RoboCell

Sistem microrobotic mobil pentru manipularea/sortarea de organisme unicelulare

Mobile microrobotic system for single-cell manipulation and sorting

Galerie Foto Contact

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-1675
Număr contract: 132PED/2017

Denumirea Programului din PN III: 2: Creşterea competitivităţii economiei româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare
Subprogram: 2.1. Competitivitate prin cercetare, dezvoltare şi inovare
Tip proiect: Proiect experimental demonstrativ
Autoritatea Contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării
Instituţia contractoare: Universitatea VALAHIA din Târgovişte

Data începerii proiectului: 03/01/2017
Data încheierii proiectului: 30/06/2018
Durata proiectului: 18 luni
Valoarea totală de la buget: 600.000,00 lei

Abstract:
Acest proiect urmăreşte dezvoltarea unui sistem microrobotic mobil pentru manipularea şi / sau sortarea de organisme unicelulare în scop biomedical, utilizând un agent magnetic mai mic de 200μm plasat în interiorul unei arene microfluidice şi acţionat de un set de 4 bobine aşezate ortogonal. Arena microfluidică va fi proiectată şi construită în spaţii de tip “cameră albă” utilizând tehnologia adecvată. Sistemului microfluidic i se vor adăuga cel puţin 4 pompe peristaltice cu rezoluţie sub nanolitrică. Sistemul va fi complet mobil şi va permite achiziţionarea de imagini în timp real prin intermediul unei camere. De asemenea, va conţine componente electronice adiţionale, unităţi de procesare, împreună cu o interfaţă pregătită pentru o gamă largă de scenarii biomedicale: detecţia şi separarea celulelor, inserţia / extracţia şi sortarea celulelor, testarea elasticităţii membranare, testarea substanţelor chimice (de exemplu poluanţi, medicamente etc.). Microrobotul va putea fi controlat atât manual cât şi în mod asistat de calculator. Mişcările permise de către sistem vor fi de-a lungul axei X sau Y şi rotaţie în planul XY. Agentul magnetic are capacitatea de a se deplasa într-o arie de 3x3 mm, iar acurateţea poziţionării acestuia este de aproximativ 20 μm. Posibilitatea facilă de schimbare a bobinelor utilizate permite obţinerea de viteze mari de deplasare. O cameră de microscop împreună cu optica necesară pentru magnificarea imaginii va fi plasată sub arenă. Beneficiarii demonstratorului vor fi reprezentaţi în primă instanţă de către laboratoarele de cercetare medicală. Echipa de cercetare este alcătuită din şase membri, sub coordonarea lui Florin Dragomir şi Ioan Alexandru Ivan (manager de proiect, respectiv cercetător principal), câştigători a trei premii internaţionale în 2015 şi 2016 („IEEE Mobile Microrobotics Challenge”, acordate în cadrul conferinţei Internaţionale de Robotică şi Automatică ICRA).

This project seeks the design and development of a mobile microrobotic system for biomedical manipulation and/or sorting of single-cell organisms consisting of a magnetic agent of less than 200μm placed in a microfluidic chamber and actuated by a set of four orthogonal coils. The microfluidic chamber will be precisely designed and manufactured on using adequate clean room technology. The microfluidic system will be fitted with at least 4 high peristaltic pumps of under a nanoliter resolution. It will be designed to be fully embedded with a microscopic camera and its additional electronics and processing unit and its interface will be ready for a wide range of biomedical scenarios: detection and isolation of cells, insertion/extraction and cell sorting, membrane elasticity testing, chemical substances testing such as pollutants or drug dosage etc. The microrobot will be controlled in both manual and computer-assisted modes. The expected movements are translations along the X or Y axis and rotations in this XY plane. The microrobot workspace is of 3x3 mm and the expected microrobot positioning accuracy is around 20 μm. Fast coil switching will allow for high displacement speeds. A small microscopy camera and related magnfication optics will be adapted under the arena. The end-users of this demonstrator will be dedicated in a first instance medical research laboratories. The research team, is composed by the six members, coordinated by Florin Dragomir and Ioan Alexandru Ivan (the project manager and the senior researcher), and obtained three awards in 2015 and 2016 (IEEE Mobile Microrobotics Challenge within International Conference of Robotics and Automation ICRA).

