近日，追光生物携手研究团队共同完成了光电镊技术新成果《Automated and collision-free navigation of multiple micro-objects in obstacle-dense microenvironments using optoelectronic tweezers》，发表于 《Microsystems & Nanoengineering》。
作为共同作者单位，追光生物深度参与技术研发与产业化，提供核心设备OptoBot®500光电镊系统。
研究团队提出一种自适应光模式设计策略，使用光电镊（OET）技术，在复杂且障碍物密集的微环境中，实现10个微粒全自动无碰撞导航，目标捕获率100%，操控精度达亚微米级。有效解决了传统方法中光图案重叠导致的微粒逃逸问题，将冲突距离从32μm压缩至10μm（降幅68%），突破微纳操控领域长期存在的并行控制瓶颈，为单细胞分选、药物递送等高通量场景提供全新解决方案。
一、期刊介绍
《Microsystems & Nanoengineering》是自然出版集团旗下聚焦微纳系统与工程技术的顶级期刊，涵盖微流控、生物MEMS等前沿方向，以高影响力推动技术转化。2024年影响因子为7.3，JCR分区为Q1，中科院分区为工程技术1区。
二、研究亮点
1.首创自适应光图案技术
突破性设计动态重构光阱形态，攻克多微粒并行操控中光图案重叠导致逃逸的行业难题，冲突距离缩减68%（32μm→10μm）。
a：采用相同厚度T、不同内径Φ（示例Φ=16 μm）的环形光图案捕获10 μm聚苯乙烯（PS）微粒的显微图像（比例尺25 μm）。内径为16 μm和18 μm的光图案未能有效捕获微粒，其他尺寸则成功实现捕获。b：微粒捕获成功率随光图案内径Φ变化的曲线图。c：不同内径光图案边缘处单个微粒的电势分布与麦克斯韦应力张量分布。d：微粒位于环形光图案边缘和中心时的受力示意图。e：水平方向的介电电泳力（DEP力）分布。f ：垂直方向的介电电泳力（DEP力）分布，反映不同内径光图案内部各位置微粒的受力特征（光图案中心定义为位置0）。g：光图案稳定操控区范围参数α、β与其内径的对应关系。
a：自适应光图案的设计流程示意图。b：采用自适应光图案策略前后，临界间距（Ls）随微粒中心间距d变化的曲线对比。自适应策略使最小Ls维持在22 µm，确保微粒稳定操控；而非自适应图案的最小Ls为0 µm，将导致操控失效和微粒逃逸。c：自适应光图案中不同位点微粒的电势分布与麦克斯韦应力张量分布。d：沿X轴和e Y轴的介电电泳力（DEP力）分布，展示光图案左半区不同位点微粒的受力情况。f 自适应光图案策略下两个微粒向左运动。g：向下运动的力学分析与对应显微图像。
集成YOLOv7实时目标识别、匈牙利算法全局路径分配、冲突搜索（CBS）多智能体规划，实现10微粒在200+障碍环境中的全自动无碰撞导航。
a：在受限空间中，路径规划过程对比了自适应光模式策略与原始非自适应方法的性能。自适应策略在保持控制的同时有效减小微粒之间的距离，证明了其在受限空间中的有效性。b：原始非自适应方法的对比结果。c：在不同应用场景下，通过对比自适应光模式与原始光模式的路径冲突数量，发现自适应策略显著减少了相邻微粒之间的路径冲突。
通过COMSOL多物理场仿真量化光阱力学特性，结合微加工芯片实测，达成100%目标捕获率与零逃逸率，单微粒操控精度达亚微米级。
图6.应用自适应光图案在密集障碍环境中实现10个微粒的自动化运输
a ：显微镜图像展示了10个聚苯乙烯（PS）微粒通过障碍物间的微通道向微腔室运输的过程（详见补充材料中的影片S3）。b ：原始光图案与自适应光图案在运输O1-O2和O6-O7组时结构相似性指数（LS）随时间的变化对比。c ：显微图像记录了两组微粒的最近距离：O1与O2在11秒时的最近接近状态，以及O6与O7在9秒时的最近距离，直观展示了自适应光图案的精确操控能力。
该技术在生物医学领域的细胞分选、微组织构建等方面具有巨大潜力，能够显著提高实验效率和成功率，为疾病研究和治疗提供有力工具。
作为共同作者单位，追光生物深度参与本研究的技术实现与产业转化。
- 核心设备支持：提供OptoBot®500光电微流控系统
追光生物通过直接参与研究，在光电镊技术上的突破，为相关领域的研究提供了新的思路和方法。未来的工作可以集中在增加粒子数量、引入各种形状的障碍物、改变障碍物的空间排列以及定制不同类型的粒子操控上，以更好地满足实际应用中与微流体技术集成的复杂需求，有望在细胞分选、微组织构建等多个领域引发新的变革。
粤公网安备44030002004557号
