Mikrooperatorsysteme, ein wichtiger Zweig der MEMS-Forschung, haben in Industrieländern große Beachtung gefunden, die erheblich in die Forschung an Mikromanipulationsrobotersystemen investiert haben. Verschiedene experimentelle Prototypensysteme von Mikromanipulationsrobotern mit spezifischen Eigenschaften wurden entwickelt. Seit 1993 forscht die Universität für Luft- und Raumfahrt Peking mit Unterstützung der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas an Mikromanipulationsrobotern, wobei der Schwerpunkt zunächst auf Einzelkomponententechnologien lag. Nach jahrelanger technologischer Entwicklung verlagerte sich der Forschungsschwerpunkt von Einzelkomponententechnologien hin zur Systemintegration und Anwendungen, wie beispielsweise mathematische Modelle von Mikrooperatorsystemen, umfassende Theorien bionischer Mikrobewegungsmechanismen, bildbasierte visuelle Servoregelungstheorie und opto-mechanisch-elektronische integrierte Entwurfsmethoden für verfeinerte Mikrooperatorsysteme. Die Bioingenieurwissenschaften wurden als wichtiges Anwendungsgebiet für Mikromanipulationsrobotersysteme identifiziert. Der Einsatz von Mikromanipulationsrobotern im Bereich Bioengineering lässt sich in zwei Punkten erklären: ① Aus Anwendungssicht ist das Ziel klar auf Bioengineering ausgerichtet, beispielsweise auf Zellmanipulation, Gentransfer und Chromosomentrennung, um Chinas „grüne Revolution“ im nächsten Jahrhundert voranzutreiben. ② Aus technischer Sicht liegt der Fokus auf computergesteuerten, automatisierten und koordinierten Operationen auf Basis eines globalen, geschlossenen mikroskopischen Bildverarbeitungssystems. Langfristig können die zugehörigen Technologien in der Mikrobearbeitung, Mikroelektronik, mikroskopischen Medizin usw. Anwendung finden. 1. Mikrobewegungs-Parallelroboter: Im Forschungsprojekt „Forschung und Entwicklung eines Mikrobewegungs-Parallelroboters“ wurde ein Mikrobewegungsroboter mit sechs Freiheitsgraden entwickelt. Darauf aufbauend wurde eine experimentelle Plattform mit einer Grobbewegungsplattform mit drei Freiheitsgraden, einem mikroskopischen Bildverarbeitungssystem, einem Steuerungssystem und peripherer Hilfsausrüstung aufgebaut. Insbesondere wurden detaillierte Untersuchungen zur Auswahl des Mikromanipulationsrobotermechanismus, zur Fehleranalyse, zur mikroskopischen Bildverarbeitung und zur Systemkalibrierung durchgeführt. Die Einzelheiten sind wie folgt: (1) Durch die Analyse und Synthese von Mikrobewegungsmechanismen im In- und Ausland wurde ein einzigartiger, zweistufiger, entkoppelter seriell-paralleler Mikrobewegungsroboter entwickelt, der im Bereich der Mikrobewegungsroboter eine Premiere darstellt. Dieser seriell-parallele Mikrobewegungsroboter verfügt über sechs Freiheitsgrade und besteht aus zwei parallelen Mechanismen, dem oberen (3RPS-Mechanismus) und dem unteren (3RRR-Mechanismus). Er zeichnet sich durch die Entkopplung der oberen und unteren Mechanismen, einfache Kinematik, Dynamik und Fehleranalyse, geringe Steuerungskosten, hohe Beschleunigung und die Fähigkeit zur Grob- und Feinjustierung aus. Die spezifischen technischen Daten sind wie folgt: Die Außenabmessungen betragen 100 mm × 100 mm × 100 mm, der Arbeitsraum 40 μm × 40 μm × 24 μm und die Bewegungsauflösung 0,2 μm. (2) Um die Genauigkeit sinnvoll zu verteilen und den Einfluss verschiedener Fehler auf die Endeffektorposition umfassend zu bewerten, wurde mithilfe der Vektoranalyse ein mathematisches Modell des Strukturparameterfehlers und des Positionsfehlers des Serien- und Parallelmechanismus erstellt. Anschließend wurde der Einfluss