Etape şi Activităţi

Etapa 1 - Studii teoretice privind structurile microrobotice pentru aplicații bio-medicale, proiectarea și dezvoltarea platformei (Sistem microrobotic mobil pentru manipularea / sortarea de organisme unicelulare)
Act 1.1. Studiul sistemelor de micromanipulare pentru aplicații bio-medicale.
Act 1.2. Studiul sistemelor microrobotice pentru aplicații bio-medicale.
Act 1.3. Studiul opțiunilor de microfabricare
Act 1.4. Stabilirea metodelor de obținere a obiectivelor
Act 1.5. Simularea principalelor componente ale sistemului microrobotic
Act 1.6. Proiectarea sistemului microrobotic mobil pentru manipularea / sortarea de organisme unicelulare
Act 1.7. Realizarea sistemului microrobotic mobil pentru manipularea / sortarea de organisme unicelulare
Act 1.8. Diseminare şi alte activităţi suport

Etapa 2 - Testarea sistemului microrobotic mobil pentru manipularea / sortarea de organisme unicelulare
Act 2.1. Realizarea algoritmului de control avansat
Act 2.2. Testare şi optimizare locală
Act 2.3. Testare şi optimizare in-vitro la UMF Bucureşti
Act 2.4. Diseminare şi alte activităţi suport

Rapoarte de etapa și Raportul final:
1. Raport ST - Etapa 1 *
2. Raport ST - Etapa 2 *
3. Raport Final *

Rezultate

I. Conceptul sistemului microrobotic proiectat și dezvoltat în cadrul proiectului a fost prezentat la conferințe naționale și internaționale, organizate atât în țară cât și în străinătate:

1. Salonul Internaţional al Inovării şi Cercetării Ştiinţifice Studenţeşti - ”Cadet INOVA’17”, organizat de Academia Forţelor Terestre “Nicolae Bălcescu” din Sibiu în perioada 27-29 Aprilie 2017, prin cele două lucrări prezentate:

- Compact teleoperated mobile robotic platform for microcomponents assembly, Nicolae Gabriel RĂDULESCU, Ion Valentin GURGU, Florin DRAGOMIR, Ioan Alin BUCURICĂ, Ioana Daniela DULAMA, Ioan Alexandru IVAN - Lucrare cu care s-a obținut Marele Premiu al Juriului și CUPA “Cadet INOVA’17” pentru inovație / cercetare (http://cadetinova.ro/documente/Premii_Inova_17.pdf);

- Autonomous trajectory control of magnetically-actuated microrobotic system, Ion Valentin GURGU, Nicolae Gabriel RADULESCU, Florin DRAGOMIR, Ioan Alin BUCURICA, Ioana Daniela DULAMA, Ioan Alexandru IVAN - Lucrare cu care s-a obținut Premiul Societăţilor Comerciale “Cadet INOVA’17” pentru inovație / cercetare (http://cadetinova.ro/documente/Premii_Inova_17.pdf)

2. International Conference on Robotics & Automation 2017, Singapore, 29 mai – 3 iunie 2017:

- Mobile microrobotic system, Ioan Alexandru IVAN, Florin DRAGOMIR, Ion Valentin GURGU, Ioana Daniela DULAMĂ, Ioan Alin BUCURICĂ, Nicolae Gabriel RĂDULESCU - Lucrare prezentată în cadrul concursului 2017 Mobile Microrobotics Challenge (MMC 2017) la secțiunea „MMC Showcase & Poster Session”

3. The 20th World Congress of the International Federation of Automatic Control, Toulouse, 9-14 iulie 2017, în cadrul „Automatic Control Demonstrators”:

- Design and control of an embedded mobile microrobotic system for education, Ioan Alexandru IVAN, Ion Valentin GURGU, Nicolae Gabriel RĂDULESCU, Florin DRAGOMIR, Mihaela IVAN, Ioana Daniela DULAMĂ, Ioan Alin BUCURICĂ, Rosario Toscano. Proceedings of the IFAC 2017 World Congress, Toulouse, France, 2017. - http://laris.univ-angers.fr/_resources/IFAC2017/IFAC_Paper_4297.pdf

4. International Electric & Automation Show, București, 19-22 septembrie 2017, în cadrul secțiuni ”Inovare Tehnică”:

- Design and control of an embedded mobile microrobotic system, Nicolae Gabriel RĂDULESCU, Ioan Alin BUCURICĂ, Ion Valentin GURGU, Ioana Daniela DULAMĂ, Ioan Alexandru IVAN, Florin DRAGOMIR - Lucrare cu care s-a obținut premiul I pentru creativitate și abordare inovativă, pasiune pentru cercetare și contribuție științifică.

5. Simpozionul cercetării – Universitatea Valahia din Târgoviște, Târgoviște, 27 septembrie 2017:

- Sistem microrobotic mobil pentru manipularea/sortarea de organisme unicelulare, Florin DRAGOMIR, Ioan Alexandru IVAN, Ioana Daniela DULAMA, Ion Valentin GURGU, Ioan Alin BUCURICA, Nicolae Gabriel RADULESCU

6. Conferința de științe spațiale - EDUSPACE, Târgoviște, 4 octombrie 2017:

- Sistem microrobotic mobil pentru manipularea/sortarea de organisme unicelulare, Florin DRAGOMIR, Ioan Alexandru IVAN, Ioana Daniela DULAMA, Ion Valentin GURGU, Ioan Alin BUCURICA, Nicolae Gabriel RADULESCU.

