專利名稱：基于光鑷的自動化微粒搬運方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納操作技術領域，具體是指一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法。
背景技術：
光鑷是基于光的力學效應的一項新型物理工具。它利用光子和微小物體碰撞時的動量守恒，把微粒吸引到光強最大的區(qū)域。如同一把無形的鑷子一樣，可以實現(xiàn)對活體細胞及其它微小尺寸微粒(尺寸從數(shù)十納米到數(shù)十微米之間)非接觸式的無損操作。這種新型的微操作技術克服了以往微操作過程中細胞難以被固定和易產(chǎn)生機械損傷的弱點。自從 Ashkin在1986年首次用光鑷實現(xiàn)對生物粒子的遠距離非接觸捕獲，這個工具在許多生物試驗室代替了傳統(tǒng)的細胞操作實驗技術。由于光鑷在無損微操作和精密力學測量上的優(yōu)勢，30年來對這一課題的研究越來越深入。初步研究已經(jīng)表明，光鑷在普通生物學、細胞生物學、分子遺傳學、細胞工程、免疫學、基因工程等方面有廣泛的應用前景。除了生物領域，光鑷在表面科學、凝聚態(tài)物理、重力場和流體場等眾多領域的應用也在研究之中。由于光鑷的操作精度高，且是非接觸式操作，用其進行微米/納米級微粒的搬運、 收集、排列等操作已普遍應用。此項技術可用于稀少細胞的提取、藥物檢測、細胞融合、微粒裝配等場合。但是，目前大多光鑷操作方法還停留在手工操作光鑷方式，即人工移動樣品平臺的位置。這樣微粒在由光鑷的搬運過程中，必須與其他微粒保持一定距離，以防卷入障礙微粒。同時微粒在液體環(huán)境中流動變化，更加增添了操作的難度。另外采用手動方式操作不僅耗時，定位精度較低(不高于1微米)，且需要專業(yè)人員才能進行，大大提高了操作者的勞動強度，也進一步增加了企業(yè)的成本，正由于該技術自動化操作的缺乏，從而影響了這項技術在生產(chǎn)、生活中普及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前光鑷手工搬運微粒的耗時、耗力及精度差等缺點，提供了一種基于光鑷的自動化微粒搬運裝置和搬運方法，采用圖像處理識別技術，利用電控高精度位移平臺實現(xiàn)對細胞等微粒的自動化操作，降低人為干擾，提高操作效率和精度。為了達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是—種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于包括以下步驟(1)、通過光鑷裝置的激光束捕捉到載玻片上待搬運的微粒，并通過相機對微粒附近環(huán)境成像；O)、計算機將相機采集到的連續(xù)圖像進行二值化處理和邊緣提取，得到圖像中各個障礙物的像素位置；(3)、將二值化以后的圖像劃分柵格區(qū)域，根據(jù)柵格節(jié)點內(nèi)的障礙物所占像素個數(shù)生成壁障節(jié)點地圖，(4)、然后以待搬運微粒的位置點和目的地的位置點作壁障算法，求出從待搬運微粒至目的地的壁障路徑；(5)、計算機按照生成的壁障路徑控制位移平臺直線移動載玻片到下一個拐彎處的格柵節(jié)點；(6)、重復柵格節(jié)點搬運，最終將微粒搬運到目標位置。前述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于壁障算法為一種改進的A星算法，對格子中某一節(jié)點(i，j)來說，具體路徑評估移動代價公式為F(i，j) =G(i， j)+H(i，j)+n(i，j)，其中G(i，j)為從起始點到格子中給定方塊(i，j)的移動代價，H(i， j)為格子中給定的方塊(i，j)到最終目標的評估移動代價，Π為一個判斷函數(shù)，如果此柵格節(jié)點(i，j)為拐點，則n取值大于0，如此柵格節(jié)點不是拐點，則n取值為0，然后反復的遍歷開放列表，選擇具有最小F值的方塊。前述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于所述η取值范圍為 5-25 ο前述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于在步驟( 和步驟(6) 之間還包括以下步驟每移動一個柵格節(jié)點后判斷下一個柵格節(jié)點是否有障礙物存在，如果沒有則繼續(xù)按照原來的路徑執(zhí)行，否則重新計算壁障路徑。