verschiedener Strukturfehler auf die Endeffektorposition analysiert und daraus Schlussfolgerungen gezogen, die für die Konstruktion, Fertigung und Installation von Mikromanipulationsrobotern von allgemeiner Bedeutung sind. (3) Es wurden eingehende Untersuchungen zu den Antriebseigenschaften piezoelektrischer Keramikaktoren, den mechanischen Eigenschaften flexibler Gelenke, der Wahl der Endeffektorposition von Mikrobewegungsrobotern, dem Steuerungsmodus von Mikrobewegungsrobotern und der Bildverarbeitung durchgeführt, wodurch wertvolle Erfahrungen gesammelt wurden. (4) Es wurden mehrere Verbesserungsmaßnahmen für die experimentelle Umgebung vorgeschlagen. 2. Mikromanipulationsrobotersystem für die Bioingenieurwissenschaften Die meisten Industrieroboter führen einfache, sich wiederholende Aktionen (wie Schweißen, Montage, Handhabung usw.) gemäß einem vorgegebenen Programm aus und benötigen keine ausgeprägte Intelligenz. Bei Mikromanipulationsrobotern ist die Situation jedoch völlig anders. Da die manipulierten Objekte extrem klein sind, können die Bediener ihre genauen Positionen nicht bestimmen. Darüber hinaus führen Veränderungen in der äußeren Umgebung zu Unsicherheiten in ihrer relativen Position. Die physikalischen Gesetze und mechanischen Eigenschaften der mikroskopischen Welt unterscheiden sich stark von denen der makroskopischen Welt, weshalb Roboter über ausgeprägte automatische Erkennungs- und Entscheidungsfähigkeiten verfügen müssen. Gleichzeitig erfordern Störungen durch instabile Faktoren wie Temperaturänderungen, mechanische Vibrationen, Rauschschwankungen und mechanisches Kriechen sowie die Auswirkungen nichtlinearer Mikrobewegungseigenschaften und die Übertragung akkumulierter Fehler, dass Mikromanipulationsroboter über ausgeprägte Selbstjustierungsfähigkeiten (d. h. Selbstkalibrierung und Kompensation in Echtzeit) verfügen. Daher müssen Mikromanipulationsroboter mit anderen Instrumenten und Geräten in ein hochintegriertes opto-mechatronisches System integriert werden, um Mikromanipulationen durchzuführen. Das vom Robotik-Institut der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking entwickelte Mikromanipulationsrobotersystem zur Zellmanipulation umfasst ein inverses biologisches Mikroskop, eine Grobbewegungsplattform, einen linken und einen rechten Manipulator, eine Kamera, eine Bildverarbeitungseinheit, ein Steuerungssystem und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Dieses System verwendet eine globale Regelungsmethode mit geschlossenem Regelkreis, wobei die mikroskopische Bildgebung als Feedback-Regelungsquelle in die Servoregelung einbezogen wird und so ein visuelles Servo-Feedback-Regelungssystem entsteht. Die Funktionsweise des Systems wird wie folgt erläutert: Lebende Zellen oder Chromosomen werden in einem Kulturmedium suspendiert. Zwei Mikromanipulationsroboter werden symmetrisch am Mikroskopstativ montiert. Kapillarröhrchen und Nadeln dienen als Endeffektoren der Roboter (Kapillarröhrchen werden zum Auffangen und Fixieren von Zellen verwendet, während Nadeln zum Schneiden und Injizieren von Zellen dienen). Zunächst werden die Glasröhrchen, Nadeln und zu manipulierenden Objekte mithilfe der mikroskopischen Bildverarbeitung automatisch auf die Fokalebene des Mikroskops ausgerichtet. Der linke Roboter fängt die lebenden Zellen ein und fixiert sie, während der rechte Roboter präzise Operationen wie Schneiden und Injizieren durchführt. Der gesamte Prozess wird mikroskopisch überwacht. Die Bildverarbeitungseinheit verarbeitet und analysiert die erfassten Bildinformationen in Echtzeit (z. B. die