一种自动化显微注射装置制造方法 【技术领域】，尤其是指一种自动化显微 注射装置。 [0002] 在生物工程中，显微操作是细胞培养、基因注射等再生技术的关键。而目前国内外 主要的技术手段是依靠技术高度纯熟的临床生物专家来操作执行。由于显微注射的操作对 象的尺寸通常是几十个到几百个微米不等，精度要求极高，对于操作人员的生理极限是一 个极大的挑战。 [0003] 因此，如何实现显微注射的自动化对于生物工程的发展有重大推进作用。目前，国 内外已经开始对显微操作机器人进行自动化研究，以自动化显微操作机器人的驱动原理和 工作方式来化分，主要有以下几个类型：压电陶瓷驱动型、气流动力驱动型、精密电机驱动 型、形状记忆合金驱动型和磁滞伸缩驱动型等。其中，压电陶瓷具有体积小、推力大、精度及 位移分辨率高和频响高等优点，在目前光学精密机械设计中得到广泛应用。但现有的压电 陶瓷方案只能解决水平方向的运动问题，无法解决垂直方向上微操作工具（吸附针和注射 针）的调整问题，同时还存在其它缺点，譬如成本高、操作麻烦等，仍有待进一步改善与克 服。

[0004] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种结构紧凑、成本低、 操作简便、无需专业高度依赖的自动化显微注射装置。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种自动化显微注射装置，包 括有带工作台的机架，可水平方向平移的X-Y转换平台，放置在X-Y转换平台上的铁磁吸附 板，用于产生频率可变正弦波和方波的信号发生器，用于对信号发生器输出的正弦波电压 信号进行放大的电压放大器，用于对信号发生器输出的方波电流信号进行放大的电流放大 器，用于实现显微操作中的细胞吸附和基因物质注射的微小机器人群，用于监控微小机器 人群在各自铁磁吸附板上位置的全局摄像机，用于驱动微小机器人群进行细胞吸附和注射 的差分式气泵，以及用于对X-Y转换平台上的培养皿中的操作对象进行局部成像的倒置显 微镜和显微镜局部摄像机；其中，所述微小机器人群由两个或两个以个的微小机器人组成， 每个微小机器人配置有所需的微操作工具，并由压电陶瓷、电流线圈和音圈马达混合驱动， 可通过压电陶瓷和电流线圈实现水平方向的动作，可通过改变音圈马达电流调整微操作工 具的上、下位移，其支撑脚为U形电磁铁，可吸附在相应的铁磁吸附板上做尺蠖运动；每个 微小机器人分别与各自相应的电压放大器、电流放大器和差分式气泵连接，其内的压电陶 瓷由电压放大器驱动，其内的电流线圈由电流放大器驱动，所述电压放大器和电流放大器 分别连接信号发生器，所述差分式气泵有三个端口，其两个端口通过软管插入装有水的器 皿，另一端口通过软管连接微小机器人上的微操作工具；所述全局摄像机和显微镜局部摄 像机分别设在微小机器人群的上方，所述倒置显微镜设在X-Y转换平台的下方，且所述倒 置显微镜和显微镜局部摄像机朝向Χ-Υ转换平台上的培养皿。
[0006] 所述信号发生器、全局摄像机、显微镜局部摄像机分别连接于电脑，通过全局摄像 机采集到的全局视野，实现对微小机器人的位置监控，从而可进一步将微小机器人粗调到 倒置显微镜的局部视野范围内进行显微操作。
[0007] 所述Χ-Υ转换平台上放置培养皿的部位贯穿有通孔，并通过搁置透明玻璃板支撑 培养皿，所述倒置显微镜和显微镜局部摄像机设在该通孔的上、下方。
[0008] 所述微小机器人包括有一对压电陶瓷、一对U形电磁铁、两组电流线圈、一块弹簧 片和一个音圈马达，其中，所述两组电流线圈间隔对置，每一组电流线圈配置有一 U形电磁 铁，所述压电陶瓷设置在该两组电流线圈之间，并通过弹簧片固定，所述音圈马达设置在两 组电流线圈的顶部，并由单独的电源供电。
[0009] 所述微操作工具安装在音圈马达处。
[0010] 所述微操作工具为吸附针或注射针。
[0011] 所述电压放大器包括有信号隔离电路、比例-积分控制器、多级功率放大电路、主 电路限流保护电路、反馈补偿电路和过压保护电路。
[0012] 所述电流放大器包括有信号调节电路、比例-积分运算放大器、功率放大电路、限 流保护电路、反馈电路和过流保护电路。
