The nematode worm Caenorhabditis elegans (C. elegans) is a tiny biological model organism with a ~1000 μm long ~80 μm wide transparent body composed of ~1000 somatic cells (exact 959 in male;​ exact 1031 in hermaphrodite). Because of its many advantages of short life cycle, well characterized nervous system, well known neuronal wiring connections, and plenty of genetic tools facilitate its study, C. elegans is particularly amenable to neuronal, developmental, and genetics studies. In worm biology laboratories, however, the basic operations of C. elegans screening by developmental stages and C. elegans microinjection of DNA plasmid for transgenic worm generation are still manually conducted by skilled operators, which is especially time-consuming and labor-intensive. In this thesis, automated robotic micromanipulation techniques and systems for C. elegans screening and microinjection experiments are developed, which provide superior throughput, accuracy and success rate compared over manual operations. In addition, an automated patterned-light projection system under an inverted microscope is designed to enable automated optogenetic excitation on the worm body for worm locomotion control. By initiating the contraction of muscular cells with the optogenetic method, the modelling and vision feedback close-loop control techniques are successfully designed to automatically regulates the locomotion of the worm.

This thesis research is composed of three projects that facilitate the automated operation of C. elegans:​ automated worm sorting, robotic worm microinjection and optogenetic worm locomotion control. For the worm sorting, unlike the existing microfluidic worm sorting devices that purely rely on passive sorting mechanisms, the proposed system can accurately measure the worm body size parameters and actively sort individual worms based on their body lengths. This function was realized by automatic control of a double-layer microfluidic device with computer-controlled microvalves. Real-time image processing algorithms were developed to measure the worm length and width parameters, visually monitor the on-chip events, and provide feedback signals to the system to regulate the microvalve states for sequential loading, trapping, and sorting of single worms. Based on sorting experiments of 319 worms, the sorting speed and success rates of the system were tested to be 10.4 worms/min and 90.3%, respectively.

The worm microinjection system was developed based on a double-layer microfluidic device with computer-controlled pneumatic valves to load individual worms, and a three-degree-of-freedom (3-DOF) micromanipulator to conduct automated microinjection. Robust image processing algorithms were developed to identify the injection needle tip position, detect the contact between the needle tip and the substrate, and constantly monitor the loading/unloading of single worm in the microfluidic channel. From the experiments on 240 worms, the robotic system demonstrated automated, continuous worm injection at a speed of 6 worms per minute (10 s/worm) with an operation success rate of 78.8% , which are 23 times faster and >1.5 times higher than the injection speed (~4 min/worm) and success rate (~30%) of a proficient human operator.

Besides the automated worm sorting and worm injection, an automated patterned-light projection system was developed to automatically track the worm and spatial selectively deliver patterned laser beam to target muscle cells of a single paralyzed worm. This capability enables artificial perturbation of the contraction and inhabitation of the muscles on the worm body. the crawling dynamics of the worm on agar plate is studied and muscular excitation patterns that drives the worm with stable movement are identified. By applying the light patterns to the paralyzed worm body muscles through the proposed miniature projection system, the normal behaviors on worms of straight forward moving, shallow turns, gradual turns and omega turns were artificially reproduced on a paralyzed worm. Moreover, by characterizing the worm crawling behavior with a kinematic model, the worm moving direction and destination can be controlled. This study shows the potential of turning a live worm into a computer vision-feedback soft microrobot, and may also provide an effective tool for the worm behavioral studies

