CN101984038A - 一种用于微小生物体的气动微操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微小生物体的气动微操作装置，包括控制器、负压真空泵、负压节流阀、真空比例阀、吸附电磁阀、压力传感器、微调姿组件、正压气泵、正压节流阀、正压比例阀、释放电磁阀、速度控制阀和末端微夹。本发明分为负压吸附气路和正压释放气路，可进行吸附微操作与释放微操作。本发明的优点在于：操作末端具有微调姿功能，可实现微小生物体的分拣、筛选等微操作且不会伤害损坏生物体，可应用于生物医学研究领域中提高操作人员的效率和成功率，降低工作强度，具有广阔的实际应用前景和价值。

Description

一种用于微小生物体的气动微操作装置

技术领域

本发明涉及一种用于微小生物体的气动微操作装置，适用于对微小生物体及微小颗粒的分拣筛选等操作，属于生物医学技术领域。

背景技术

在生命科学研究领域，模式生物常被作为选定的生物物种进行研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象；作为典型的模式生物代表，秀丽隐杆线虫因其为多细胞动物，生长发育过程与人类相似，已经为生物学家进行了许多科学实验研究，并发现了许多疾病的本质机理，为人类延长寿命，更好生活带来了福音。

虽然模式生物研究得到了日益重视，但是针对模式生物尤其是以线虫为代表的自动化分拣装置研制还未被国内外学者所体积，目前绝大多数操作仍采用镊子、毛细管等工具，通过人工显微镜下观察并手工进行实验操作，其操作效率低、成功率低、工作强度大，很难实现生物实验高通量。

国外如澳大利亚的R.A.Russell研究的“用于完成亚毫米级抓取及操作任务的机器人装置”、日本Nagoya大学F.Arai等人研究的“用于微型操作的粘着型末端执行器”等，虽然同是对微小物体进行微操作，但由于其方法及机理不同，仅适用于微小固体颗粒等的操作。

国内如华中科技大学黄心汉等人研究的“基于显微视觉的微装配机器人装置”、哈尔滨工业大学付国义“面向亚毫米器件操作的真空吸附式作业工具的研制”等均采用真空吸附方式进行微小固体颗粒的吸取等微操作；哈尔滨工业大学王会香等人提出的“适用于生物显微切割操作的真空吸附拾取组织新方法”虽然也涉及到生物科学领域，但其操作对象是更细小无生命运动的微细组织，并不适用于如线虫为代表的微小生物体。

总之，目前国内外虽然对微细操作的研究工作取得了一些进展，但还存有如下问题：1)针对微小生物体的自动化操作装置仍未出现；2)目前的真空微操作装置都采用压缩气泵和真空发生器配合使用的方式进行，其装置结构庞大，不易移动及便携；3)绝大多数真空微操作装置进行操作时因其对象为固体颗粒，均为开环操作装置，控制精度不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种体积小、易携带的拥有负压吸附气路与正压释放气路的用于微小生物体真空微操作装置，可以分别实现微小生物体的吸取和释放等微操作，用来针对用来为亚毫米级的微小生物的活体、尸体或组织等进行分拣、筛选、移动等微操作，而不至对生物体造成伤害及损坏。

本发明一种用于微小生物体的气动微操作装置，包括控制器、负压真空泵、负压节流阀、真空比例阀、吸附电磁阀、气路软管、压力传感器、微调姿组件、正压气泵、正压节流阀、正压比例阀、释放电磁阀、速度控制阀和末端微夹。

其中，负压真空泵通过软管及接头与负压节流阀的输入端相连。负压节流阀的输出端通过气管与真空比例阀的输入端连接。真空比例阀的输出端通过气管及接头与吸附电磁阀的输入端相连，在吸附电磁阀的输出端通过气路软管与压力传感器相连，压力传感器的另一端通过气管连接有微调姿组件，末端微夹固定安装在微调姿组件上。

