生物生产机器人 参考资料（中文课件）----第九章.doc

微繁殖机器人

用于操作活组织的生物生产机器人需要其他很多不同于一般工业机器人的功能。为了能使农业机器人实用化,很多技术问题需要解决,包括对对象的温和操纵、室外机器视觉、室外地形移动系统的选择等。育苗机器人一般只用于室内操作,因此不需要移动装置,所以已经在包括日本在内的世界各地广泛开发出来,而且事实也已经证明了它们的实用性。
生物技术,或者说生物工程,是一门最有效地利用植物和动物具有的多种功能用于生物生产的技术。其中涉及植物的三个重要技术是:一、植物增殖(组织培养),二、植物或组织产生的有用物质地利用(产生有用物质),三、饲养繁殖处理(细胞融合和基因管理)。生物技术操作的重要特征是它可以在无菌环境下对小而且极脆弱的组织进行温和操作。通常这种操作是手工完成的,因此需要特殊的技能。但是人工的介入是引起污染的主要原因,防止污染对生物技术操作成功与否是至关重要的。
生物技术的过程
繁殖植物的方法有两种:有性繁殖和无性繁殖。在有性繁殖中,植物通过授精产生许多种子。在无性繁殖中,植物个体通过很多种方法进行再生,如组织培养、扦插和细胞分裂。细胞培养对于所需植物的大规模生产是一种非常适用的技术,因为通过这种方法得到的植株个体有着和它的母体(这种个体称为克隆植物)严格相同的特征。用来繁殖高级花卉、观赏植物和蔬菜的秧苗的分生组织克隆培养技术,已经投入了实际应用。
现在,分生组织克隆培养技术已经用于生产兰花、草莓和康乃馨的无菌秧苗。这种技术对于提高这些植物的收成和它们的质量有着极其重要的作用。然而,由于在增殖过程中的一系列操作需要有严格的次序和非常清洁的无菌环境的专业技术,因此所有这些操作目前都是由专家手工完成的。组织培养是一个在一般花费情况下提供高质量秧苗的系统。如果能降低费用,提高生产力,这项技术将会得到普及。
植物组织培养增殖机器人
在组织培养方法中,将茎顶作为移植体来繁殖克隆植物的方法称为茎顶培养。,茎顶是一个复杂的器官,它包括一个生长点和一个叶原基。在茎顶培养中,从母体切下的移植体被移植到琼脂培养基上,诱导产生一个胼胝体或者芽。胼胝体是细胞的聚合丛,它是由于特殊细胞形态消失和细胞分芽繁殖而从移植体上产生的。
,当组织增生时,琼脂培养基上的营养就会不足。如果没有充足的营养,组织就会停止分裂。所以在组织缺乏营养之前组织必须用刀切除并移到一个新的琼脂培养基上,这种操作称为移植。而通过重复这种操作来繁殖植物的方法称为次培养。
 
分割移植体(Okamoto et al.,1992)
通过机器人进行组织分芽繁殖(Okamoto et al.,1992)
 
   ,用它来切除和移植组织或烟草胼胝体。在移植操作中,皮氏培养皿中培养的胼胝体被分成适当大小。然后每个又被选出到新的基体上培养。机器人的末端执行器,如刀和钳子,需要经过灭菌处理。如果有可能的话,应该将整个操作者保持清洁或者将机器人的机械手或机械手的一部分置于清洁腔中。传递式实验机器人系统包括以下几个装置:识别胼胝体的形状和位置的图像处理系统,分离、采摘和运送胼胝体的末端执行器,检测吸着力大小的压力传感器,将末端执行器引到组织端的操纵器,机器人驱动单元和控制整个系统的计算机。
   首先,机器人获取从皮氏培养皿的图像并且检测培养皿的面积和中心点。然后打开培养皿盖,机器人获取胼胝体的图像。接着,将胼胝体的图像根据多次实验获得的域值转换成二元图像。为了能搜索到胼胝体,有必要让机器人只检查有盖培养皿内区域,因为培养皿内胼胝体的位置在第一步操作中就被识别出来了()。过滤噪声之后,就提取出胼胝体的图像,并且根据搜索结果,计算出了图像的质心。
 
植物组织移植机器人原理图(Okamoto et al.,1992)
  
图像处理过程(Okamato and Kitani, 1990)
 
   切割胼胝体是通过附在操纵器末端的切割装置来完成的。切割装置架和支撑两个平行刀片部位间安装了弹簧缓冲器。双排刀片放在一起,随切割装置移动到胼胝体质心,然后下压进行切割。为了能够比较容易地捕获到胼胝体的图像,机器人张开手爪,分开已经被切开的胼胝体()。然后操纵器末端的吸管吸取每个胼胝体移并释放到新的培养皿中。
切割和分离植物组织(Okamato and Kitani, 1990)

在分芽繁殖兰花时,实际采用种子繁殖技术。兰花的种子种在经过灭菌处理的琼脂培养基上,然后就可以识别到原胚体,并且将其转移数次以便提高发芽率和加快生长速度。
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