基于机器人技术的细胞微纳操作理论与方法项目公示内容

基于机器人技术的细胞微纳操作理论与方法项目公示内容项目名称基于机器人技术的细胞微纳操作理论与方法主要完成人孙东(香港城市大学)，陈浩耀（哈尔滨工业大学（深圳）），黄海波（苏州大学），谢瑜（厦门大学），谭又华（香港理工大学），胡松钰（深圳大学），王晓林（上海交通大学）主要完成单位香港城市大学申报奖种自然科学奖项目简介细胞显微操作技术作为几乎所有细胞研究的技术基础，在操控精度、操控效率、成功率以及安全性等各个方面，均遭遇发展瓶颈。随着人类对于在细胞层面上的研究和精准医疗的要求日益增加，传统的手工操作早已无法满足需要。发展新的细胞显微操作理论及方法，已经成为凝聚共识的重大科学问题，对揭示人类生命机理和发展精准医疗技术等都具有重要的理论及现实意义。自2002年起，项目组就开始系统性地将机器人与自动化技术融入细胞微纳操作，是国内外最早从事机器人辅助细胞自动化微纳操作研究的课题组之一。师生两代人经过10余年的协同攻关，在接触式及非接触式细胞微纳操作机器人理论及方法两个瓶颈问题上取得了关键性突破。主要创新点如下：(一)揭示了机器人辅助微纳操作末端执行器与活性细胞的力学作用机理。研究发现了光镊操作多场力耦合作用规律和显微注射过程中细胞的应变规律，建立了光镊下细胞迁移的作用力模型和针穿刺下细胞应力与压强变化模型，为实现不同类型细胞自动化微纳操作奠定了重要的理论基础。(二)创立了机器人辅助全息光镊细胞微纳操作理论和方法体系。研究发现了全息光镊细胞操作控制的准确性与效率规律，提出了基于多场耦合动力学模型和显微视觉的迁移闭环控制方法，突破了复杂显微液体环境下大批量细胞同步操作的难题，开辟了群体高通量细胞操作新方向。(三)构建了多维感知与穿刺力控制细胞显微穿刺理论与方法体系。研究发现了细胞穿刺多维可感知信息与细胞穿刺质量的关系，提出了基于多维信息融合与基于力控制的穿刺控制新理论，突破了兼具高效率和高可靠性的穿刺操作难题，开辟了细胞穿刺自动化操作的新方向。8篇代表性论文获得广泛引用，单篇最高他引达170次。施引者包括中科院外籍院士、IEEE总主席福田敏男教授，ASMEFellow、南加州大学SatyandraK.Gupta教授，RSEFellow、英国圣安德鲁斯大学KishanDholakia教授，香港科大、大疆董事长李泽湘教授、美国麻省理工学院Jean-JacquesSlotine教授等。部分成果开始商业化，如：香港城大郑淑娴教授（转基因鲭鳉鱼技术联合发明人）基于项目组的机器人辅助自动化注射技术，建立了世界上首套面向大批量自动化生物制造的机器人辅助鲭鳉鱼卵母细胞显微穿刺系统，培育了世界首例可用于环境监测的转基因鲭鳉鱼。第一完成人是世界上最早应用机器人和光镊等微纳操作技术对生物细胞进行微纳米操作的少数几位学术带头人之一。其带领团队将机器人技术与多种微纳末端执行器如光镊、微针等有效结合，为以后的医学诊断和精准手术奠定了重要的理论和实践基础。其相关工作总引用接近10000余次，多次荣获国际会议最佳论文奖及香港工业奖。因其在细胞微纳操作机器人领域的杰出贡献，于2014年当选IEEEFellow，2019年当选加拿大工程院院士。他还出任IEEE机器人与自动化学会的IEEEFellow评选委员会委员，及中华人民共和国教育部科学技术委员会的学部委员。第二至七完成人均为香港城大博士毕业生，师从第一完成人。完成人及其学术贡献第一完成人：孙东学术贡献：是世界上最早应用机器人技术对生物细胞进行自动化微纳米操作的少数几位学术带头人之一，为全部8篇文章的主要作者。首次提出将机器人技术与多种微纳末端执行器如光学镊子和微针等工具有效结合，并在之后的十年里成功领导团队在单细胞水平上实现了大批量、自动化精准细胞操作，研究成果在本领域的多个著名期刊全面加以报道。其相关工作的总引用接近10000余次，H-index为51（GoogleScholar数据）。这一科学实践为在之后进行的细胞医学诊断和微型手术等最新医学应用奠定了重要的理论与实践基础，为医疗机器人的发展开辟一个崭新的领域。因在该领域的杰出贡献，于2014年当选IEEEFellow，2019年当选加拿大工程院院士。他还担任中华人民共和国教育部科学技术委员会的学部委员。第二完成人：陈浩耀学术贡献：项目的主要参与者之一，是科学发现一和二的主要完成人之一，提出了基于人工势场和显微视觉反馈的全息光镊细胞迁移自动控制理论和方法，实现了高效、高精度以及高抗干扰能力的全息光镊自动化细胞操控，突破了大批量细胞同步迁移控制的安全可靠性瓶颈。该工作于2012年发表在机器人领域顶级杂志IEEETransactionsonRobotics(代表性论文8)，被引用超过100次（GoogleScholar数据），是国内外最早利用光镊实现大批量细胞自主迁移控制的研究，为后续许多相关研究提供了模型和方法基础。第三完成人：黄海波学术贡献：是科学发现一和三的主要完成人之一。该工作于2009年发表在机器人领域顶级杂志IEEETransactionsonRobotics（代表性论文3），被引用超过140次（GoogleScholar数据），这是该研究方向在IEEETransactionsonRobotics上发表的首篇论文，同时其研究成果连续获得了2006和2007年机器人与仿生技术国际学会（IEEEROBIO）最佳会议论文提名。其设计的自动化细胞显微注射系统成功应用于香港城市大学生物化学系郑淑娴教授（转基因鲭鳉鱼技术的联合发明人）研究组的转基因鲭鳉鱼研究，培育世界首例可用于环境监测的转基因鲭鳉鱼。第四完成人：谢瑜学术贡献：是科学发现一和三的主要完成人之一。该工作突破细胞操纵中力控制精度要求高、响应时间快的瓶颈，首次在机器人辅助细胞操纵中实现了微牛级力快速伺服跟踪的控制策略。同时该工作提出了基于专家穿刺经验学习的仿人穿刺控制框架，为细胞操纵机器人智能自进化学习建立了理论基础与实验依据。