细胞是组成生物体结构和功能的基本单位,对细胞生命活动基本规律的研究是一切生命科学的研究基础,对人类疾病的预防、诊断和治疗也具有极其重要的意义。因此,如何观测、分析细胞的各种变化,从中提取生命信息,研究单细胞中各种化学物质的定性、定量及结构的变化等具有重要的应用价值。相比传统的细胞生物技术,基于细胞操纵的单细胞研究可以直接反映细胞内部状态,如单细胞DNA测序和单细胞定时定量PCR。对细胞物理位置进行控制的细胞操纵是开展单细胞研究的基础,通过将光镊技术跟机器人技术相结合实现细胞的机器人化操纵是一种有效的细胞操纵手段,很大程度上促进了单细胞研究的进展。目前基于细胞操纵的研究主要分为直接操纵和间接操纵两种方式。但是,尚存在一些问题:针对直接操纵方式的控制算法只适用于单种细胞,且激光产生的热量会对敏感的细胞造成一定损伤,影响细胞的生理功能;而间接操纵方式则主要停留在手工操纵阶段,实际操纵过程中非常费时,且精度较差。本文针对上述两个问题开展以下研究:(1)将机器人技术与光镊技术相结合,实现不同类型细胞的机器人化操纵。首先,对细胞的动力学模型进行分析,引入一个新的变量控制约束替代动力学模型中的临界偏移量。然后,提出一种通过在线识别相关参数,实现不同类型细胞操纵的模型参考自适应控制算法。为论证所提算法的正确性,使用酵母菌细胞与成骨细胞作为实验样品,采用点对点控制方式和轨迹跟踪控制方式实现此两种类型细胞的操纵,具有良好的操纵精度,论证了所提控制算法的有效性。(2)结合机器人、光镊、微纳结构设计与制备等技术,实现间接方式下细胞的机器人化操纵。设计具有平移和旋转功能的微纳工具,结合显微视觉实时反馈的微纳工具位姿和细胞位置,采用基于行为的控制方法,通过对微工具位姿的精确控制,实现细胞以一定速度沿着给定路径进行搬运,并最终到达目标位置。为论证所提方法的有效性,使用酵母菌细胞作为实验样品,验证所提方法对细胞的运输取得了良好的位置精度。