠保 護內部器件免受損壞。本發明的微操作裝置在進行吸附或釋放微操作前須進行一個微操作裝置復位過 程，從而清除正壓吸附氣路與正壓釋放氣路內的微小障礙。通過控制器1驅動吸附電磁閥5 和釋放電磁閥12均處于關閉功能狀態；通過控制器1設定正壓比例閥11上的正壓數據，確 保有正壓氣源供給；通過控制器1開啟釋放電磁閥12，并監測壓力傳感器7反饋給控制器1 的壓力變化信號，由此清除正壓釋放氣路內的微小障礙；通過控制器1關閉釋放電磁閥12， 并開啟負壓真空泵2，通過控制器1設定真空比例閥4上的壓力數據，確保負壓吸附氣路處 于小壓力正壓工作環境；通過控制器1開啟吸附電磁閥5，并監測壓力傳感器7反饋給控制 器1的壓力變化信號；由此清除負壓吸附氣路內的微小障礙；通過控制器1關閉吸附電磁 閥5。本發明微操作裝置通過控制器1驅動吸附電磁閥5和釋放電磁閥12處于關閉狀 態，且使負壓真空泵2工作于負壓真空狀態。由控制器1驅動微調姿組件8進行微調姿，使 末端微夾14對準生物體，通過控制器1設定真空比例閥4的真空負壓數據，使負壓吸附氣 路處于所設定的負壓環境，開啟吸附電磁閥5，由此開始進行吸附微操作，將微生物體吸附 在末端微夾14上。當末端微夾14將生物體移到指定地點后，通過控制器1驅動吸附電磁閥5和釋放 電磁閥12處于關閉狀態，且使正壓氣泵9工作于正壓狀態。通過控制器1設定正壓比例閥 11的正壓壓力數據，使正壓釋放氣路處于所設定的正壓環境，開啟釋放電磁閥12，由此開 始進行釋放微操作，將末端微夾14上的生物體釋放到指定地點。
權利要求
一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于包括控制器、負壓真空泵、負壓節流閥、真空比例閥、吸附電磁閥、氣路軟管、壓力傳感器、微調姿組件、正壓氣泵、正壓節流閥、正壓比例閥、釋放電磁閥、速度控制閥和末端微夾；負壓真空泵通過軟管及接頭與負壓節流閥的輸入端相連；負壓節流閥的輸出端通過氣管與真空比例閥的輸入端連接；真空比例閥的輸出端通過氣管及接頭與吸附電磁閥的輸入端相連，在吸附電磁閥的輸出端通過氣路軟管與壓力傳感器相連，壓力傳感器的另一端通過氣管連接有微調姿組件，末端微夾固定安裝在微調姿組件上；正壓氣泵通過氣管及接頭與正壓節流閥的輸入端相連；正壓節流閥的輸出端通過氣管與正壓比例閥的輸入端連接；正壓比例閥的輸出端通過管路及接頭與釋放電磁閥的輸入端相連；在釋放電磁閥的輸出端還通過氣管及接頭與速度控制閥的輸入端相連，速度控制閥通過氣路軟管與壓力傳感器相連；控制器分別與真空比例閥、吸附電磁閥、壓力傳感器、微調姿組件、正壓比例閥和釋放電磁閥相連；所述微調姿組件包括軟管、彈性管、記憶合金絲、固膠狀軟體和外套；其中，外套、彈性管、軟管由外層到內層依次套接；外套與彈性管間設置有固膠狀軟體；記憶合金絲固定設置在固膠狀軟體內，與外套以及彈性管不接觸；所述記憶合金絲為2n條，n為正整數，n≥2，記憶合金絲之間相互平行，兩兩為一對，且其中至少有兩對記憶合金絲所在平面相互垂直。
2.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述負壓 真空泵用來微操作裝置提供吸附微操作時負壓吸附氣路的真空負壓；負壓節流閥用于控制 進行吸附微操作時負壓吸附氣路中的氣體流量；真空比例閥用來將負壓吸附氣路中的真空 負壓控制在設定的數值；吸附電磁閥實現了負壓吸附氣路與正壓釋放氣路間的隔離，通過 吸附電磁閥控制負壓吸附氣路的開啟與閉合；以便更好的實施吸附和釋放微操作；微調姿組件用來調整末端微夾進行微操作時的末端微姿態，在控制器的驅動作用下， 能夠控制末端微夾跟蹤微小生物活體的運動，以勝任微小生物活體的微操作；正壓氣泵用 來微操作裝置提供釋放微操作時正壓釋放氣路中的正壓氣源；正壓節流閥用來控制釋放微 操作時正壓釋放氣路中的氣體流量；正壓比例閥用來將進行釋放微操作時正壓釋放氣路中 正壓控制在設定的數值；速度控制閥用來控制在釋放微操作過程中的末端微夾處的氣體流 速；釋放電磁閥實現了正壓釋放氣路與負壓吸附氣路間的隔離，通過釋放電磁閥可控制負 壓吸附氣路的開啟與閉合；壓力傳感器實時將進行吸附微操作時末端微夾處的實際真空負 壓值反饋給控制器，或將進行釋放微操作時末端微夾處的正壓力值反饋給控制器；控制器 發送控制指令分別驅動吸附電磁閥或釋放電磁閥的開啟和關閉，實現吸附微操作與釋放微 操作間的切換；控制器根據壓力傳感器反饋回來的真空負壓值或正壓力值，分別控制真空 比例閥或正壓比例閥，使末端微夾處的操作壓力穩定在所需數值；控制器驅動記憶合金絲， 使微調姿組件分別做上下彎曲運動與左右彎曲運動，從而帶動微調姿組件做上下彎曲或左 右彎曲運動，由此控制末端微夾能夠在微觀尺度內跟蹤生物活體的運動。
3.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述控制 器與真空比例閥和壓力傳感器之間采用真空負壓閉環控制。
4.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述控制器與正壓比例閥和壓力傳感器間采用正壓閉環控制。
5.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置微操作裝置，其特征在 于所述末端微夾尖端部分采用真空濺射鍍金處理。
6.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于末端微夾 尖端開口直徑為微小生物體橫向截面直徑的25% 50%。
7.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述控制 器上設有外設接口。
8.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述合金 絲為四條，四條合金絲兩兩為一對，分別設置在固膠狀軟體的垂直平面上與水平平面上。
9.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述彈性 管選取可彎折且具有彈性變形及恢復能力的材料制備而成。
10.如權利要求1所述一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，其特征在于所述外套 采用柔軟材料制備而成。
全文摘要
本發明公開了一種用于微小生物體的氣動微操作裝置，包括控制器、負壓真空泵、負壓節流閥、真空比例閥、吸附電磁閥、壓力傳感器、微調姿組件、正壓氣泵、正壓節流閥、正壓比例閥、釋放電磁閥、速度控制閥和末端微夾。本發明分為負壓吸附氣路和正壓釋放氣路，可進行吸附微操作與釋放微操作。本發明的優點在于操作末端具有微調姿功能，可實現微小生物體的分揀、篩選等微操作且不會傷害損壞生物體，可應用于生物醫學研究領域中提高操作人員的效率和成功率，降低工作強度，具有廣闊的實際應用前景和價值。
文檔編號C12M1/00GK101984038SQ201010280340
公開日2011年3月9日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者劉威龍, 吳鈧, 孫明磊, 宗光華, 張融, 文聞, 王啟偉 申請人:北京航空航天大學