Vivat Akademia
Periodyk Akademii Górniczo-Hutniczej
20 listopad 2017
Strona GłównaVivat AkademiaSWAGHKontakt
Robot z AGH działa na poziomie komórkowym
08 czerwiec 2011

Temat z okładki

Wprowadzić precyzyjnie narzędzie do pojedynczej komórki – proszę bardzo – w AGH wszystko jest możliwe. Tak duże usprawnienie prac w mikrobiologii jakie oferuje robot hybrydowy skonstruowany w Katedrze Robotyki i Mechatroniki Wydziału IMiR możliwe jest dzięki trzyletniej pracy dziesięcioosobowego zespołu. Koszty prac nad prototypem to pół miliona złotych.

Robot jest hybrydą. Składa się z dwóch części: makro i mikro robota. Część makro odnajduje komórki w badanym materiale, a część mikro przystosowana jest do manipulacji w komórkach. Badania, do których może być wykorzystany robot, możliwe były do wykonania również do tej pory, jednak wymagały od badaczy niezwykłej precyzji i dobrej kondycji fizycznej, ponieważ eksperymenty trwają czasem kilkanaście godzin. urządzenie jest stabilne i niepodatne na wstrząsy. Maszyna jest unikatową konstrukcją w skali światowej. Prace nad jego udoskonaleniem prowadzone są w dalszym ciągu, a szczegółowy opis urządzenia przedstawiamy poniżej. (red)


Następujący gwałtowny rozwój biotechnologii wymaga coraz bardziej zaawansowanych technik manipulacji na poziomie komórki i wewnątrz komórki. Wykorzystywane są w tym celu manipulatory manualne lub z napędami, z wykorzystaniem telemanipulacji, wymagające sterowania przez doświadczonego operatora, który kontroluje przebieg procesu wzrokowo, przez mikroskop. Niektóre badania wymagają, aby narzędzie pozostawało w tym samym miejscu komórki przez wiele godzin, co jest trudne do uzyskania, ze względu na naturalne ruchy komórek oraz przemieszczanie się narzędzia pod wpływem wydłużania cieplnego elementów manipulatora i relaksacji naprężeń powstających podczas ruchu. W przypadku badań elektrofizjologicznych techniką patch-clamp istnieją dodatkowe utrudnienia:

– mała przestrzeń do manipulacji, wynikająca ze stosowania optyki mikroskopowej, charakteryzującej się małą (rzędu 2 mm) odległością obiektywu od preparatu,

– konieczność pracy w bliskiej podczerwieni, aby osiągnąć odpowiednią głębokość wizualizacji w badanej tkance (ok. 100 µm), przy czym zbyt duża intensywność oświetlenia powoduje niedopuszczalne podgrzanie tkanki,

– niedopuszczalność przemieszczenia elektrody pomiarowej względem komórki o więcej niż 1 um w trakcie pomiaru,

– niedopuszczalność generacji zakłóceń elektromagnetycznych, ze względu na bardzo małe natężenia mierzonych prądów (rzędu pA); z tego względu musi istnieć możliwość zamknięcia stanowiska w klatce Faradaya,

– kruchość submikronowej końcówki mikropipety, pełniącej rolę elektrody pomiarowej, która, aby nie została uszkodzona, musi być wprowadzana w tkankę wyłącznie poosiowo.

W ramach projektu rozwiązano problem manipulacji wewnątrzkomórkowej przez zastosowanie sterowanego wizyjnie robota hybrydowego, składającego się z równoległego makromanipulatora o czterech stopniach swobody, z zamocowanym na nim mikromanipulatorem szeregowym o trzech stopniach swobody, z elastycznymi przegubami złączowymi, napędzanym napędami piezoelektrycznymi, który przemieszcza precyzyjnie narzędzia, oraz kamery z makroskopowym układem optycznym o dużym powiększeniu.

Dzięki zastosowaniu unikalnego algorytmu przetwarzania obrazów możliwe jest odtworzenie informacji o trzecim wymiarze, pewne przemieszczanie narzędzia w okolicy i w obrębie komórki oraz długoczasowa stabilizacja względnego położenia komórki i narzędzia.