[0013] 所述全局摄像机为USB接口高速高清摄像机，通过支撑架固定在工作台上。
[0014] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0015] 1、本实用新型整体上是一个视觉伺服反馈的闭环系统，完成细胞的选择与吸附、 自动注射两个过程；
[0016] 2、通过单独电源控制音圈马达电流，调整显微操作的微操作工具（吸附针和注射 针）的上、下位移，同时结合差分式气泵的抽气与出气特点，实现显微操作中的细胞吸附和 基因物质注射；
[0017] 3、通过信号发生器产生微小机器人水平方向运动控制信号，而后控制信号分别经 电压放大器和电流放大器进行功率放大，再接入微小机器人的压电陶瓷和电流线圈，最终 使微小机器人在铁磁吸附板上实现直线运动、原地旋转和转弯动作。




[0018] 图1为本实用新型所述自动化显微注射装置的结构示意图。
[0019] 图2为本实用新型所述微小机器人的结构示意图。


[0020] 下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
[0021] 如图1所示，本实施例所述的自动化显微注射装置，包括有带工作台1的机架，可 水平方向平移的X-Y转换平台2,放置在X-Y转换平台2上的铁磁吸附板，用于产生频率可 变正弦波和方波的信号发生器3,用于对信号发生器输出的正弦波电压信号进行放大的电 压放大器，用于对信号发生器输出的方波电流信号进行放大的电流放大器，用于实现显微 操作中的细胞吸附和基因物质注射的微小机器人群，用于监控微小机器人群在各自铁磁吸 附板上位置的全局摄像机，用于驱动微小机器人群进行细胞吸附和注射的差分式气泵，以 及用于对X-Y转换平台2上的培养皿4中的操作对象进行局部成像的倒置显微镜5和显微 镜局部摄像机6。
[0022] 所述微小机器人群由两个或两个以个的微小机器人组成，而在本实施例中是由两 个微小机器人701、702组成，其中一个微小机器人701负责完成细胞吸附工作，另一微小机 器人702负责完成基因物质注射工作。每个微小机器人配置有所需的微操作工具（具体为 吸附针或注射针），即微小机器人701装配有吸附针2101，微小机器人702装配有注射针 2102,所述微小机器人701、702均由压电陶瓷、电流线圈和音圈马达混合驱动，可通过压电 陶瓷和电流线圈实现水平方向的动作，包括直线运动、原地旋转和转弯动作，可通过改变音 圈马达电流调整微操作工具的上、下位移，其支撑脚为U形电磁铁，微小机器人的电流线圈 通过充放电，控制U形电磁铁吸附于相应的铁磁吸附板19上做尺蠖运动；每个微小机器人 分别与各自相应的电压放大器、电流放大器和差分式气泵连接，在实施例中所述微小机器 人701分别与电压放大器801、电流放大器901和差分式气泵1001连接，所述微小机器人 702分别与电压放大器802、电流放大器902和差分式气泵1002连接，同时其内的压电陶瓷 由电压放大器驱动，其内的电流线圈由电流放大器驱动，所述电压放大器801、802和电流 放大器901、902分别连接信号发生器3,所述差分式气泵有三个端口，其两个端口通过软管 插入装有水的器皿11，另一端口通过软管连接微小机器人上的微操作工具，当吸附细胞时， 利用出气端口大于抽气端口的气压差，在接有吸附针的第三个端口形成一个抽气的压差， 实现细胞的吸咐，而当注射基因物质到细胞时，利用抽气端口大于出气端口的气压差，在接 有注射针的第三个端口形成一个出气的压差，把基因物质注入细胞。
[0023] 所述全局摄像机为USB接口高速高清摄像机，有两组通过支撑架固定在工作台1 上，所述两组全局摄像机1801、1802和显微镜局部摄像机6分别设在微小机器人群的上方， 所述倒置显微镜5设在X-Y转换平台2的下方，所述X-Y转换平台2上放置培养皿4的部 位贯穿有通孔，并通过搁置透明玻璃板支撑培养皿4,所述倒置显微镜5和显微镜局部摄像 机6设在该通孔的上、下方。所述信号发生器3、全局摄像机、显微镜局部摄像机6分别连接 于电脑20,通过两组全局摄像机1801U802采集到的全局视野，实现对微小机器人的位置 监控，从而可进一步将微小机器人粗调到倒置显微镜5的局部视野范围内进行显微操作。
