Mikroroboty w Biotechnologii Plik

(pieczęć wydziału)
KARTA PRZEDMIOTU
1. Nazwa przedmiotu: MIKROROBOTY W BIOTECHNOLOGII
2. Kod przedmiotu:
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2012/2013
4. Forma kształcenia: studia drugiego stopnia
5. Forma studiów: STUDIA stacjonarne
6. Kierunek studiów: AUTOMATYKA I ROBOTYKA; WYDZIAŁ AEiI
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność: Przetwarzanie informacji i sterowanie w biotechnologii
9. Semestr: 2
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Instytut Automatyki, RAu1
11. Prowadzący przedmiot: dr inż. Dariusz Choiński
12. Przynależność do grupy przedmiotów: przedmioty specjalnościowe
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: polski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: Wymagana jest wiedza z zakresu automatyki i
robotyki na poziomie inżynierskim kierunku automatyka i robotyka lub pokrewnym. Zakłada się, że przed
rozpoczęciem nauki niniejszego przedmiotu student posiada przygotowanie w zakresie: podstaw robotyki, urządzeń
automatyki, dynamiki procesów, podstaw automatyki, podstaw elektroniki i przetwarzania obrazów cyfrowych
16. Cel przedmiotu: Celem wykładu jest zapoznanie studentów z problematyką mikrorobotów, mikrosystemów
i mikroprocesów w zastosowaniach w biotechnologii i medycynie. Celem zajęć laboratoryjnych jest przygotowanie
do samodzielnej pracy koncepcyjnej związanej z identyfikacją, modelowaniem i sterowaniem mikroprocesami
biotechnologicznymi oraz mikromanipulatorów.
17. Efekty kształcenia:
Nr
Opis efektu kształcenia
Metoda
sprawdzenia
efektu
kształcenia
Forma
Odniesienie
prowadzenia do efektów
zajęć
dla kierunku
studiów
W1
Zna zadania mikrosystemów w biotechnologii i medycynie
SP
WT, WM
W2
Zna zasady fizykalne i programowe będące podstawą
działania mikrorobotów.
Ma wiedzę o wpływie dynamiki zjawisk na metody
sterowania mikrorobotami
Zna rodzaje i własności stosowanych w mikrosystemach w
biotechnologii przyrządów oraz metod
Potrafi dokonać syntezy modelu matematycznego
układu/mikroprocesu z uwzględnieniem zjawisk mających
szczególne znaczenie w skali mikro.
Posiada umiejętności interpretacji otrzymanych wyników
pomiarów kalorymetrycznych i wykorzystania ich do
określenia dynamiki badanej reakcji.
Posiada umiejętności pisania własnych aplikacji w
środowisku LabView do akwizycji i przetwarzania obrazów
cyfrowych z kamery oraz aplikacji do sterowania
mikrosiłownikami wykorzystując kontrolki Activex.
Potrafi zaprezentować i obronić zaproponowane
rozwiązanie
SP
WT, WM
K_W4/2;
W8/2
K_W2/2
SP
WT, WM
K_W2/3
SP
WT, WM
K_W3/3
CL, PS
L
CL, PS
L
K_U7/2;
U17/1;
U19/1;U20/1
K_U1/3;
U8/2
CL, PS
L
K_U9/2;
U12/2; U13/2
OS
P
K_K1/1;
K5/1; K6/1
K7/1
W3
W4
U1
U2
U3
K1
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
W. 15 L.: 15
19. Treści kształcenia:
Wykład
Technologia mikrosystemów i mikrorobotów jako integracja bardzo małych mechanicznych, elektronicznych,
optycznych i innych komponentów dla konstrukcji funkcjonalnych urządzeń. Takie urządzenia mogą być
wykorzystywane jako inteligentne mikrosensory, mikrourządzenia wykonawcze, mikroroboty i mikrosterowniki w
biotechnologii i medycynie.
Przegląd technologii wykorzystywanych dla tworzenia mikrosystemów oraz typy i własności mikro-siłowników.
Wykorzystanie różnych źródeł zasilania.
Przegląd technologii informatycznych wykorzystywanych dla sterowania mikro-siłowników oraz pozyskiwania
informacji z mikrosensorów.
Technologia Lab-on-a-chip jako istotna możliwość zaawansowanych pomiarów w biotechnologii. Budowa
urządzeń. Zagadnienia mikroprzepływów. Mikropompy, mikrosensory, mikroroboty. Synteza i oprogramowanie
takich mikrosystemów.
Podstawowe zagadnienia termodynamiki wykorzystywane w kalorymetrii i wykorzystanie dla pomiarów
aktywności biologicznej. Budowa i właściwości pomiarowe nanokalorymetrów.