relative Position von Zellen, Glasröhrchen und Nadeln sowie die Lage des Zellkerns innerhalb der Zelle) und wandelt sie in Steuersignale um, die an die Steuerung übertragen werden. Gemäß den Anweisungen der Steuerung verfolgen, fangen, injizieren und transferieren die Roboter die Zellen in Echtzeit, bis der gesamte Vorgang abgeschlossen ist. Während der Mikroinjektion wird die Menge der injizierten exogenen Gene, Chromosomen oder Proteine ​​unter gleichzeitiger Überwachung durch Mikroskopie und Injektionsgerät bestimmt. Der gesamte Vorgang wird in Echtzeit mittels Mikroskop, Kamera und Monitor reproduziert und dient Forschern zur Analyse und Untersuchung. Im Falle eines Unfalls kann der Bediener das System über die Mensch-Maschine-Schnittstelle anhand der Bildinformationen fernsteuern. Die Auswahl des zu bedienenden Objekts erfolgt ebenfalls über die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Im Zuge der Systementwicklung wurden folgende Ergebnisse erzielt: (1) Mithilfe der Spiraltheorie wurde das Problem der Typensynthese von Mikrobewegungs-Parallelmechanismen eingehend untersucht und mehrere neue Methoden zur Typensynthese von Parallelmechanismen vorgestellt. (2) Der Delta-Parallelmechanismus mit drei Freiheitsgraden wurde als Mikromanipulationsrobotermechanismus ausgewählt und in Kombination mit den Anforderungen der Mikrooperation einer kinematischen Analyse, einer Arbeitsraumoptimierung, einer Fehleranalyse und einer Analyse der dynamischen Eigenschaften unterzogen. Als Kernkomponente des Mikrooperationssystems sollte der Mikromanipulationsrobotermechanismus geringe Abmessungen, eine relativ große Reichweite, einen feinen Antrieb, eine hohe Positioniergenauigkeit und -stabilität sowie gute dynamische Eigenschaften aufweisen. Der Delta-Mikrobewegungs-Parallelmechanismus erfüllt diese Anforderungen im Wesentlichen. Die Außenabmessungen betragen 100 mm × 100 mm × 100 mm, der Arbeitsraum ca. 500 μm × 500 μm × 400 μm und die Bewegungsauflösung ca. 80 nm. (3) Basierend auf jahrelanger Forschung und umfangreichen Untersuchungen wurden einige Konstruktionsprinzipien für Mikromanipulationsrobotersysteme zusammengefasst. Diese sind nicht nur für Mikromanipulationsrobotersysteme im Bereich Bioengineering anwendbar, sondern bieten auch Referenzwerte für die Entwicklung solcher Systeme in anderen Anwendungsgebieten. (4) Die Nutzung mikroskopischer Bildgebung als Feedback-Regelungsquelle in der Servoregelung zur Bildung eines visuellen Servo-Feedback-Regelungssystems verbessert den Automatisierungsgrad und die Genauigkeit der Mikromanipulation erheblich. Der Bediener muss lediglich das zu bearbeitende Objekt (Zellen, Chromosomen usw.) mit der Maus anklicken, woraufhin das System die Mikromanipulation, wie z. B. Geninjektion oder Zellteilung, automatisch durchführt. (5) Die geringere Genauigkeit der Bearbeitung und Montage im Vergleich zur Gesamtgenauigkeit des Systems erschwert die Systemkalibrierung. Die Abweichungen der einzelnen Teilsysteme vom Referenzkoordinatensystem sowie die durch Faktoren wie Temperatur, Vibration und Kriechen verursachten zufälligen Fehler erhöhen die Komplexität der Offline-Kalibrierung zusätzlich. Dieses Projekt schlägt eine neuartige Methode zur Kalibrierung der Parameter von Mikromanipulationsrobotersystemen mit visueller Servoregelung vor. (6) Geplant ist der Einsatz mehrerer intelligenter Regelungsalgorithmen, wie z. B. Fuzzy-Adaptive-Control basierend auf Bildkorrektur und Fuzzy-Predictive-Control basierend auf Bildverarbeitung, um einen computergesteuerten, automatischen und koordinierten Servobetrieb auf Basis eines globalen geschlossenen Regelkreises der mikroskopischen Bildverarbeitung zu realisieren. Diese Methoden gewährleisten eine schnelle und präzise Positionierung auch bei ungenauem Ausgangsmodell. 