[0024] 如图2所示，所述微小机器人包括有一对压电陶瓷12、一对U形电磁铁13、两组电 流线圈14、一块弹簧片15和一个音圈马达16,其中，所述两组电流线圈14间隔对置，每一 组电流线圈14配置有一 U形电磁铁13 ;所述压电陶瓷12设置在该两组电流线圈14之间， 并通过弹簧片15固定，用于驱动实现直线运动、原地旋转和转弯动作；所述音圈马达16设 置在两组电流线圈14的顶部，并由单独的电源17供电，所述微操作工具安装在音圈马达16 处，通过改变音圈马达16的电流实现显微操作的微操作工具（具体为吸附针或注射针）在 上、下方向的微位移调整。
[0025] 现以ICSI (Intracytoplasmic sperm injection)，即卵胞楽内单精子显微注射过 程中的细胞吸附和注射为例进行具体说明，如下：
[0026] [1]初始化显微注射针的位置。在实验开始前，打开信号产生器3、电压放大器 801、电流放大器901，运动装配有吸附针的微小机器人701到倒置显微镜5的视觉范围内， 打开音圈马达16的电源17,控制吸附针上下移动，控制在培养皿4上方25um处，距离培养 皿中心左边lOOum处。
[0027] [2]从培养皿中选取细胞。操作人员通过观察后，根据已有专业知识，确定一个要 制动固定的细胞，打开电压放大器802、电流放大器902,运动装配有注射针的微小机器人 702,通过注射针把其它的细胞分开。
[0028] [3]固定和吸附细胞。打开差分式气泵1001，同时运动装配有吸附针的微小机器 人701，并调整X-Y转换平台2,在细胞附近通过气流运动吸附细胞，保持机器在水平方向固 定，而后关闭差分式气泵1001。
[0029] [4]细胞注射。运动装配有注射针的微小机器人702,并移动到倒置显微镜5的视 觉范围内，在水平方向上调整位置，对准细胞后，向细胞运动，执行刺穿细胞动作，刺穿后， 打开差分式气泵1002,用气压将注射针内基因物质注射入细胞。
[0030] [5]退针。注射完成后，关闭差分式气泵1002,运动微小机器人702向后退，退回 原位置。
[0031] 本实施例所述的自动化显微注射装置的具体工作过程，包括下述步骤：
[0032] 首先，实验前的准备工作。把装有待注射基因物质的培养皿放在X-Y转换平台2 中间，并要求位于倒置显微镜5的视觉范围内；打开信号产生器1001和电压放大器802、电 流放大器902,通过全局摄像机监控1802,将装有注射针的微小机器人702运动到倒置显微 镜5的视觉范围内，距离培养皿4中心处。
[0033] 其次，吸取待注射的基因物质。打开音圈马达的电源，微调吸附针到等注射基本物 质30um处，打开差分式气泵1002的吸气功能，微量吸取待注射物质。关闭差分式气泵1002， 调整音圈马达的电源，将吸附针上移动到培养皿上方25um处，并移走培养皿。
[0034] 其次，固定和吸附待注射对象。把待注射对象放入X-Y转换平台2中间，并要求位 于倒置显微镜5的视觉范围内。打开电压放大器801、电流放大器901，通过倒置显微镜5 和显微镜局部摄像机6,运动装配有吸附针的微小机器人701到注射对象附近约30um处，开 启差分式气泵1001，通过吸附针固定注射对象，而后关闭气泵。
[0035] 再次，准备注射。打开电压放大器802、电流放大器902,通过倒置显微镜5和显微 镜局部摄像机6,运动已经吸取微量基因物质的微小机器人702,使得和装配有吸附针的微 小机器人701尽量保持在同一个水平线。
[0036] 再次，执行注射。调整音圈马达的电源，运动已经吸取微量基因物质的微小机器人 702匀速前进，完成对注射对象的接触、刺穿。刺穿后，打开气泵1002,将微小机器人702的 注射针内基本物质注入注射对象，而后关闭气泵。
[0037] 最后，退针。后退的微小机器人702到开始注射时的位置。关闭打开信号产生器 1001，电压放大器802、电流放大器902。
[0038] 以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的 实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围 内。