Rozdzielne w czasie wykonywanie operacji w skali makro i mikro pozwoliło na eliminację drgań i zakłóceń elektromagnetycznych pochodzących od makromanipulatora, którego silniki są wyłączone w trakcie mikromanipulacji. Zastosowanie makromanipulatora równoległego pozwala na łatwy i swobodny wybór obszaru tkanki, w którym przeprowadzane są eksperymenty oraz dużo łatwiejszą, niż w istniejących rozwiązaniach, wymianę i obsługę narzędzi i preparatu biologicznego. Wykorzystanie makroskopowego układu optycznego zwiększyło o rząd wielkości odległość obiektywu od preparatu, pozostawiając dużą przestrzeń do manipulacji. Podstawa (rama) makromanipulatora pozwala na zabudowanie na niej klatki Faradaya.

fot. Zbigniew Sulima

Wprawdzie pierwszym zastosowaniem opracowanego robota jest wspomaganie badań patch-clamp, jego konstrukcja jest zaprojektowana w ten sposób, aby umożliwić, po dodaniu drugiego mikromanipulatora, przeprowadzanie również innych eksperymentów biologicznych, takich jak np. badania nad zachowaniem komórek hodowanych in vitro po dokomórkowej iniekcji substancji stymulujących i inhibujących ich rozwój. Wymaga to zlokalizowania odpowiedniej komórki w roztworze, przy czym obszar poszukiwań odpowiedniej komórki przekracza znacznie przestrzeń właściwej manipulacji i pole widzenia nieruchomego mikroskopu. Następnie zlokalizowaną komórkę chwyta się jedną mikropipetą w celu unieruchomienia, a drugą mikropipetą, przez którą wykonywana jest iniekcja, precyzyjnie przebija się przez błonę komórkową tak, aby jak najmniej ją uszkodzić, a po iniekcji precyzyjnie wycofuje. Metodą ta można również dokonywać wymiany wybranych elementów wnętrza komórki, np. jądra czy cytoplazmy, co ma zastosowanie m.in. w inżynierii genetycznej i sztucznym zapłodnieniu.

fot. Zbigniew Sulima

Robot równoległy o nowatorskiej strukturze kinematycznej charakteryzuje się istnieniem analitycznego rozwiązania zadania prostego i odwrotnego kinematyki, wysoką dokładnością i rozdzielczością pozycjonowania, niskim poziomem generowanych zakłóceń elektromagnetycznych oraz dobrym tłumieniem drgań. Oryginalna konstrukcja mikrorobota zapewnia wysoką precyzję ruchów w stosunkowo dużej przestrzeni roboczej oraz bardzo dobre tłumienie drgań. Dla obydwu robotów opracowano generatory trajektorii oraz sterowanie, zapewniające wymaganą dokładność śledzenia trajektorii oraz pozycjonowania. Informacja o wzajemnym położeniu narzędzia i obiektu manipulacji (komórki) dostarczana jest przez system optyczny, w skład którego wchodzi makroskopowy tor optyczny o sterowanych parametrach, kamera o wysokiej rozdzielczości, system oświetlenia oraz algorytmy przetwarzania i analizy obrazu.

W oparciu o opracowaną metodologię, algorytmy sterowania oraz przetwarzania obrazów zostały zaimplementowane w układzie FPGA, co pozwala na wykonywanie przetwarzania i realizację sterowania w czasie rzeczywistym. Robot wyposażony jest w dedykowany, intuicyjny interfejs człowiek-maszyna w postaci panelu operatorskiego, wyposażonego w ekran dotykowy, umożliwiający wybór operacji, modyfikację parametrów i ciągły podgląd przeprowadzanych manipulacji poprzez wyświetlanie przetworzonego obrazu z kamery.

Prototyp robota został nagrodzony złotym medalem Międzynarodowych Targów Poznańskich w 2009 roku.

Maciej Petko


Zespół badawczy:

• dr hab. inż. Maciej Petko (kierownik)

• dr hab. inż. Wojciech Lisowski (badania drgań)

• dr inż. Jarosław Bednarz (badania drgań)

• dr Tomasz Błasiak (założenia neurofizjologiczne, konsultacje merytoryczne, preparaty do badań)

• dr inż. Grzegorz Karpiel (układ sterowania, FPGA, konstrukcja makrorobota)

• dr inż. Daniel Prusak (konstrukcja mikrorobota)

• dr inż. Mariusz Szwedo (system wizyjny, przetwarzanie i analiza obrazów)

• dr inż. Jan Targosz (wibroizolacja)

• mgr inż. Janusz Ochoński (układ sterowania)