3. Wichtige Hinweise: Die Konstruktion von Mikromanipulationsrobotersystemen ist komplexer als die von Industrierobotern und umfasst ein breiteres Forschungsspektrum. Bei der Entwicklung von Mikromanipulationsrobotersystemen für die Bioingenieurwissenschaften sollten folgende Punkte besonders beachtet werden. Sie dienen als Konstruktionsrichtlinien: (1) Es ist nicht zu erwarten, dass eine „Universalmaschine“ entwickelt wird. Da Zellen oder Chromosomen aktiv sind und unterschiedliche Formen und Farben aufweisen, kann das entwickelte Mikromanipulationsrobotersystem nicht alle Mikromanipulationen durchführen. Einige Operationen lassen sich besser elektrisch, chemisch oder sogar manuell durchführen. (2) Die Einheiten des Mikromanipulationsrobotersystems sollten fest miteinander verbunden sein. Um Fehlerakkumulationen zu reduzieren, die Vibrationsfestigkeit des Systems zu erhöhen und die Anzahl der Kalibrierungsmessungen zu verringern, sollten alle Systemeinheiten fest miteinander verbunden sein, wobei das Sichtfeld des Mikroskops als Verteilerpunkt dient. (3) Der Arbeitsbereich der linken und rechten Mikromanipulatoren sollte größer als das Sichtfeld des Mikroskops sein und dieses vollständig umschließen. Das Sichtfeld des Mikroskops ist fixiert. Um den begrenzten Raum optimal zu nutzen und die eingeschränkte Bedienbarkeit und Flexibilität des Roboters in der Nähe der Arbeitsbereichsgrenzen zu vermeiden, sollte der Arbeitsbereich der linken und rechten Mikromanipulatoren größer als das Sichtfeld des Mikroskops sein. Bei der Installation und Inbetriebnahme des Systems sollten der Roboter und die zugehörige Peripherie um die Mitte des Sichtfelds angeordnet werden, um sicherzustellen, dass das Ende des Bedienwerkzeugs mit der Mitte des Sichtfelds übereinstimmt und sich innerhalb des Sichtfelds bewegt. Diese Installations- und Kombinationsmethode wird als „bewegungskonzentriertes“ Mikromanipulatorsystem bezeichnet. (4) Der theoretische Arbeitsbereich des Mikromanipulators sollte größer sein als sein tatsächlicher Arbeitsbereich. Die Genauigkeit des mathematischen Modells, die Leistungsfähigkeit des Aktuators, die elastische Verformung des Mechanismusmaterials und andere Faktoren führen dazu, dass der tatsächlich erreichbare Bereich des Mikromanipulators kleiner ist als der theoretisch erreichbare Bereich. Dieser Punkt sollte beim Aufbau des Robotersystems besonders beachtet werden. (5) Die Bewegungskette des Mikrobewegungsmechanismus sollte so kurz wie möglich sein. Um die Vibrationsfestigkeit zu erhöhen, Montagefehler zu reduzieren und die strukturelle Steifigkeit zu verbessern, sollte das System die Anzahl der Bewegungsglieder minimieren. Dies ist einer der Gründe, warum Parallelmechanismen im Bereich der Mikromanipulation so beliebt sind. (6) Zu viele Freiheitsgrade sind nicht vorteilhaft. Theoretisch gilt: Je mehr Freiheitsgrade ein Roboter hat, desto flexibler ist er. Zu viele Freiheitsgrade bedeuten jedoch auch eine höhere Steuerungskomplexität und höhere Kosten. Drei Freiheitsgrade reichen für alle Mikromanipulationen aus, und es ist nicht einfach, in der mikroskopischen Welt großflächige Rotationen zu realisieren. (7) Für Mikromanipulationsroboter, die zur Zellmanipulation eingesetzt werden, sind Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung besonders wichtig. Bei Mikromanipulationen wie der Zellinjektion und dem