南开大学赵新教授团队实现全流程机器人自动化“孕育”克隆猪 | 小猪机器人

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种业是农业的基石，我国种猪产业由于优良原种猪资源不足同样面临着“卡脖子”问题。发达国家对我国引进曾祖辈的原种猪进行封锁，我国只能引进退化快的祖父辈原种猪，通常经3年左右繁殖即退化，正经历着原种猪“引进、退化、再引进、再退化”的恶性循环。用克隆技术大量扩增祖父辈原种猪，是解决种猪育种问题的有效方案。但是，人工克隆操作步骤多、难度大、效率低，胜任克隆操作的人员极度短缺，不能真正解决生产祖父辈原种猪大量需求的难题，这使得大范围推广克隆技术用于种猪育种存在瓶颈。

南开大学赵新教授团队联合天津市农业科学院畜牧兽医研究所针对人工克隆技术存在的相关问题，对自动化操作克隆技术进行了研究。在2022年3月31日，由一头普通的“代孕”母猪怀孕110天，诞下了7头克隆纯种小长白猪，世界首次获得了自动化操作完成克隆全流程的克隆动物。该团队亦成为世界上唯一实现机器人操作及自动化操作克隆全流程的团队。团队从机器人操作到自动化操作，进一步扩大了我国克隆技术在世界范围内领先优势。

2022年3月31日诞下的7只健康仔猪

团队针对克隆操作的精准性问题，设计了基于最小力的自动化细胞操作方法，相关成果发表于2015年的IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，《Robotic Cell Rotation Based on the Minimum Rotation Force》。该方法对细胞操作过程进行受力分析，得到了细胞操作过程中，既不会使细胞形变过大，又能实现精准操控的力。

细胞操作过程中的受力分析

团队针对克隆操作的批量化问题，设计了基于微流道的批量机器人化细胞核移植流程，相关成果发表于2020年的IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，《Robotic Batch Somatic Cell Nuclear Transfer Based on Microfluidic Groove》，并获得了2020年度最佳新应用论文奖。该流程省去了传统流程中的操作区域切换、物镜转换以及重聚焦步骤，简化了卵母细胞定位步骤，节省了大量的操作时间。实验结果表明，该批量机器人化操作流程对比人工操作节省了约41.7%的时间，同时保持了与人工操作相似的操作成功率93.3%与细胞存活率为96.4%。

基于微流道的批量机器人化体细胞核移植流程

团队针对微纳操作对细胞伤害较高的为题，实现了基于内应变评估的减小细胞伤害的操作方法，相关成果发表在2022年的Engineering，《Intracellularstrain evaluation-based oocyte enucleation and its application in robotic cloning》（已接收）。该方法通过对去核过程中的细胞内应变进行分析，获取了既能实现顺利去核，又能减小去核过程中的细胞内应变的平衡压，将标志克隆成功的囊胚率，从人工操作的10%提高到自动化操作的27.5%，囊胚率提升2.75倍。

不同去核条件下的内应变统计

团队相关工作结果显示，单胎代孕母猪产仔数，从人工克隆猪的平均不足5头，提升到了机器人化、自动化克隆猪两批3胎共24头，平均单胎产仔8头，提升了60%以上。此外，该团队第一批机器人操作的克隆猪已用于育种生产，13头健康克隆猪有9头留种，留种率69%，与普通种猪留种率35%相比翻了一番。

自动化操作克隆技术为大量扩增祖父辈原种猪、大范围推广克隆技术用于种猪育种和实际生产应用提供了途径，这为我国解决大量快速“复制”优良动物品种，解决种猪育种“卡脖子”问题提供了方案。

据了解，我国种猪需求量巨大，每年种母猪更新量1300万头，种公猪更新量30万头以上。为适应育种规模化需求，赵新科研团队长期以来致力进一步提升克隆全流程机器人操作水平，在批量化、自动化、精准化、规模化上下功夫，研究工业自动化动物克隆育种技术体系，旨在为解决种业“卡脖子”问题不断提供科学的自动化方案。

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本文由CAAI认知系统与信息处理专委会

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