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基于无掩模光刻的生物透镜阵列组装方法

中国科学：技术科学 2023年第4期53卷 536-546页

作者：寮欣于海波葛治星张天尧仲亚刘斌刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110016 中国科学院大学北京100101

在微纳光学领域,透明的介质微球和活体生物细胞都因具备光学成像能力,而受到研究者越来越多的关注.然而,由于其尺寸和生物活性限制,很难将它们直接集成到光学系统上.基于光镊、声镊等多物理场方法虽然可以操作微球和细胞用于成像,但是... 详细信息

在微纳光学领域,透明的介质微球和活体生物细胞都因具备光学成像能力,而受到研究者越来越多的关注.然而,由于其尺寸和生物活性限制,很难将它们直接集成到光学系统上.基于光镊、声镊等多物理场方法虽然可以操作微球和细胞用于成像,但是对成像样本往往有特殊的要求.为此,本文提出了基于无掩模光刻的微球/细胞透镜阵列模块制备方法.利用自然沉降原理,分别将SiO_(2)微球和MCF-7细胞组装在水凝胶微孔阵列模块上形成微透镜阵列.实验和仿真结果表明,嵌入在水凝胶中的SiO_(2)微球阵列仍然保持其超分辨成像能力, MCF-7细胞可实现图像的放大.由于是阵列化成像,因此能够获得比单个微球或细胞更大的观测视野.本文所提出的模块化成像方法,有望应用于生物光子器件及在体光学成像领域.

关键词：生物透镜无掩模光刻细胞透镜光学成像超分辨

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水导激光加工CFRP深槽微观形貌特性

航空学报 2022年第4期43卷 521-533页

作者：张旖诺乔红超曹治赫梁金盛赵吉宾中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

碳纤维增强塑料(CFRP)中树脂基体和纤维增强相两种异质材料的性能存在巨大差异,使得其在航空航天领域的广泛应用受到现有加工能力的制约。因此,具有热损伤小、加工深度能力强等优势的水导激光加工技术在特种加工领域展现出优越的加工能... 详细信息

碳纤维增强塑料(CFRP)中树脂基体和纤维增强相两种异质材料的性能存在巨大差异,使得其在航空航天领域的广泛应用受到现有加工能力的制约。因此,具有热损伤小、加工深度能力强等优势的水导激光加工技术在特种加工领域展现出优越的加工能力。基于有限元法中的单元生死技术,建立了水导激光加工非均质纤维树脂基体的三维瞬态温度场模型。在该模型下,利用双向循环扫描的加工方式对切面的微观形貌进行仿真与实验研究。研究表明:水导激光加工时水射流对材料的强对流换热效果显著,使材料的去除率和排屑率保持在一个较高的水平。在深槽加工时,铺层为90°的表层碳纤维会出现断裂现象,这成为断面损伤的主要来源。通过对切面不同侧边、不同深度的表面形貌进行分析,认为水射流高效的排屑率是实现水导激光高精度加工的关键因素。因此,改变扫描深宽比能有效减少深槽处的纤维损伤,切面可以获得较小的粗糙度和锥度。当扫描深宽比减少一倍时,损伤区域缩小46%。

关键词：水导激光加工技术碳纤维增强塑料(CFRP) 深槽微观形貌深宽比

结合微针及AFM的单细胞精准激励与力学特性同步测量

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生物化学与生物物理进展 2022年第2期49卷 420-430页

作者：冯雅琦于鹏施佳林李密中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

目的细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关,研究细胞力学特性对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义。原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞研究提供了新的技术手段,它不仅可以在溶液环境下对单个活细胞的形貌结... 详细信息