前述的任意一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于在每一次直線搬運過程中，均采用比例積分控制器來進行運動規(guī)劃，使電機速度能在線調(diào)整，實現(xiàn)環(huán)境變化時也不會丟失細胞。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明采用壁障算法生成路徑，能在比較各條路徑時，懲罰有拐彎的節(jié)點，使有拐點的路徑總移動代價大于平滑路徑的總移動代價。所以能使選擇的搬運路徑長度較短， 同時拐彎數(shù)目較少，提高搬運效率和安全性，有效防止微粒搬運過程中與其他障礙物發(fā)生碰撞，節(jié)省操作時間。2、本發(fā)明采用比例積分控制來在線調(diào)整電機移動速度，在保證細胞不丟失的情況下以盡可能大的速度移動。3、本發(fā)明采用自動化的搬運操作可減少人工參與，提高操作的精度。


圖1是本發(fā)明基于光鑷的自動化微粒搬運裝置結構圖；圖2是本發(fā)明基于光鑷的自動化微粒搬運方法的原理框圖；圖3是本發(fā)明酵母菌實施例成像示意圖；圖4是本發(fā)明酵母菌實施例η = 10時壁障算法選擇路徑示意圖；圖5是本發(fā)明酵母菌實施例η = 0時壁障算法選擇路徑示意圖；圖6是本發(fā)明酵母菌實施例η = 1000壁障算法選擇路徑示意圖；圖7是本發(fā)明酵母菌實施例壁障節(jié)點地圖。其中光鑷裝置1、載玻片2、兩維電動位移平臺3、C⑶相機4、計算機5、外殼6、激光發(fā)生器7、光元件8、激光轉向鏡9、物鏡10。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明裝置結構作進一步的描述。一種基于光鑷的自動化微粒搬運裝置，包括光鑷裝置1、載玻片2、兩維電動位移平臺3、CXD相機4、計算機5。光鑷裝置包括外殼6，以及設置在外殼6內(nèi)的激光發(fā)生器7、 光元件8、激光轉向鏡9、物鏡10，在激光發(fā)生器7的前端依次設置有光元件8和激光轉向鏡9，在激光轉向鏡9的下端設置有物鏡10，物鏡10的前端伸出外殼6用來觀測設置在物鏡10下部的載玻片2，在外殼6的頂端開設有用于CXD相機4成像的開口，通過設置開口可使CXD相機4鏡頭與物鏡10鏡頭位于一條直線上，便于CXD相機4對載玻片2上的微粒成像，CCD相機4與計算機5相連接，可將CCD相機采集到圖像傳輸?shù)接嬎銠C5內(nèi)進一步處理。計算機5還與兩維電動位移平臺3相連接，計算機5通過控制兩維電動位移平臺3的移動來實現(xiàn)載玻片2的移動。下面以酵母菌的搬運為例說明本發(fā)明方法的具體實施方式
。1、光鑷裝置1中的激光發(fā)生器7發(fā)出強激光束，強激光束依次經(jīng)過光元件8、激光轉向鏡9、物鏡10匯聚到載玻片2上，利用該激光點捕捉到待搬運的酵母菌個體，并指明搬運的目的地，同時通過CCD相機4對載玻片2上待搬運的酵母菌個體附近環(huán)境進行成像，如圖3所示。2、將CXD相機采集到圖像傳輸?shù)接嬎銠C5內(nèi)，計算機5利用Carmy算子將CXD相機4拍攝的原始圖像(寬度為320像素，高度為240像素)進行二值化和邊緣提取，去除背景得到障礙物所在像素位置，如圖4所示。3、按照柵格寬度為15將二值化后的圖像劃分為21X16的柵格區(qū)域，生成21x16 的壁障節(jié)點地圖，根據(jù)每個柵格區(qū)域中障礙物像素的個數(shù)判斷地圖節(jié)點是否可通行，如圖4 所示。然后利用改進的A星壁障算法F(i，j) =G(i, j)+H(i, j)+n(i, j)0求出從起始點格柵節(jié)點到目的地格柵節(jié)點之間的最優(yōu)壁障路徑。其中n為一個判斷函數(shù)，如此柵格節(jié)點為拐點，則取值大于0，如此柵格節(jié)點不是拐點，則取值為0。通過適量增加路徑中拐點處的路徑代價，使算法選擇拐彎較少、同時路徑較短的路徑(圖4)。經(jīng)實驗測定，η附加值取 5-25時能取得較好的效果。η過大則路徑過長(圖5)，η過小則拐彎較多(圖6)。4、按照求出的壁障路徑的下一個格柵節(jié)點位置計算兩維電動位移平臺3中每個軸的移動方向和距離，通過調(diào)用電機控制函數(shù)執(zhí)行移動命令。