正压气泵通过气管及接头与正压节流阀的输入端相连。正压节流阀的输出端通过气管与正压比例阀的输入端连接。正压比例阀的输出端通过管路及接头与释放电磁阀的输入端相连。在释放电磁阀的输出端还通过气管及接头与速度控制阀的输入端相连，速度控制阀通过气路软管与压力传感器相连。控制器分别与真空比例阀、吸附电磁阀、压力传感器、微调姿组件、正压比例阀和释放电磁阀相连。

所述微调姿组件包括软管、弹性管、记忆合金丝、固胶状软体和外套。其中，外套、弹性管、软管由外层到内层依次套接；外套与弹性管间设置有固胶状软体；记忆合金丝固定设置在固胶状软体内，与外套以及弹性管不接触；所述记忆合金丝为2n条，n为正整数，n≥2，记忆合金丝之间相互平行，两两为一对，且其中至少有两对记忆合金丝所在平面相互垂直。

本发明微操作装置通过控制器驱动吸附电磁阀和释放电磁阀处于关闭状态，且使负压真空泵工作于负压真空状态。由控制器驱动微调姿组件进行微调姿，使末端微夹对准生物体，通过控制器设定真空比例阀的真空负压数据，使负压吸附气路处于所设定的负压环境，开启吸附电磁阀，由此开始进行吸附微操作，将微生物体吸附在末端微夹上。

当末端微夹将生物体移到指定地点后，通过控制器驱动吸附电磁阀和释放电磁阀处于关闭状态，且使正压气泵工作于正压状态。通过控制器设定正压比例阀的正压压力数据，使正压释放气路处于所设定的正压环境，开启释放电磁阀，由此开始进行释放微操作，将末端微夹上的生物体释放到指定地点。

本发明的优点在于：

(1)本发明的微操作装置能够适用于微小生物体的微操作过程中，可以针对活体、尸体、组织等生物体进行分拣、筛选、移动等微操作，而不至对生物体造成伤害及损坏；

(2)本发明的微操作装置具有两条气路，并通过气路软管连接到末端微夹上，可以分别实现微小生物体的吸取和释放等微操作；

(3)本发明的微操作装置采用微型负压真空泵和微型正压气泵作为气源，减小了微操作装置的尺寸，易于便携与移动，易于与其它设备集成到一体；

(4)本发明的微操作装置中负压吸附气路和正压释放气路均采用闭环控制，使控制器可得到吸附微操作和释放微操作过程中的压力变化，并实时控制压力波动，提高气压的控制精度，能够确保在进行微小生物体操作过程不至损坏生物体；

(5)本发明的微操作装置中设有用于末端微夹调姿的微调姿组件，可以微调末端微夹实施微操作过程的姿态，尤其胜任针对微小生物活体的微操作；

(7)本发明的微操作装置中微调姿组件采用轻质记忆合金作驱动，质量轻、疲劳寿命高、能量密度大、运动精度高、定位准确；

(8)本发明的微操作装置中末端微夹尖端表面采用真空溅射镀金处理，可以为微操作过程中消除一定的静电力影响。

附图说明

图1是本发明微操作装置结构示意图；

图2是本发明微操作装置气动原理图；

图3是本发明微操作装置微调姿组件结构图；

图4是本发明微操作装置微调姿组件爆炸视图；

图中：

1-控制器         2-负压真空泵    3-负压节流阀

4-真空比例阀     5-吸附电磁阀    6-气路软管

7-压力传感器     8-微调姿组件    9-正压气泵

10-正压节流阀    11-正压比例阀   12-释放电磁阀

13-速度控制阀    14-末端微夹     801-软管

802-弹性管    803-固胶状软体    804-记忆合金丝

805-外套

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种用于微小生物体的气动微操作装置，如图1所示，包括控制器1、负压真空泵2、负压节流阀3、真空比例阀4、吸附电磁阀5、气路软管6、压力传感器7、微调姿组件8、正压气泵9、正压节流阀10、正压比例阀11、释放电磁阀12、速度控制阀13、末端微夹14。