7. International Conference on Robotics & Automation 2018, Brisbane, Australia, 21 - 25 mai 2018:

- Mobile microrobotic system for single-cell manipulation and sorting, Florin DRAGOMIR, Ioan Alexandru IVAN, Ion Valentin GURGU, Ioana Daniela DULAMĂ, Ioan Alin BUCURICĂ, Nicolae Gabriel RĂDULESCU - Lucrare prezentată în cadrul concursului 2018 Mobile Microrobotics Challenge (MMC 2018) la secțiunea „MMC Showcase & Poster Session”

- Microrobotics from Science to the Public: an Embedded Mobile Microrobotic Kit, Ioan Alexandru IVAN, Florin DRAGOMIR, Ioana Daniela DULAMĂ, Ion Valentin GURGU, Nicolae Gabriel RĂDULESCU, Ioan Alin BUCURICĂ - Lucrare prezentată în cadrul Workshop-ului „30 Years of Small-Scale Robotics from Nano-, to Millimeter-Sized Robotic Systems and Applications” - http://www1.ece.uic.edu/~paprotny/posters_abstracts_ICRA2018.pdf ; http://www1.ece.uic.edu/~paprotny/posters_ICRA2018.pdf

II. De asemenea, echipa proiectului a participat de diferite concursuri / competiții și a obținut o serie de premii:

1. Locul I la sectiunea ”Microassembly Challenge” din cadrul concursului ”IEEE 2017 Mobile Microrobotics Challenge (MMC)”, Singapore, 2017 (http://www.icra2017.org/conference/robot-challenges#sub_3). Concursul desfăsurat în 29 mai-3 iunie 2017, la Sands Expo and Convention Centre, in Singapore și organizat în cadrul ICRA2017. Manifestarea s-a desfășurat sub egida institutului IEEE și RAS-MNRA. Competiția dedicată roboticii de precizie la scară micrometrică a reunit universități și centre de cercetare din întreaga lume. Obiectivele acestui concurs de microrobotică au constat în dezvoltarea de soluţii inovative la scara mică, dedicate viitoarelor aplicaţii biomedicale şi nanotehnologiilor.

2. Locul I la sectiunile „Autonomous Mobility & Accuracy Challenge”, „Microassembly Challenge” și „MMC Showcase & Poster Session” din cadrul concursului ”IEEE 2018 Mobile Microrobotics Challenge (MMC)”, Brisbane, Australia, 2018 (https://sites.google.com/site/mobilemicrorboticschallenge/results). Concursul desfăsurat în perioada 21 -25 mai 2018, la Brisbane Convention & Exhibition Centre, in Brisbane și organizat în cadrul ICRA2018. Manifestarea s-a desfășurat sub egida institutului IEEE și RAS-MNRA. Competiția dedicată roboticii de precizie la scară micrometrică a reunit universități și centre de cercetare din întreaga lume. Obiectivele acestui concurs de microrobotică au constat în dezvoltarea de soluţii inovative la scara mică, dedicate viitoarelor aplicaţii biomedicale şi nanotehnologiilor.

3. Finaliști la sectiunile ”Autonomous Mobility & Accuracy Challenge” și ”MMC 2017 Best in Show” din cadrul concursului ”2017 Mobile Microrobotics Challenge (MMC)” https://sites.google.com/site/mobilemicrorboticschallenge/results)

4. Premiul I la secțiunea Start Up din cadrul International Electric & Automation Show 2017, pentru proiectul “Magnetic levitation system to reduce mechanical vibration”, București, 2017 (link).

III. Alte rezultate (articole în jurnale, brevete):

1. Comsol simulation of electromagnetic field required for a microrobot actuation, Florin Dragomir, Ioan Alexandru Ivan, Ion Valentin Gurgu, Nicolae Gabriel Radulescu, Ioan Alin Bucurica, Ioana-Daniela Dulama, Journal of Science and Arts, 2(43), pp. 523-529, 2018

2. S-a depus o cerere de brevet la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (O.S.I.M.) cu titlul “Sistem microrobotic mobil pentru manipularea / sortarea de organisme unicelulare”, autori: Ion Valentin GURGU, Florin DRAGOMIR, Nicolae Gabriel RĂDULESCU, Ioana–Daniela DULAMĂ, Ioan Alin BUCURICĂ, Mihaela–Eugenia IVAN, înregistrată cu nr. A / 00693 / 21.09.2017