目的细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关,研究细胞力学特性对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义。原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞研究提供了新的技术手段,它不仅可以在溶液环境下对单个活细胞的形貌结构进行高分辨率成像,还能够对细胞力学特性进行定量测量。基于AFM的单细胞力学特性研究在过去数十年中取得了巨大的成功,为细胞生理病理行为带来了大量新的认识,已成为生命科学领域的重要研究方法。然而,由于AFM探针自身难以进行药物递送,目前在超微量药物刺激下的AFM细胞力学特性实时探测方面仍然面临巨大挑战。本文通过将微针与AFM结合,发展了可对单细胞进行精准药物激励及力学特性同步测量的方法。方法基于三维操纵仪、微量注射泵、医用注射器、聚四氟管和玻璃微针在荧光倒置显微镜上搭建了基于微针的单细胞显微注射系统,并利用拉针仪对毛细玻璃管拉制得到玻璃微针。选取NIH 3T3(小鼠胚胎成纤维细胞)、HEK 293(人胚胎肾细胞)和MCF-7(人乳腺癌细胞)3种细胞进行实验。在光学显微镜导引下利用微针将染色剂/药物分子注射到单个细胞,随后控制AFM探针移动到被注射的细胞表面获取力曲线。利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。结果首先分析了微针针尖孔径尺寸对细胞注射的影响,针尖尺寸较大(针尖外径大于1μm)时容易对细胞造成明显机械损伤。随后在光学显微镜导引下利用微针将蓝色墨水/PI染液注射到单个细胞并对目标细胞进行连续光学成像,结果显示墨水/PI染液被成功注射至目标细胞。最后将微针和AFM结合对超微量化疗药物(阿糖胞苷)刺激下单个细胞杨氏模量变化进行了测量,结果显示化疗药物刺激后会导致细胞力学特性改变。结论结合微针和AFM可对单个细胞施加精准化学刺激并对化学刺激后的细胞力学特性进行同步测量,为超微量药物作用下的单细胞力学特性分析提供了新的思路。

关键词：原子力显微镜微针注射细胞力学特性杨氏模量

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基于已知地形信息的海底机器人路径规划

控制与决策 2022年第9期37卷 2296-2304页

作者：高存璋谷海涛中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

路径规划是实现机器人智能化的重要组成部分,规划路径的优劣在很大程度上决定了机器人执行任务的效果.传统的路径规划算法,例如基于图搜索的dijkstra算法和其改进后的A∗算法,以及基于采样的RRT(rapidlyexploring random tree)算法和其... 详细信息

路径规划是实现机器人智能化的重要组成部分,规划路径的优劣在很大程度上决定了机器人执行任务的效果.传统的路径规划算法,例如基于图搜索的dijkstra算法和其改进后的A∗算法,以及基于采样的RRT(rapidlyexploring random tree)算法和其改进后的RRT∗算法,仅仅考虑了避障问题;基于插值曲线的算法可以产生较为光滑的轨迹;基于数值优化的算法可以将机器人速度、加速度等加入损失函数,通过优化求解,产生动力学特性较好的轨迹.然而,面对当前越来越精确、丰富的先验地形信息,鲜有算法可以充分利用他们.对此,基于海底数字高程地图(digital elevation map,DEM),提出扩展A∗算法及FM(fast marching)算法改进算法,能够利用先验地形信息提高路径规划的效果.通过仿真分析,对比3种算法:扩展A∗算法、TC FM(terrian cared fast marching)和TC FM∗算法,仿真结果表明,扩展A∗算法求解速度更快、局部规划能力更强,TC FM和TC FM∗算法所求得的路径更短、更光滑.

关键词：海底机器人路径规划数字高程地图扩展A∗算法 TC FM和TC FM∗算法

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无线化工业控制系统:架构、关键技术及应用

自动化学报 2023年第3期49卷 540-549页

作者：于海斌曾鹏梁炜王忠锋刘阳许驰中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院网络化控制系统重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

大型生产设施的安全与能效监控,迫切需要低功耗、高精度的泛在感知,高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控.为此,本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统.然后,围绕感知、传输和控制等核心功能需求,系统阐述了高实时... 详细信息

大型生产设施的安全与能效监控,迫切需要低功耗、高精度的泛在感知,高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控.为此,本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统.然后,围绕感知、传输和控制等核心功能需求,系统阐述了高实时高可靠的工业无线网络设计及其时−空−频三元联合调控方法,感知终端的变周期精益采样和高能效精准时间同步方法,以及管控平台的语义化互操作和赋时工作流模型等核心关键技术.最后,研发了面向石油高效采收和电网全域安全监测的无线化工业控制系统,介绍了应用效果和成效.

关键词：工业控制系统工业无线网络管控平台现场测控仪表安全能效

基于原子力显微镜的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

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生物化学与生物物理进展 2022年第10期49卷 2041-2053页

作者：魏佳佳李密冯雅琦刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具,基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成... 详细信息

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具,基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法,为单细胞行为研究带来了大量新认识。然而,现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境,而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下,因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为,特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统,并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7(人乳腺癌细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线,并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响,实验结果表明,与静态培养环境相比,培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞力学特性进行了测量,结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小,且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化,显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测,为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。

关键词：原子力显微镜溶液流动环境癌症转移细胞力学特性杨氏模量

一种基于线结构光的水下目标3维信息测量方法

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机器人 2022年第5期44卷 564-573页

作者：徐鹏飞孟昊李同飞郑金海李智刚河海大学江苏南京210024 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016