负压真空泵2通过软管及接头与负压节流阀3的输入端相连；负压节流阀3的输出端通过气管与真空比例阀4的输入端连接；真空比例阀4的输出端通过气管及接头与吸附电磁阀5的输入端相连，在吸附电磁阀5的输出端通过气路软管6与压力传感器7相连，压力传感器7的另一端通过气管连接有微调姿组件8，末端微夹14固定安装在微调姿组件8上，由此构成了用于实现真空吸附功能的负压吸附气路。

正压气泵9通过气管及接头与正压节流阀10的输入端相连；正压节流阀10的输出端通过气管与正压比例阀11的输入端连接；正压比例阀11的输出端通过管路及接头与释放电磁阀12的输入端相连；在释放电磁阀12的输出端还通过气管及接头与速度控制阀13的输入端相连，速度控制阀13通过气路软管6与压力传感器7相连，由此上述结构与压力传感器7的另一端连接的微调姿组件8以及与微调姿组件8连接的末端微夹14共同构成了用于实现正压释放功能的正压释放气路。

控制器1分别与真空比例阀4、吸附电磁阀5、压力传感器7、正压比例阀11、释放电磁阀12和微调姿组件8相连，控制器1上设置有外设接口，以便与外部控制设备连接，如计算机等，由此实现本发明微操作装置的远程控制。

如图2所示，其中，负压真空泵2用来给本发明微小生物体真空微操作装置提供在进行吸附微操作时负压吸附气路的真空负压，既能抽真空形成负压气路，又能工作在小压力正压气路环境。负压节流阀3用于控制进行吸附微操作时负压吸附气路中的气体流量，确保吸附微操作的稳定进行；真空比例阀4用来将负压吸附气路中的真空负压控制在设定的数值。吸附电磁阀5实现了负压吸附气路与正压释放气路间的隔离，通过吸附电磁阀5可控制负压吸附气路的开启与闭合，即吸附微操作的开启与关闭。

正压气泵9用来为本发明微小生物体真空微操作装置提供进行释放微操作时正压释放气路中的正压气源。正压节流阀10用来控制释放微操作时正压释放气路中的气体流量。正压比例阀11用来将进行释放微操作时正压释放气路中正压控制在设定的数值。速度控制阀13用来控制在释放微操作过程中的末端微夹14处的气体流速，从而控制释放生物体的速度，防止释放速度过快，致使微生物体消失。释放电磁阀12实现了正压释放气路与负压吸附气路间的隔离，通过释放电磁阀12可控制正压释放气路的开启与闭合，即释放微操作功能的开启及关闭。

压力传感器7用来将进行吸附微操作时末端微夹14处的实际真空负压值实时反馈给控制器1，或将进行释放微操作时末端微夹14处的正压力值实时反馈给装置控制器1。控制器1分别驱动吸附电磁阀5或释放电磁阀12的开启和关闭，实现吸附微操作与释放微操作间的切换。控制器1与真空比例阀4和压力传感器7之间采用真空负压闭环控制，使控制器1可得到压力传感器7反馈回来的真空负压值，并实时控制压力波动。控制器1与正压比例阀11和压力传感器7间采用正压闭环控制，使控制器1可得到压力传感器7反馈回来的正压值，并实时控制压力波动。通过控制器1分别控制真空比例阀4或正压比例阀11，使末端微夹14处的操作压力稳定在所需数值范围，由此提高气压的控制精度，能够确保在进行微小生物体操作过程不至损坏生物体；本发明微操作装置中采用的负压真空泵2与正压气泵9结构尺寸小，易于移动与便携。

本发明微操作装置中，所述末端微夹14尖端部分采用真空溅射镀金处理，可以消除一定的静电力；且末端微夹14尖端开口直径为微小生物体横向截面直径的25％～50％，具体实施过程中可依据操作对象的具体横向截面尺寸范围择优选择合适的口径可得到更佳效果；且末端微夹14开口直径可以依据被操作对象的尺度进行选取适当大小，具有更广泛的适用性。

