Zkoumání bičíkem řízené pohyblivosti v biologických buňkách
Přehled
Výzkum pohyblivých biologických buněk, jako jsou spermie vybavené bičíky, je zásadní a přesahuje rámec pouhé mechaniky pohybu. Pochopení dynamiky bičíků je klíčové, protože tvoří základ pro různé lékařské aplikace, jako je doručování léků pomocí mikrorobotů inspirovaných biologickými látkami. Studium dynamiky pohybu bičíků ve spermatických buňkách je nezbytné, protože pomáhá odhalit složité detaily lokomoce a navrhovat účinná biomedicínská řešení a zásahy založené na biologických buňkách.
Situace
Univerzita v Twente stojí v čele vývoje mikrorobotů založených na biologických buňkách, včetně spermií. Pro vytvoření účinných mikrorobotů na buněčné bázi je nezbytná komplexní znalost dynamiky pohybu buněk. Provoz takových mikrorobotů online v krevním řečišti představuje značnou výzvu kvůli nízké optické viditelnosti, s níž se setkáváme u standardního vybavení. Proto se stává nezbytným začlenění detekce objektů, sledování objektů a předpovídání trajektorie.
Požadavky
Rychlá a přesná detekce buněk a bičíků, interpolovaná pomocí n-bodů. Interpolace bičíků pomocí příslušných rovnic pro získání parametrů pohyblivosti buněk (např. v různých médiích).
Sledování buněk v reálném čase a predikce rozdělení pravděpodobnosti trajektorie pro sledování a předvídání pohybu buněk.
Řešení
K interpolaci bičíků a přesné extrakci příslušných parametrů pohyblivosti jsme použili neuronovou síť pro detekci objektů ve spojení s neuronovými sítěmi s fyzikálními informacemi. K efektivní předpovědi pravděpodobnostního rozdělení následných n-kroků byla využita rekurentní neuronová síť. Tato synergie technologií umožnila přesné sledování, detekci a predikci trajektorie buněk, což otevírá cestu k pokročilým studiím a aplikacím v oblasti mikrorobotiky založené na biologických buňkách.
Přínosy a výsledky
Vylepšená detekce a sledování: Integrovaný přístup zajišťuje rychlou a přesnou detekci a sledování buněk a bičíků a poskytuje robustní základnu pro další analýzu a vývoj aplikací. Pokročilá interpolace a extrakce parametrů: Přesná interpolace bičíků a extrakce příslušných parametrů umožňují hlubší pochopení dynamiky pohybu buněk. Předpověď trajektorie v reálném čase: Schopnost předpovídat rozložení pravděpodobnosti trajektorie v reálném čase usnadňuje efektivní sledování a řízení buněčných mikrorobotů. Inovativní vývoj mikrorobotů: Pochopení a využití pohyblivosti řízené bičíky vede k vývoji inovativních a účinných mikrorobotů pro lékařské aplikace, jako je cílené podávání léčiv. Mezioborové aplikace: Získané poznatky a vyvinutá řešení mají potenciál způsobit revoluci nejen v biomedicínském inženýrství, ale i v dalších oblastech vyžadujících složité mechanismy pohybu a řízení. Tento přístup otevřel nové cesty ve zkoumání nejen bičíkem řízené pohyblivosti, ale poskytl zásadní poznatky a položil základní rámec pro vývoj pokročilých, účinných a aplikačně specifických mikrorobotů.