Zellschnitt ist eine bestimmte Kraft erforderlich, um die Zellmembran zu durchbrechen, wenn die Mikroinjektionsnadel oder das Mikroschneidemesser in lebende Zellen eindringt. Wird die Kraft zu langsam angewendet, kann sich die Zellmembran in Richtung des Werkzeugs einknicken, bis sie schließlich punktiert. Je langsamer die Geschwindigkeit, desto tiefer die Einknickung und desto größer die Schädigung der lebenden Zellen. Aufgrund der Viskosität und Fließfähigkeit der Kulturflüssigkeit driften die Zellen durch die Bewegung des Manipulationswerkzeugs in dieselbe Richtung. Um die Zellen möglichst schnell zu erfassen, sollte die Bewegungsbeschleunigung des Werkzeugs daher möglichst hoch sein. (8) Bei der Auswahl eines Mikrobewegungsmechanismus sollten Kugelgelenke möglichst vermieden werden. Der Hauptgrund dafür ist die aufwendige und kostspielige Herstellung dieser Gelenke. (9) Die Installation einer Endanschlagvorrichtung ist notwendig. Die meisten Mikromanipulationsmechanismen nutzen die elastische Verformung von Materialien für die Mikrobewegung. Überschreitet die Verformung die Elastizitätsgrenze, kann das Material brechen. Daher ist eine Endanschlagvorrichtung zum Schutz erforderlich. (10) Die Hardware des mikroskopischen Bildgebungssystems sollte sorgfältig ausgewählt werden. Das inverse biologische Mikroskop ist das größte und schwerste Gerät des gesamten Systems. Sein Sichtfeld, seine Vergrößerung, die mechanische Schnittstelle, die optische Leistung, die Vibrationsfestigkeit usw. sind entscheidend für den Erfolg oder Misserfolg des Systems. Der Widerspruch zwischen dem langsamen Bildverarbeitungszyklus und dem schnellen Abtastzyklus der Echtzeit-Bewegungssteuerung ist seit jeher deutlich erkennbar. Obwohl die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Bildabgleichalgorithmen und Steuerungsschemata eine Lösung darstellt, ist auch die Auswahl hochwertiger Bildverarbeitungshardware (Kamera, Bildverarbeitungskarte usw.) notwendig. (11) Das System sollte eine einfache Mensch-Computer-Schnittstelle verwenden. Fortschrittliche und komplexe Mensch-Computer-Schnittstellen wie Datenhandschuhe, Fernbedienungen und Virtual Reality werden zunehmend in Robotersystemen eingesetzt. Der durch die übermäßig lange kinematische Kette verursachte akkumulierte Fehler stellt jedoch ein schwerwiegendes Problem für Mikromanipulationsroboter dar. Daher sollte die Auswahl der Mensch-Maschine-Schnittstelle für Mikromanipulationsrobotersysteme nicht übermäßig komplex oder modern, sondern einfach, wirtschaftlich und praktisch sein. Beispielsweise sind Tastatur, Maus, Touchscreen usw. ausreichend. (12) Die Systemgenauigkeit sollte aus der Perspektive des Gesamtsystems verbessert werden, wobei der Fokus nicht ausschließlich auf Mechanismus und Aktor liegen sollte. Im Vergleich zu Industrierobotern sind die Fehlerquellen von Mikromanipulationsrobotersystemen komplexer und instabiler. Um die Systemgenauigkeit zu verbessern, sollten Umweltfaktoren (Vibration, Lärm, Temperatur usw.), Parameterfaktoren (Stangenlänge, Gelenknullwinkel, Form und Größe des flexiblen Gelenks usw.), Messfaktoren (Sensorauflösung, Nichtlinearität und Genauigkeit der Kalibriergeräte usw.), Steuerungs- und Berechnungsfaktoren (Rundungsfehler des Computers, Nachführfehler, Genauigkeit des mathematischen Modells, Wahl des Steuerungsschemas usw.) sowie Anwendungsfaktoren (Installationsfehler, Kalibrierfehler des Koordinatensystems usw.) berücksichtigt werden. (13) Der Betriebsprozess muss vereinfacht werden. Lebende Zellen oder Chromosomen schweben zufällig im Kulturmedium. Damit das