To better understand human physiology and development and to study a variety of human diseases, small model organisms such as Caenorhabditis elegans (roundworm), Drosophila melanogaster (fruit fly) are widely used. There are many reasons for their utility. First, it has been demonstrated by recent studies that there is a remarkable degree of similarity in the developmental mechanisms between small model organism and mammals. In addition, they have many advantages such as small body size, optically transparent or translucent body, short life cycle, and easy culture. Although they have been used as powerful models for biomedical research, the manipulation of these small model organism is performed manually by skilled biologists;​ the manual manipulation is time-consuming, labor-intensive, error-prone, and inconsistent. To enable precise and quick micromanipulation of these small model organisms, automated micromanipulation techniques and robotic systems are required, which provide superior throughput, accuracy, dexterity, and success rate over manual operations.

In the past decade, Drosophila larvae was employed as an important model organism in the mechanotransduction studies to uncover the mechanisms that regulate the adjustment of moving direction after gentle touch. However, the mechanical stimulation was always applied manually. In my doctoral research, I first developed a robotic system capable of force-controlled mechanical stimulation and locomotion behavior analysis of freely moving Drosophila larvae at a speed of four larvae per minute. To provide high force measurement resolution at micronewton level, a custom-made three-axis micro force sensor was developed. The developed robotic system improves the force regulation accuracy and larva operation consistency over conventional manual manipulation, which promises its significant application in the large-scale studies of different mechanosensory behaviors of Drosophila larvae.

Compared to the Drosophila larvae, C. elegans is another small model organism with a similar body shape and similar advantages. Thus, the techniques developed in the larvae touching project can be used as the foundation for the robotic and automated micromanipulation of C. elegans. As C. elegans hermaphrodites is a relatively thick sample which possesses a compactly structured nervous system, the clear and comprehensive observation of these features through widefield/confocal microscopy is difficult. To solve this problem, an easy-to-use microfluidic device, connected to a computer-controlled syringe pump, was developed to rotate single nematode worm C. elegans in a reliable and controllable fashion, which was enabled by on-chip generation of stable microscale vortices. By rotating C. elegans to different orientations, multiple perspectives of individual neurons of a transgenic worm were obtained at high resolution through the widefield/confocal microscopy.

Although the on-chip worm rotation shows high feasibility in the 3D data gathering, its operation is realized in the closed microfluidic channels, which restricts the further manipulation of the rotated worm like microinjection and biomechanics characterization. In this regard, I spent efforts on developing a robotic system to realize open-environment rotation of C. elegans. In the system, a microfluidic chip with an array of open channels was utilized to realize precise and controllable rotation of single C. elegans in an open environment relying on the hydrodynamic force generated via a withdrawing syringe pump. The obtained worm rotation is highly controllable and enables worm to be rotated to the desired orientation with high accuracy.

When applying the open-environment worm rotation technique to automated C. elegans injection, it is found that a random orientation change of the rotated worm exists during immobilization of the worm body with the desired orientation angle. To realize stable worm rotation and smooth transition between worm rotation and immobilization, an optimized automated robotic system with an integrated microfluidic chip was developed. With this optimized robotic system, different genetic solutions were efficiently injected into the gonad of worms to generate mutant progenies. This robotic microinjection system demonstrates comparable transgenesis efficiency of injected worms to those manually injected by an expert who has 15 years’ experience, but provides an injection speed 4 times faster than the manual microinjection. This excellent performance promises significant application in the large-scale transgenic studies of worms.

Pour mieux comprendre la physiologie et le développement de l’être humain et étudier diverses maladies humaines, de petits organismes modèles tels que Caenorhabditis elegans (ver rond) et Drosophila melanogaster (mouche à fruits) sont largement utilisés. Il y a plusieurs raisons à leur utilité. Premièrement, des études récentes ont démontré qu'il existe une similarité remarquable dans les mécanismes de développement entre les petits organismes modèles et les mammifères. De plus, ils présentent de nombreux avantages tels qu'une petite taille de corps, des corps optiquement transparents ou translucides, un cycle de vie court et la facilité de culture. Bien qu'ils soient utilisés comme modèles puissants pour la recherche biomédicale, la manipulation de ces petits organismes modèles est effectuée manuellement par des biologistes qualifiés, ce qui prend du temps, demande beaucoup de travail et n'est pas cohérent. Pour faciliter une micromanipulation précise et rapide de ces petits organismes modèles, des techniques et des systèmes de micromanipulation automatiques et robotiques sont nécessaires, qui offrent un débit, une précision et un taux de réussite supérieurs aux opérations manuelles.

