随着生物科学和纳米技术的迅速发展,机器人及其自动化操作在微观尺度的应用需求增加。相较于传统的医疗手段和生物研究技术而言,微观机器人具有更精确、更稳定、更灵活的功能与设计自由度等特点,使得它们能完成传统医疗技术所无法完成的任务和效果。微环境中自动操纵细胞或纳米颗粒在生物医学和纳米科学方面有着广泛的应用前景,例如自动细胞分选、细胞定向转移、细胞特性分析、靶向癌症治疗等。然而,现有的大多数操纵方法是在理想条件下设计的,并没有考虑系统和环境的不确定性,或只处理特定的不确定性问题。事实上,生物研究中对微米级对象的操作通常要求在复杂的具有多种不确定性干扰的微观环境中进行,例如脉动的血流中。另一方面,细胞或者复杂形状的微观粒子难以建立准确的运动模型,同时利用传感器的位置反馈存在一定的误差。这些都给微环境下的机器人及自动化操作带来了新的挑战。本论文研究了基于扰动观测器的鲁棒控制方法操纵微米级颗粒在癌症治疗相关的应用。首先,光镊辅助自动化操作的微球被用以模拟体内细胞迁移过程。其次,血管环境中载药微球的运动控制被研究以实现靶向治疗。本研究从以下几个方面展开。首先,本文分析了装载诱导物的微球能够诱导癌细胞迁移的原理,给出了体外诱导细胞迁移的新策略。利用扩散定理,对微球在液体环境中所释放诱导物产生的浓度梯度分布进行仿真,给出了药物浓度随着时间和相对距离的分布曲线。利用光镊操纵微球以改变微球和细胞的相对距离进而改变细胞周围导物浓度梯度场分布。给出了体外环境下利用执行器光镊通过改变诱导源的位置来引导细胞迁移运动的流程。进一步,本文研究了光镊、微球和细胞构成的系统模型,分别给出了光镊-微球和微球-细胞相互作用的子系统模型。首先,根据基于扩散定律建立了外部的微球诱导细胞迁移子系统模型,该模型描述了载药微球位置与细胞迁移运动之间的关系。根据几何光学理论,建立了内部的光镊捕获微粒的近似一阶线性子系统模型。最后给出了以光镊位置为控制变量的系统状态方程模型。针对光镊辅助细胞迁移的多级系统模型,本文提出了利用双闭环控制策略来驱动微球以主动控制细胞迁移过程。利用A*算法和轨迹平滑算法对微粒和细胞进行二维平面轨迹规划,以避免运动过程中与障碍物发生碰撞。针对微粒-细胞外环子系统,提出并采用了基于扰动观测器的自抗扰控制(ADRC)算法,用来对细胞的实时位置和扰动信号进行实时估计。该方法可以解决微粒-细胞子系统的模型的不确定性以及测量噪声等问题。光镊-微粒子系统采用了结合前馈的比例积分控制算法。最后对本文提出的控制算法的稳定性进行证明。仿真和实验结果验证了提出的细胞迁移算法的有效性。由于环境中存在的其他载药微球,本文提出了一种基于交通规则和结合前馈的比例微分控制算法的干扰清除机制。当其他非目标微球出现在感兴趣区域时,利用光镊捕获干扰微球并限制其运动范围,可以有效减少干扰物对细胞迁移过程的影响。最后对本文提出的方法进行了仿真和实验验证。另一方面,为了将载药微球的应用扩展到体内环境下,如何将微球运输到靶向位置是首先面临的难题。本文规划了血管中的微型机器人的导航路径。对于血管中的微型机器人导航,引入了广度优先搜索(BFS)全局规划算法,该算法可以基于整个血管图的拓扑图找到从注射位置到目标区域的多个连通通道。在考虑血管网络限制和驱动限制的条件下,结合了 A*和基于遗传算法的B样条插值轨迹生成算法,设计平滑且能量最优的局部轨迹,最大限度地减少能源消耗。针对血管环境中脉动流和血管壁等影响,本文为微型载药机器人设计了结合滑模控制(SMC)和反步控制(backstepping)的鲁棒运动控制器,用于简化系统控制的构建和处理系统的非线性。本文采用扩展状态观测器(ESO)以精确估计微球的位置和速度,避免了对多级血管中非恒定血流速度的实时测量。仿真结果验证算法的有效性。概括来说,基于扰动观测器的鲁棒控制方法有助于解决复杂微环境中微粒精确操控的生物相关问题。本文设计的自动细胞迁移控制系统,能够在未知细胞内部复杂的迁移响应模型和存在障碍物的情况下,引导细胞迁移到指定的区域。此研究不仅有利于细胞迁移的生物学研究,而且也是生物医学工程中基于迁移的应用开发的初步尝试。其次,本文所提出的血管内载药微米级颗粒导航控制策略不依赖于血流速度分布的先验知识,并且在存在环境干扰和位置测量误差情况下依然能够驱动微米级颗粒沿着规划的轨迹运动。该研究不仅推进了生物医药领域中基于靶向运送的主动自主辅助疗法的发展,同时奠定体内了大批量微粒精确运动控制的技术基础。