System Zelloperationen automatisch durchführen und sich der Roboter regelmäßig und schrittweise bewegen kann, muss der Betriebsprozess vereinfacht werden (ähnlich einer automatischen Produktionslinie in der Fabrik). Eine effektive Lösung besteht darin, eine spezielle Kulturschale oder einen Zellausrichter (ähnlich einem Zuführer in einer Produktionslinie) zu entwickeln, um die lebenden Zellen geordnet anzuordnen und sie einzeln an die gewünschte Position zu bewegen. (14) Das Mikromanipulationsrobotersystem stellt relativ hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen. Manche Partikel oder Staubpartikel können größer als die Eizelle sein. Darüber hinaus erfordert die Kultivierung lebender Zellen auch die richtige Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Daher darf die Qualität der Umgebung nicht vernachlässigt werden. Dieser Punkt hat in der Forschung große Beachtung gefunden. Auch die Vibrationsfestigkeit des Systems ist ein wichtiger Aspekt. Das System benötigt nicht nur eine kompakte Bauweise und eine hohe Eigenfrequenz, sondern muss auch vollständig auf einer schwingungsdämpfenden Plattform installiert sein. 4. Forschungsschwerpunkte und Herausforderungen von Mikromanipulationsrobotersystemen Im Bereich der Mikrooperationssysteme bestehen aufgrund der hohen Präzisionsanforderungen und der einzigartigen physikalischen Gesetze im Mikroraum weiterhin zahlreiche theoretische und technische Herausforderungen in der Forschung von Mikromanipulationsrobotersystemen. Die Hauptprobleme sind folgende: (1) Systemkalibrierung: Eine präzise statische Kalibrierung des Mikromanipulationssystems ist praktisch nicht möglich. Nur durch die Kombination von geometrischer Kalibrierung mit intelligenter Steuerung und Selbstlernfunktion lässt sich das Kalibrierungsproblem lösen. (2) Verbesserungsbedarf bei mikroskopischen Bildverarbeitungs-Servosystemen: Aktuell verfügen die meisten Mikromanipulationsroboter lediglich über ein mikroskopisches Überwachungssystem. Die Bedienung erfolgt durch den Bediener mittels Griffen, Fingerlingen, Tastaturen etc., um die Bewegung des Mikromanipulationsroboters anhand der vom mikroskopischen Überwachungssystem ausgegebenen Bilder fernzusteuern. Dieses Überwachungssystem bildet einen großen Regelkreis, der die Augen, das Gehirn und die Hände des Bedieners einbezieht. Der mentale Zustand und das Können des Bedieners beeinflussen die Steuerungsgenauigkeit und -effizienz des Gesamtsystems, was die Automatisierung beeinträchtigt. Die Nutzung der mikroskopischen Bildverarbeitung als Feedback-Regelungsquelle für die Servosteuerung von Mikromanipulationsrobotern ist eine der besten Lösungen. Die Verzögerung bei der Bilddatenerfassung und -verarbeitung stellt jedoch nach wie vor ein großes Hindernis für die Realisierung einer visuellen Servosteuerung dar. Dieses Phänomen ist bei Mikromanipulationsrobotern noch ausgeprägter. Faktoren wie die geringe Größe und das Material der Mikroaktoren, die Formapproximation der mikromanipulierten Objekte, die Lichtdurchlässigkeit des Trägers, die optische Leistung des Mikroskops, die hohen Präzisionsanforderungen der Mikromanipulation sowie der Einfluss externer Vibrationen und Staub tragen alle zu einer längeren Verzögerung bei der Bilddatenverarbeitung bei. Um eine visuelle Echtzeit-Regelung mit geschlossenem Regelkreis zu erreichen und die Regelqualität und -geschwindigkeit zu verbessern, konzentrieren wir uns daher auf die Erforschung visueller Regelungskonzepte und die Entwicklung mikroskopischer Bildverarbeitungs-Servosysteme mit Selbstkalibrierungsfunktionen. (3) Weitere