Читать Часть 1
Микроманипуляции с микророботами дают возможности, описанные в данном разделе. Обсуждается прогресс, достигнутый в последнее время в каждой из этих возможностей, с упором на работу с использованием опто-термокапиллярных микророботов-пузырьков.
МИКРОМАНИПУЛЯЦИЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОРОБОТОВ
Повышение пропускной способности системы микроманипуляции
Простой метод увеличения пропускной способности операций микроманипуляции заключается в увеличении скорости срабатывания микророботов. Привод в действие микророботов осуществляется со скоростью до десятков см в секунду, но это означает, что скорость системы управления и системы определения положения микроробота (обычно оптического микроскопа с камерой) также должна быть достаточной для точного перемещения микроробота. Пропускная способность микроманипуляции с помощью микророботов также может быть увеличена с помощью нескольких микророботов. Магнитное и электрическое управление способно перемещать несколько микророботов параллельно, но при использовании глобальных управляющих сигналов траектории микророботов, как правило, связаны друг с другом. Для разделения движений нескольких микророботов можно использовать специализированные рабочие поверхности для создания локализованных сил, которые заставляют микророботов двигаться по разным траекториям. В качестве альтернативы каждый микроробот может быть спроектирован таким образом, чтобы иметь индивидуальную реакцию на глобальный управляющий сигнал, например, изменяя размеры исполнительных устройств.
Биогибридные микророботы, такие как бактериальные микророботы, могут иметь развязанные движения. Это делает такой подход перспективным для многократной микроманипуляции микророботами. Однако для полной реализации этого обещания необходимо проделать дополнительную работу по обеспечению точности позиционирования и воспроизводимости биогибридных микророботов.
Опто-термическое управление позволяет осуществлять параллельное управление многими микророботами, о чем свидетельствуют микророботы, управляемые опто-термокапиллярным потоком (ОТП).
Микророботы ОТП — это пузырьки газа в жидкости, которые перемещаются по оптическим градиентам температуры. Поскольку микророботы ОТП имеют оптическую адресацию, разомкнутое управление отдельными микророботами может быть достигнуто даже при одновременном перемещении нескольких микророботов. Микророботы могут двигаться одновременно в разных направлениях, показывая разомкнутое параллельное срабатывание. Это независимое управление несколькими микророботами позволило осуществлять совместную микроманипуляцию, сокращая время, необходимое для транспортировки нескольких микрообъектов.
Повышение разрешающей способности микроманипуляции
Микроманипуляция с микромасштабной точностью (или лучше) важна для таких применений, как тканевая инженерия. Точное позиционирование полезной нагрузки может быть достигнуто с помощью захвата или сепаратора. Подразумевается размещение нескольких микророботов вокруг объекта таким образом, чтобы соседние микророботы располагались на расстоянии, меньшем, чем размер микрообъекта. Захват относится к нескольким микророботам, контактирующим с микрообъектом. ОТП микророботы продемонстрировали микроманипуляцию с повышенным разрешением с захватом и сепарацией. Например, сферический микроробот ОТП с трудом толкает или тянет сферический микрообъект по линейной траектории. Однако несколько микророботов ОТП смогли уловить сферические и плоские микрообъекты с увеличенным пространственным и временным разрешением. Магнитные микророботы, действующие под действием глобальных магнитных сил, продемонстрировали кооперативную микроманипуляцию, захватив. Сфокусированный конический магнит конической формы был использован для приведения в действие магнитных микророботов в кооперативном режиме для микроманипуляции. Две различные формы микророботов способны стабильно манипулировать подобным микрообъектом с высоким разрешением путем захвата и сепаратора.