作为第一作者，工作发表在2010年的世界著名期刊InternationalJournalofRoboticsResearch（代表性论文5）。第五完成人：谭又华学术贡献：是科学发现八的主要完成人之一。该工作主要应用光镊机器人技术操作红细胞，结合自我开发的力学模型成功表征红细胞在不同渗透压下的力学性能，该研究于2010年发表在生物医学工程领域顶级杂志IEEETransactionsonBiomedicalEngineering（代表性论文4），被引用超过120次（GoogleScholar数据），为应用机器人微操作技术测量生物细胞力学特性奠定了实验和理论基础，其研究成果获得了2009年机器人与仿生技术国际学会（IEEEROBIO）最佳会议论文奖。第六完成人：胡松钰学术贡献：项目主要参与者之一，是科学发现一和二的主要完成人之一，深入研究机器人辅助全息光镊与活性细胞的力学作用机理，建立了细胞在光镊作用下的迁移动力学模型，提出了多细胞同步迁移的闭环控制理论与方法，突破了多活体细胞操控时原有细胞群体图案的精准维持问题。相关工作在2010年IEEE自动化科学与工程国际会议上唯一获“青年科学家”奖，并在机器人领域顶级杂志InternationalJournalofRoboticsResearch发表（代表性论文7）。第七完成人：王晓林学术贡献：项目主要参与者之一，是科学发现四的主要完成人之一，提出了基于光镊微操作技术和微流控技术的自动化细胞分选方法，实现了高纯度以及高回收率的细胞分选，突破了少量稀有细胞筛选难题。该工作于2011年发表在微流控领域顶级国际杂志LabonaChip(代表性论文6)，被引用超过240次（GoogleScholar数据），并入选2013年LabonaChip引用前5文章，相关工作已授权美国专利（US8723104B2）及中国专利（CN103674814B）。论文、专著目录序号论文、专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码年(卷):页码发表年月通讯作者/第一作者(中文名)SCI他引次数他引总次数是否国内完成1名称：Adaptivesynchronizedcontrolforcoordinationofmultirobotassemblytasks刊名：IEEETransactionsonRoboticsandAutomation作者：DongSun,JamesK.Mills1.0482002年18卷498-510页2002年8月1日孙东/孙东109141是2名称：Positionsynchronizationofmultiplemotionaxeswithadaptivecouplingcontrol刊名：Automatica作者：DongSun1.6832003年39卷997-1005页2003年6月1日孙东/孙东134172是3名称：Roboticcellinjectionsystemwithpositionandforcecontrol:Towardsautomaticbatchbiomanipulation刊名：IEEETransactionsonRobotics作者：HaiboHuang,DongSun,JamesK.MillsandShukHanCheng2.0352009年25卷727-737页2009年6月1日孙东/黄海波6482是4名称：Mechanicalcharacterizationofhumanredbloodcellsunderdifferentosmoticconditionsbyroboticmanipulationwithopticaltweezers刊名：IEEETransactionsonBiomedicalEngineering作者：YouhuaTan,DongSun,JinzhiWang,andWenhaoHuang1.7902010年57卷1816-1825页2010年2月18日孙东/谭又华5253是5名称：Aforcecontrolapproachtoarobot-assistedcellmicroinjectionsystem刊名：InternationalJournalofRobotics4.0952010年29卷1222-1232页2010年8月1日孙东/谢瑜3141是Research作者：YuXie,DongSun,ChongLiu,H.Y.Tse,andShukHanCheng6名称：Enhancedcellsortingandmanipulationwithcombinedopticaltweezerandmicrofluidicchiptechnologies刊名：LabonaChip作者：XiaolinWang,ShuxunChen,MarcoKong,ZuankaiWang,KevinDCosta,RinaldALi，andDongSun5.6702011年11卷3656-3662页2011年11月7日孙东/王晓林143149是7名称：Automatictransportationofbiologicalcellswitharobot-tweezermanipulationsystem刊名：InternationalJournalofRoboticsResearch作者：SongyuHu,andDongSun3.1072011年30卷1681-1694页2011年12月1日孙东/胡松钰4254是8名称：Movinggroupsofmicroparticlesintoarraywitharobot-tweezersmanipulationsystem刊名：IEEETransactionson2.5712012年28卷1069-1080页2012年10月1日陈浩耀/陈浩耀4851是Robotics作者：HaoyaoChenandDongSun