Forschung ist im Bereich der Mikromanipulationsregelung erforderlich. Das Mikromanipulationsrobotersystem ist ein hochkomplexes, nichtlineares System. Die Schwierigkeit, akkumulierte Fehler zu übertragen und hochpräzise Mikropositionen in Echtzeit zu erfassen, erschwert die Erstellung eines genauen Modells, die Entwicklung eines Regelungskonzepts und die Gewinnung präziser Fehlersignale für die Rückkopplungsregelung. Daher ist es auch schwierig, die Stabilität der Mikrobewegungsregelung des Systems aufrechtzuerhalten (geringe Robustheit). Das Ausprobieren neuer Regelungsalgorithmen ist ein praktikabler Weg. (4) Der Widerspruch zwischen dem erreichbaren Bereich und der Bewegungsauflösung des Mikromanipulationsroboters muss gelöst werden. Aufgrund des kurzen Hubs der hochpräzisen piezoelektrischen Antriebseinheit und der Einschränkungen der mechanischen Systemstruktur ist der erreichbare Arbeitsbereich des Mikromanipulationsroboters zu klein. Obwohl einige Mikrobewegungsroboter mit großen Hüben entwickelt wurden (z. B. hydraulische, peristaltische, variable, modulare und seriell-parallele Roboter), traten auch Probleme wie akkumulierte Fehler, komplexe Strukturen, geringe Bewegungsauflösung und umständliche Steuerung auf. Das höchste Ziel der Entwickler ist ein Mikromanipulationsroboter mit kompakter Struktur, großem erreichbaren Bereich, hoher Bewegungsauflösung und vollständig monolithischer Bauweise. (5) Die physikalischen Gesetze der mikroskopischen Welt sind äußerst komplex. In der mikroskopischen Welt des manipulierten Objekts entsprechen dessen kinematische und mechanische Eigenschaften nicht allen bestehenden physikalischen Gesetzen. Daher lassen sich einige Regelungsstrategien nicht ohne Weiteres auf das Mikromanipulationsrobotersystem anwenden. Bei der Manipulation von Zellen in einem Kulturmedium müssen neben der Schwerkraft auch Auftrieb, Hydrodynamik, Brownsche Molekularbewegung, Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte usw. berücksichtigt werden. Ohne die sorgfältige Untersuchung dieser physikalischen Phänomene im mikroskopischen Bereich ist es schwierig, ein perfektes Mikromanipulationsrobotersystem zu entwickeln. (6) Es besteht dringender Bedarf an der Forschung und Entwicklung neuer Mikroverschiebungs- und Mikrokraftsensoren. Für eine hohe Intelligenz des Mikromanipulationsrobotersystems sind Mikroverschiebungs- und Mikrokraftsensoren unerlässlich. Aufgrund der vielfältigen Einschränkungen im mikroskopischen Bereich konnten verschiedene Mikrokraft-, Mikroverschiebungs-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensoren in bestehenden Systemen bisher nicht erfolgreich eingesetzt werden. 5. Fazit: Die Entwicklung von Mikromanipulationsrobotersystemen steckt derzeit noch in den Kinderschuhen. Es ist schwierig, all ihre einzigartigen Eigenschaften gleichzeitig zu verstehen, und viele Probleme sind noch unerforscht. Daher birgt die frühe Entwicklungsphase von Mikromanipulationsrobotern sowohl viele Chancen als auch große Herausforderungen. Mikromanipulatorsysteme haben ein breites Anwendungsspektrum. Einige der in diesem Artikel diskutierten Probleme betreffen Mikromanipulatorsysteme für die Bioingenieurwissenschaft, andere sind jedoch allgemeingültig. Referenzen: [1] Grace K WA. Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1993: 630–635. [2] National Natural Science Foundation of China. Annual Report on Research Results of National Natural Science Foundation-funded Projects – Engineering and Materials Science. Beijing: Science Press, 1996. [3] Eric Pernette. Robotica, 1997, 15: 417–420.