Au cours de la dernière décennie, les larves de drosophile ont été utilisées comme organisme modèle important dans les études de mécanotransduction pour découvrir les mécanismes qui règlent l'ajustement de la direction de déplacement après un toucher doux. Cependant, la stimulation mécanique était toujours appliquée manuellement. Dans ma recherche doctorale, j'ai d'abord développé un système robotique capable de stimulation mécanique contrôlée par la force et d'analyse du comportement de locomotion de larves de drosophile se déplaçant librement à une vitesse de quatre larves par minute. Pour fournir une résolution de mesure de force élevée au niveau du micronewton, un micro-capteur de force à trois axes sur mesure a été développé. Le système robotique développé améliore la précision de la régulation de la force et la cohérence du fonctionnement des larves par rapport à la manipulation manuelle conventionnelle, ce qui promet son application significative dans les études à grande échelle de différents comportements mécanosensoriels des larves de drosophile.

Par rapport aux larves de drosophile, C. elegans est un autre petit organisme modèle avec une forme corporelle et des avantages similaires. Ainsi, les techniques du projet de toucher des larves peuvent être utilisées comme base pour la micromanipulation robotique et automatisée de C. elegans. Comme C. elegans hermaphrodites est un échantillon relativement épais qui possède une structure compacte et un système nerveux, une observation claire et complète de ces caractéristiques par microscopie grand champ/confocale est difficile. Pour résoudre ce problème, un dispositif microfluidique facile à utiliser, connecté à une pompe à seringue contrôlé par ordinateur, a été développé pour faire tourner un seul ver nématode C. elegans de manière fiable et contrôlable, ce qui a été rendu possible par la génération sur puce de tourbillons microscopiques stables. En faisant pivoter C. elegans dans différentes orientations, de multiples perspectives de neurones individuels d'un ver transgénique ont été obtenues à haute résolution grâce à la microscopie grand champ/confocale.

Bien que la rotation du ver sur puce montre la faisabilité dans la collecte de données 3D, son fonctionnement est réalisédans les canaux microfluidiques fermés, ce qui restreint la manipulation ultérieure du ver tourné comme la micro-injection et la caractérisation biomécanique. Pour cette raison, j'ai fait des efforts au développement d'un système robotique pour réaliser la rotation en environnement ouvert de C. elegans. Dans le système, une puce microfluidique avec un réseau de canaux ouverts a été utilisée pour réaliser une rotation précise et contrôlable d'un seul C. elegans dans un environnement ouvert en s'appuyant sur la force hydrodynamique en retirant la pompe à seringue. La vitesse de rotation du vers obtenue est très faible, ce qui permet de faire tourner le vers dans l'orientation souhaitée avec une grande précision.

L'excellente rotation des vers en milieu ouvert a été obtenue. Cependant, il existe un changement d'orientation aléatoire de la vis sans fin en rotation pendant l'immobilisation. Pour réaliser la rotation stable du ver et la transition en douceur entre la rotation et l'immobilisation, un système robotique optimisé intégré à une puce microfluidique a été développé. Avec ce système robotique optimisé, différentes solutions génétiques ont été efficacement injectées dans la gonade des vers pour générer des descendances mutantes. Ce système de microinjection robotique démontre l'efficacité de transgénèse des vers injectés comparable à ceux injectés manuellement par l'expert qui a 15 ans d'expérience, mais offre une vitesse d'injection 4 fois plus rapide que la micro-injection manuelle. Cette excellente performance promet une application significative dans les études transgéniques à grande échelle des vers