Le nématode Caenorhabditis elegans (C. elegans) est un organisme modèle mesurant approximativement 1000 um long 80 um large avec un corps transparent composé de près d’un miller cellule somatiques. (exactement 959 chez le mâle;​ 1031 chez l’hermaphrodite). A cause de plusieurs avantages tels qu’un cycle de vie très courte, un système nerveux bien caractérisé, connexions neuronale bien connue ainsi que plusieurs outils génétiques facilitant l’étude, C. elegans est particulièrement convenable aux études neuronales, développementaux et génétiques. Cependant, dans les laboratoires de biologie, les opérations de basique de criblage du C. elegans par stades de développement et de la micro-injection de C.elegants du plasmide d’ADN pour la génération mutants sont toujours effectuées manuellement pars des opérateurs qualifié, demandant beaucoup de temps et de travails. Dans cette thèse, nous allons automatiser les criblages et les micro-injections via des techniques de micromanipulation robotisées avec un débit, une précision et un taux de réussite supérieurs à ceux des opérations manuelles. De plus, un système de projection miniature a haute précision a été développé sous microscope inversé afin de permettre une excitation optogénétique automatisée sur le corps du ver avec une résolution unicellulaire. En initiant artificiellement les contractions des cellules musculaires avec les méthodes optogenetiques, nous avons développé avec succès les techniques de modélisation et de contrôle en boucle fermée pour réguler automatiquement la locomotion du ver.

Cette thèse est composée de trois sous-projets qui facilitent l'opération automatisée de C. elegans, ainsi que celle du microrobot souple de C. elegans:​ tri automatisé des vers, microinjection de vers robot et contrôle optogénétique de la locomotion des vers. Pour le triage des vers, contrairement aux dispositifs de tri microfluidiques existants qui reposent uniquement sur des mécanismes de triage passifs, le système proposé peut mesurer avec précision les paramètres de taille du corps du ver et trier activement les vers individuels en fonction de la longueur de leur corps. Cette fonction est réalisée par le contrôle automatique d'un dispositif microfluidique à double couche doté de microvalves commandées par ordinateur. Des algorithmes de traitement d'image en temps réel ont été développés pour mesurer les paramètres de longueur et de largeur du ver, surveiller visuellement les événements sur-puce et de fournir des signaux de rétroaction au système afin de réguler les états de la microvalve pour le chargement, le piégeage et le triage séquentiels des vers individuels. Basant sur des expériences de triage de 319 vers, la vitesse du triage et les taux de réussite du système ont été testés à 10,4 vers / min et 90,3%, respectivement.

Le système de microinjection a également été développé basant sur un dispositif microfluidique à double couche avec des vannes pneumatiques commandées par ordinateur pour charger les vers et d'un micromanipulateur XYZ 3-DOF pour effectuer des microinjections automatisées. Des algorithmes de traitement d'image robustes ont été développés pour identifier la position de la pointe de l'aiguille d'injection, détecter le contact entre la pointe de l'aiguille et le substrat et surveiller en permanence le chargement / déchargement d'un seul ver dans le canal microfluidique. D'après les expériences menées sur 240 vers, le système robotique a démontré une injection automatique et continue de vers à une vitesse de 6 vers par minute (10 s / ver) avec un taux de réussite de l'opération de 78,8%, soit 23 fois plus rapide avec une vitesse d’injection 1.5 fois plus élevé qu’un opérateur humain (~4 min/vers et taux de réussite de ~30%).

Outre que le triage et l'injection automatisés des vers, un système de projection miniature est développé pour taquer automatiquement le ver et de délivrer spécialement de façons sélectives le faisceau laser aux cellules cibles. Cette capacité permet une perturbation artificielle de la contraction et de l'inhibition des muscles du corps du ver avec une résolution monocellulaire. Nous avons étudié la dynamique de rampage du ver sur une plaque de gélose et identifié les schémas d'excitation musculaire qui entraînent le ver avec un mouvement 2D stable. En appliquant les patterns aux muscles du corps du ver paralysés par le biais du système de projection miniature proposé, nous avons constaté, grâce à des expériences, que les comportements normaux des vers, des virages droits, des virages peu profonds, des virages graduels et des virages oméga peuvent être reproduits artificiellement sur un ver paralysé. De plus, en caractérisant le comportement de rampage du ver avec un modèle cinématique, la direction et la destination de déplacement du ver peuvent être contrôlées. Cette étude transforme le ver vivant en microrobot mou et constitue un outil efficace pour les enquêtes comportementales sur le ver.