所述微调姿组件8，包括软管801、弹性管802、固胶状软体803、记忆合金丝804和外套805，如图3所示。其中，外套805、弹性管802、软管801由外层到内层依次套接。外套805与弹性管802间设置有固胶状软体803；如图4所示，记忆合金丝804为四条，固定设置在固胶状软体803内，与外套805以及弹性管802不接触。四条记忆合金丝804两两为一对，且每对记忆合金丝804所在的平面相互垂直。本实施例将两对记忆合金丝804分别设置在固胶状软体803的垂直平面与水平平面上，且每对记忆合金丝804相互平行。所述记忆合金丝804可为2n条，n为正整数，n≥2，其中至少有两对记忆合金丝804所在平面相互垂直。

记忆合金丝804用来驱动微调姿组件8，使微调姿组件8具有两个自由度微调姿功能，通过控制器1驱动记忆合金丝804，使位于固胶状软体803的垂直平面与水平平面上的记忆合金丝804收缩弯曲，使其分别做上下弯曲运动与左右弯曲运动，从而带动微调姿组件8做上下弯曲或左右弯曲运动，由此控制末端微夹14能够在微观尺度内跟踪生物活体的运动，以便更好的实施吸附和释放微操作。

所述弹性管802，为可弯折具有弹性变形及恢复能力的材料制成，如弹簧管等；当其受外力作用时，可在外力作用下依据外力大小发生程度不等的弯曲变形；当外力撤除后，弹性管802依靠自身的弹性力能够完全恢复到其初始平衡位置。

所述外套805，由柔软性材料制成，如塑料等，当内部软管801、弹性管802、记忆合金丝804和固胶状软体803发生弯曲变形时，外套805也能随之顺应变形；外套805能够保护内部器件免受损坏。

本发明的微操作装置在进行吸附或释放微操作前须进行一个微操作装置复位过程，从而清除正压吸附气路与正压释放气路内的微小障碍。通过控制器1驱动吸附电磁阀5和释放电磁阀12均处于关闭功能状态；通过控制器1设定正压比例阀11上的正压数据，确保有正压气源供给；通过控制器1开启释放电磁阀12，并监测压力传感器7反馈给控制器1的压力变化信号，由此清除正压释放气路内的微小障碍；通过控制器1关闭释放电磁阀12，并开启负压真空泵2，通过控制器1设定真空比例阀4上的压力数据，确保负压吸附气路处于小压力正压工作环境；通过控制器1开启吸附电磁阀5，并监测压力传感器7反馈给控制器1的压力变化信号；由此清除负压吸附气路内的微小障碍；通过控制器1关闭吸附电磁阀5。

本发明微操作装置通过控制器1驱动吸附电磁阀5和释放电磁阀12处于关闭状态，且使负压真空泵2工作于负压真空状态。由控制器1驱动微调姿组件8进行微调姿，使末端微夹14对准生物体，通过控制器1设定真空比例阀4的真空负压数据，使负压吸附气路处于所设定的负压环境，开启吸附电磁阀5，由此开始进行吸附微操作，将微生物体吸附在末端微夹14上。

当末端微夹14将生物体移到指定地点后，通过控制器1驱动吸附电磁阀5和释放电磁阀12处于关闭状态，且使正压气泵9工作于正压状态。通过控制器1设定正压比例阀11的正压压力数据，使正压释放气路处于所设定的正压环境，开启释放电磁阀12，由此开始进行释放微操作，将末端微夹14上的生物体释放到指定地点。

Claims (10)

1.一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：包括控制器、负压真空泵、负压节流阀、真空比例阀、吸附电磁阀、气路软管、压力传感器、微调姿组件、正压气泵、正压节流阀、正压比例阀、释放电磁阀、速度控制阀和末端微夹；