在細胞移動時，力學公式為F 光攝=kx = F 液體=bv x<R其中F^s是光鑷施加在細胞上的力，k是光鑷的勁度系數(shù)，χ為細胞偏移光鑷中心的距離，F(xiàn)a#是液體對細胞的阻力，b是液體阻尼系數(shù)，ν是電機移動速度，R為細胞半徑?？梢姡苿铀俣仍娇?，細胞偏移越大。一旦χ超過R，細胞將脫離。故為了快速而安全的移動， 應將細胞保持在接近但小于R的位置。此處使用比例積分控制來在線調(diào)整電機速度，使細胞偏移保持在一個定值(略小于半徑的位置)。5、一個格柵節(jié)點移動完成后，根據(jù)實時得到的壁障節(jié)點地圖判斷之前的路徑中下一個格柵節(jié)點是否有障礙物進入，如果沒有則沿原始路徑繼續(xù)移動，如果有則需要重新計算壁障路徑。6、重復格柵節(jié)點移動操作，直到到達目的地。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界。
權利要求
1.一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于包括以下步驟(1)、通過光鑷裝置的激光束捕捉到載玻片上待搬運的微粒，并通過相機對微粒附近環(huán)境成像；O)、計算機將相機采集到的連續(xù)圖像進行二值化處理和邊緣提取，得到圖像中各個障礙物的像素位置；(3)、將二值化以后的圖像劃分柵格區(qū)域，根據(jù)柵格節(jié)點內(nèi)的障礙物所占像素個數(shù)生成壁障節(jié)點地圖，(4)、然后以待搬運微粒的位置點和目的地的位置點作壁障算法，求出從待搬運微粒至目的地的壁障路徑；(5)、計算機按照生成的壁障路徑控制位移平臺直線移動載玻片到下一個拐彎處的格柵節(jié)點；(6)、重復柵格節(jié)點搬運，最終將微粒搬運到目標位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于壁障算法為一種改進的A星算法，對格子中某一節(jié)點(i，j)來說，具體路徑評估移動代價公式為 F(i，j) =G(i，j)+H(i，j)+ii(i，j)，其中G(i，j)為從起始點到格子中給定方塊(i，j)的移動代價，H(i，j)為格子中給定的方塊(i，j)到最終目標的評估移動代價，η為一個判斷函數(shù)，如果此柵格節(jié)點(i，j)為拐點，則n取值大于0，如此柵格節(jié)點不是拐點，則n取值為0，然后反復的遍歷開放列表，選擇具有最小F值的方塊。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于所述η 取值范圍為5-25。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于在步驟 (5)和步驟(6)之間還包括以下步驟每移動一個柵格節(jié)點后判斷下一個柵 格節(jié)點是否有障礙物存在，如果沒有則繼續(xù)按照原來的路徑執(zhí)行，否則重新計算壁障路徑。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，其特征在于在每一次直線搬運過程中，均采用比例積分控制器來進行運動規(guī)劃，使電機速度能在線調(diào)整，實現(xiàn)環(huán)境變化時也不會丟失細胞。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，屬于微納操作技術領域。包括:光鑷裝置，載玻片，兩維電動位移平臺，CCD相機，計算機。通過對CCD相機采集到的微粒圖像進行識別處理，采用壁障算法求出搬運路徑，并通過兩維電動位移平臺移動載玻片來實現(xiàn)微粒的自動化搬運。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術中光鑷手工搬運微粒的耗時、耗力及精度差等缺點，提供了一種基于光鑷的自動化微粒搬運方法，采用圖像處理識別技術，利用電控高精度位移平臺實現(xiàn)對細胞等微粒的自動化操作，降低人為干擾，提高操作效率和精度。
文檔編號B82B3/00GK102285630SQ201110116308
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權日2011年5月6日
發(fā)明者吳燕華, 孫東, 黃文浩 申請人:中國科學技術大學蘇州研究院