针对现有水下探测方式精度不佳、标定误差较大、效率较低等不足,设计了一种基于线结构光的水下目标3维信息测量方法。首先利用交比不变原理求解特征点在世界坐标系下的相对位置,随后基于像面特征点的方向向量及特征点的位置信息求解其... 详细信息

针对现有水下探测方式精度不佳、标定误差较大、效率较低等不足,设计了一种基于线结构光的水下目标3维信息测量方法。首先利用交比不变原理求解特征点在世界坐标系下的相对位置,随后基于像面特征点的方向向量及特征点的位置信息求解其在相机坐标下的真实坐标值,利用多个特征点完成结构光平面的标定。通过目标物扫描实验验证了该方法的可行性及有效性。线结构光平面的标定仅需要对特制的简单结构立体靶标进行一次扫描即可完成,无需多次移动靶标,避免了人为误差的影响。在标定线结构光平面的同时可以同步完成位移平台各自由度的位移速度标定,有效降低了实验平台系统误差,在提升系统精度的同时也极大地提升了整个系统标定过程的效率,非常适用于大尺度线结构光系统在水下现场标定。经验证,扫描水下目标物所得3维点云坐标沿X、Y轴方向的误差均小于2%,沿Z轴方向的误差略大,平均误差2.77%。

关键词：激光扫描仪水下探测成像系统标定线结构光

基于CEL方法搅拌摩擦焊材料流动及缺陷的模拟

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中国有色金属学报 2018年第2期28卷 294-299页

作者：朱智王敏张会杰张骁于涛吴振强中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016

基于欧拉-拉格朗日耦合(CEL)方法,建立一个新的搅拌摩擦焊多场耦合计算模型,模拟焊接过程中焊缝区材料的塑性流动与缺陷形成,并通过开展搅拌摩擦焊试验,分别从温度场、焊缝宏观形貌、焊缝截面塑性应变及焊接缺陷几方面对模拟结果的准确... 详细信息

基于欧拉-拉格朗日耦合(CEL)方法,建立一个新的搅拌摩擦焊多场耦合计算模型,模拟焊接过程中焊缝区材料的塑性流动与缺陷形成,并通过开展搅拌摩擦焊试验,分别从温度场、焊缝宏观形貌、焊缝截面塑性应变及焊接缺陷几方面对模拟结果的准确性进行验证。结果表明:模拟温度与实测数据吻合较好,最大误差为23.4℃;焊缝宏观形貌、焊缝截面塑性应变区的形状和尺寸均与实际焊缝吻合较好;模型能够较准确地预测焊缝内部孔洞缺陷的形成,且缺陷产生的位置与实际位置相吻合,缺陷尺寸的模拟值略大于其实测值。

关键词：搅拌摩擦焊材料流动焊接缺陷欧拉-拉格朗日耦合方法数值模拟

基于聚类分析的扑翼飞行机器人视觉图像处理和图像拼接方法

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信息与控制 2024年

作者：丁伟张峰崔龙宋敏刘钊铭王宏伟缪磊中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳工程学院自动化学院

为了解决扑翼飞行机器人实时控制过程中视觉图像自主识别和宽视野导航规划的难题，实现基于视觉的扑翼飞行机器人的宽视野规划导航控制，提出了基于聚类分析的扑翼飞行机器人视觉图像处理方法和边缘检测方法，并且基于块匹配的图像拼接... 详细信息

为了解决扑翼飞行机器人实时控制过程中视觉图像自主识别和宽视野导航规划的难题，实现基于视觉的扑翼飞行机器人的宽视野规划导航控制，提出了基于聚类分析的扑翼飞行机器人视觉图像处理方法和边缘检测方法，并且基于块匹配的图像拼接方法，构建了基于遥操作的扑翼飞行机器人视觉感知构架。利用聚类分析方法对扑翼飞行机器人视觉图像数据进行分类，并利用典型的边缘检测算法对聚类分析处理后的机器人图像进行图像边缘检测，合理提取了扑翼飞行机器人视觉目标轮廓特征和环境边缘特征。利用块匹配对扑翼飞行机器人视觉图像数据进行图像配准，并利用图像融合算法提高了图像清晰度。以扑翼飞行机器人和视觉相机搭建了扑翼飞行机器人实验平台。对基于聚类分析的飞行机器人视觉图像处理方法和图像拼接方法进行了实验验证，系列实验结果验证了所提算法的有效性。

关键词：扑翼飞行机器人视觉图像处理聚类分析边缘检测图像拼接