Podstawy teoretyczne fluorescencji i wykorzystanie tego zjawiska dla konstrukcji mikrosystemów.
Technologia mikroprocesów. Urządzenia laboratoryjne dla potrzeb pomiarowych, prowadzenie mikroprocesów dla
potrzeb przemysłu. Prowadzenie procesów biotechnologicznych i chemicznych w skali mikro w produkcji
indywidualnych leków oraz (jako systemy mikroreaktorów) w ochronie środowiska.
Przedstawiana jest możliwość wykorzystania bio-mikroreaktorów i mikrorobotów przy produkcji
biokomponentów. Analiza teoretyczna i doświadczalna wykazująca szczególne możliwości mikrobioreaktorów ze
względu na oszczędność zużycia energii, oszczędność zużycia substratów i biomasy. Prezentowana jest duża
wydajność (nawet rzędu stu razy większa od procesów klasycznych), która wynika z korzystniejszego stosunku
powierzchni do objętości mikroreaktorów oraz z faktu, że w mikroprocesach bierze udział prawie tylko tyle
substratów ile jest potrzebne.
Wykorzystanie nanorobotów do manipulacji cząstek o wymiarach mniejszych niż 100 mikrometrów z
dokładnościami lepszymi niż 2-3 mikrometry. Manipulacje in situ w komórkach i manipulacje w DNA.
Wykorzystanie różnych typów mikroskopów dla sterowania mikrorobotów.
Zajęcia laboratoryjne
1.Synteza i symulacja modelu matematycznego układu z nanokalorymetrem – synteza modelu matematycznego
układu pomiarowego z nanokalorymetrem w oparciu o równania bilansu masy i energii. Identyfikacja parametrów
stworzonego modelu na bazie dostępnych danych pomiarowych.
2.Analiza dynamiki nanokalorymetru NCM9924 – zapoznanie się z budową układu pomiarowego z
nanokalorymetrem, z obsługą pompy strzykawkowej oraz aplikacji do akwizycji i zapisu danych pomiarowych z
nanokalorymetru. Dokonanie pomiaru różnicy temperatur dla kilku różnych natężeń przepływu (wody lub glikolu)
przy różnych temperaturach otoczenia. Określenie liczby Reynoldsa.
3.Zastosowanie nanokalorymetru NCM9924 do określenia dynamiki reakcji – zapoznanie się z praktycznym
zastosowaniem układu nanokalorymetru do zbadania dynamiki wybranej reakcji enzymatycznej.
4.Mikro-siłownik piezoelektryczny cz.1 – zapoznanie się z możliwościami sterowania mikrosiłownikiem w
środowisku LabView. Zapoznanie się z komponentami typu ActiveX i wykorzystanie ich w celu napisania aplikacji
sterującej położeniem elementu ruchomego siłownika.
5.Mikro-siłownik piezoelektryczny cz.2 – zapoznanie się z możliwościami akwizycji i przetwarzania obrazu
cyfrowego z kamery w środowisku LabView. Napisanie aplikacji pozwalającej na odczyt położenia (w pikselach)
elementu ruchomego siłownika przy użyciu kamery USB połączonej z mikroskopem.
6.Mikro-siłownik piezoelektryczny cz.3 – wykorzystanie napisanych wcześniej aplikacji w celu sterowania mikrosiłownikiem w układzie otwartym oraz zamkniętym z regulatorem położenia. Wyznaczenie charakterystyki
statycznej mikro-siłownika w układzie otwartym i porównanie jej z charakterystyką statyczną mikro-siłownika
wyznaczoną w układzie zamkniętym
20. Egzamin: nie
21. Literatura podstawowa:
1. S.Fatikow, U.Rembolf. Microsystem technology and Microrobotics. Springer-Verlag, 2005
2. Y. Bellouard. Microrobotics: Mehods and Applications. CRC, 2008
3. P.C.H. Li.Microfluidic Lab-on-a-Chip for Chemical and Biological Analysis and Discovery. CRC, 2005
4.
E. Oosterbroek. Lab-on-a-chip. Elsevier, 2003
22. Literatura uzupełniająca:
1. Czasopismo Lab-on-a-chip
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Forma zajęć
1
Wykład
2
Ćwiczenia
0/0
3
Laboratorium
0/0
4
Projekt
5
Seminarium
0/0
6
Inne
0/0
Suma godzin
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
15/5
15/25
30/30
24. Suma wszystkich godzin: 60
25. Liczba punktów ECTS: 2
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela akademickiego: 1
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym (laboratoria, projekty): 1
26. Uwagi:
Zatwierdzono:
…………………………….
…………………………………………………
(data i podpis prowadzącego)
(data i podpis dyrektora instytutu/kierownika katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/kierownika lub
dyrektora jednostki międzywydziałowej)