负压真空泵通过软管及接头与负压节流阀的输入端相连；负压节流阀的输出端通过气管与真空比例阀的输入端连接；真空比例阀的输出端通过气管及接头与吸附电磁阀的输入端相连，在吸附电磁阀的输出端通过气路软管与压力传感器相连，压力传感器的另一端通过气管连接有微调姿组件，末端微夹固定安装在微调姿组件上；

正压气泵通过气管及接头与正压节流阀的输入端相连；正压节流阀的输出端通过气管与正压比例阀的输入端连接；正压比例阀的输出端通过管路及接头与释放电磁阀的输入端相连；在释放电磁阀的输出端还通过气管及接头与速度控制阀的输入端相连，速度控制阀通过气路软管与压力传感器相连；

控制器分别与真空比例阀、吸附电磁阀、压力传感器、微调姿组件、正压比例阀和释放电磁阀相连；

所述微调姿组件包括软管、弹性管、记忆合金丝、固胶状软体和外套；其中，外套、弹性管、软管由外层到内层依次套接；外套与弹性管间设置有固胶状软体；记忆合金丝固定设置在固胶状软体内，与外套以及弹性管不接触；所述记忆合金丝为2n条，n为正整数，n≥2，记忆合金丝之间相互平行，两两为一对，且其中至少有两对记忆合金丝所在平面相互垂直。

2.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述负压真空泵用来微操作装置提供吸附微操作时负压吸附气路的真空负压；负压节流阀用于控制进行吸附微操作时负压吸附气路中的气体流量；真空比例阀用来将负压吸附气路中的真空负压控制在设定的数值；吸附电磁阀实现了负压吸附气路与正压释放气路间的隔离，通过吸附电磁阀控制负压吸附气路的开启与闭合；以便更好的实施吸附和释放微操作；

微调姿组件用来调整末端微夹进行微操作时的末端微姿态，在控制器的驱动作用下，能够控制末端微夹跟踪微小生物活体的运动，以胜任微小生物活体的微操作；正压气泵用来微操作装置提供释放微操作时正压释放气路中的正压气源；正压节流阀用来控制释放微操作时正压释放气路中的气体流量；正压比例阀用来将进行释放微操作时正压释放气路中正压控制在设定的数值；速度控制阀用来控制在释放微操作过程中的末端微夹处的气体流速；释放电磁阀实现了正压释放气路与负压吸附气路间的隔离，通过释放电磁阀可控制负压吸附气路的开启与闭合；压力传感器实时将进行吸附微操作时末端微夹处的实际真空负压值反馈给控制器，或将进行释放微操作时末端微夹处的正压力值反馈给控制器；控制器发送控制指令分别驱动吸附电磁阀或释放电磁阀的开启和关闭，实现吸附微操作与释放微操作间的切换；控制器根据压力传感器反馈回来的真空负压值或正压力值，分别控制真空比例阀或正压比例阀，使末端微夹处的操作压力稳定在所需数值；控制器驱动记忆合金丝，使微调姿组件分别做上下弯曲运动与左右弯曲运动，从而带动微调姿组件做上下弯曲或左右弯曲运动，由此控制末端微夹能够在微观尺度内跟踪生物活体的运动。

3.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述控制器与真空比例阀和压力传感器之间采用真空负压闭环控制。

4.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述控制器与正压比例阀和压力传感器间采用正压闭环控制。

5.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置微操作装置，其特征在于：所述末端微夹尖端部分采用真空溅射镀金处理。

6.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：末端微夹尖端开口直径为微小生物体横向截面直径的25％～50％。

7.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述控制器上设有外设接口。

8.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述合金丝为四条，四条合金丝两两为一对，分别设置在固胶状软体的垂直平面上与水平平面上。

9.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述弹性管选取可弯折且具有弹性变形及恢复能力的材料制备而成。

10.如权利要求1所述一种用于微小生物体的气动微操作装置，其特征在于：所述外套采用柔软材料制备而成。

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