Растущая размерность микроманипуляции
Микроманипуляция обычно выполняется в двух измерениях, но добавление контроля в третьем измерении помогает в широком спектре применений в биомедицинской и тканевой инженерии, таких как конструирование искусственных тканей путем организации микромасштабных гидрогелей, нагруженных клетками (микрогелями). Одним из способов достижения 3D манипулирования является использование магнитного микроробота для сборки слоя микрообъектов, затем микрофабричный рампа для поднятия микроробота для сборки следующего слоя. С помощью этого метода было продемонстрировано не более трех слоев микрообъектов в сборе. В качестве альтернативы магнитный захват без привязки продемонстрировал многослойность сборки микрогелей до десяти слоев. Захватчик может открывать и закрывать челюсти для захвата микрообъектов и может собирать больше слоев в направлении z по сравнению с манипуляциями с помощью нажатия. Манипулирование микрообъектами методом подбора и размещения также было продемонстрировано с помощью не привязанного магнитного капиллярного захвата. Тело магнитного микроробота содержит полость, в которой находится воздушный пузырь, создающий капиллярные силы для захвата микрообъектов. Пузырек можно убрать, чтобы уменьшить радиус контакта, освободив микрообъект. Сам микроробот может также выступать в качестве микроносителя в трех измерениях, транспортирующего прикрепленные к нему нанокомпоненты. Большое количество магнетотаксических бактерий, несущих липосомы, приводили в действие в заданном месте с помощью магнитной силы в текучей 3D среде.
Повышение надежности управления системы
Функциональность различных типов микророботов в значительной степени зависит от надежной системы управления. Например, включение нескольких микророботов ОТП было возможно в течение нескольких лет (впервые продемонстрировано в 2012 г.), но было ограничено ручным управлением одним оператором. Это усложняется тем, что микророботы ОТП при соприкосновении друг с другом могут сливаться. Система микророботов ОТП стала более надежной благодаря использованию замкнутой системы управления, способной управлять каждым микророботом, зная местоположение других микророботов и микрообъектов в рабочем пространстве. Контроль обратной связи с помощью системы технического зрения позволяет планировать траекторию движения, планировать захват, предотвращать столкновения и осуществлять совместную микроманипуляцию с помощью нескольких микророботов. Управление по замкнутому контуру повысило точность размещения микроробота на 50% по сравнению с одной итерацией управления по разомкнутому контуру. Надежные системы управления были внедрены и с другими типами микророботов. Для адаптивного планирования пути обхода динамически изменяющихся препятствий для микророботов с химическим приводом использовалась система обратной связи на основе визуального контроля с обнаружением объектов в реальном времени. Управление по замкнутому контуру обеспечивает высокоскоростное управление микророботами с высоким разрешением. Магнитный микроробот приводился в действие с точностью до 6 мм/с и точностью положения 6 мкм и выше с помощью системы управления по замкнутому контуру на основе технического зрения. Управление по замкнутому контуру также повышает точность срабатывания в сложных ситуациях, таких как 3D-управление в вязкой жидкости.
Дополнительные возможности микроманипуляции
Дополнительная функциональность также полезна для конкретных приложений. Например, биомедицинские исследования могут выиграть от возможности лизиса отдельных клеток по запросу для дальнейшего генетического или протеомного анализа. Эта функция была продемонстрирована в той же системе, что и для микророботов ОТП. Микросекундные лазерные импульсы использовались для образования микропузырьков пара, которые быстро и многократно расширялись и разрушались, создавая микропоток, достаточно сильный, чтобы расплавиться с клеткой, расположенной над микропузырьком. Эта функциональность может сочетаться с возможностью микромонтажа микророботов ОТП. Сделав процесс лизиса более щадящим, можно вызвать также временное разрушение клеточной мембраны. Если это делать осторожно, клетки выживают, что делает эту технику полезной для доставки полезной нагрузки на отдельные клетки. Этот метод порционирования позволяет поддерживать высокую эффективность порционирования и жизнеспособность клеток.
ВЫВОД
Микророботы являются полезными инструментами для микроманипуляции, и их дальнейшее развитие может сделать их более надежными, с повышенной функциональностью. На сегодняшний день микророботы хорошо зарекомендовали себя в относительно специализированных областях, таких как малоинвазивная хирургия, однако практическое применение микророботизированных систем пока находится на ранней стадии. Повышение надежности и удобства использования микророботизированных систем может способствовать их более широкому внедрению. Территории, которые должны быть разработаны для достижения этой цели, были описаны, и включают увеличение пропускной способности микроманипуляции, увеличение разрешения микроманипуляции, повышение степени свободы микроманипуляции, улучшение систем управления и расширение возможностей, помимо ловушек для микрообъектов, транспортировки и сборки.
