随着科技水平的进步,生物、医学等领域的科学研究和应用逐渐走向微观化和精准化。细胞微操作是推动这一趋势的关键技术,是人工受精、克隆、新药研制及基因工程的前提技术保障。目前,传统微吸管真空吸附的操作方式存在失败率高、灵活性和可重复性差、效率和精度低等问题,远不能满足相关领域科学研究和临床应用的发展需求。电热驱动微夹持器结构紧凑、可靠,控制简单,操作方式灵活多样,用电热驱动微夹持器机械夹持代替传统微吸管真空吸附的操作方式为解决上述问题提供了新思路,但当前研究尚处于静态层次的初级水平,在功能和性能上都无法满足细胞微操作的要求。本文以电热驱动微夹持器为研究对象,围绕静力学、动力学、设计、制作、测试、控制,及实验等方面,从理论到实验、软件到硬件开展了深入、系统的研究,有效提升了电热驱动微夹持器的性能。主要包括以下几个方面内容:(1)针对真空与空气两种环境,分别建立了V型和Z型电热驱动器的电-热和热-机多物理场耦合子模型,进而建立了V型和Z型电热驱动器统一的静力学模型,并对V型和Z型电热驱动器进行了详细分析与性能比较,为电热驱动器设计提供了依据。(2)建立了偏微分方程形式电热驱动器电-热场的动态模型。考虑轴向和横向振动的耦合,分别建立了V型和Z型电热驱动器的自由振动模型,求出了固有频率和模态。通过详细参数分析,发现了电热驱动器的动力学特性主要由电-热场决定,从而求出了电热驱动器的系统动态响应,揭示了电热驱动器的动力学特性。并进一步建立了常微分方程形式的电热驱动器动力学方程,为电热驱动微夹持器的控制奠定了基础。(3)设计并制作了多组电热驱动器,从静态响应、动态响应、氧化失效及失稳等方面开展了一系列测试与比较分析,改进了电热驱动器结构尺寸,提高了输出位移。利用拓扑优化方法,设计了一种柔顺微夹持机构,并制作了电热驱动微夹持器,实验测试表明,其输出位移可完全满足细胞操作需要。(4)根据动力学方程,建立了电热驱动器和电热驱动微夹持器的系统传递函数,并通过实验求得了综合材料参数,进而修正了传递函数模型。从而设计了P和PD控制器,通过数值仿真和实验,显著提高了电热驱动微夹持器的响应速度,并抑制了稳态振动。(5)搭建了一套细胞微操作系统,集成了机械臂、电动平台、电热驱动微夹持器、相机及显微镜等硬件,开发了操作软件,可实现图像实时显示、设备连接、手动操作、自动操作和反馈控制等功能。按照所规划的细胞微操作过程,首次实现了电热驱动机械夹持方式的斑马鱼卵细胞自动穿刺。