Vědci kombinují konvenční robotiku a mikrofluidiku

Robots jsou často vybaveny pohyblivými rameny, která jsou mnohokrát naprogramována a používána k provádění různých úkolů v továrnách. Tyto typy robotů tradičně neměly žádný vztah k miniaturním systémům, které transportují malé množství kapaliny přes jemné kapiláry. Tyto systémy, známé jako mikrofluidika nebo laboratoř na čipu, obvykle používají externí čerpadla k pohybu kapaliny skrz čipy. Avšak tradičně se ukázaly být obtížně automatizovatelné a čipy je třeba navrhnout a vyrobit pro každou konkrétní aplikaci.

Ale nyní, tým výzkumníků vedený profesorem ETH Danielem Ahmedem kombinuje konvenční robotiku a mikrofluidiku. Nově vyvinuté zařízení používá ultrazvuk a může být připojeno k robotickému rameni. Může také provádět širokou škálu úkolů v mikro robotických a mikro fluidických aplikacích nebo být použito k automatizaci těchto aplikací.

Nový výzkum byl zveřejněn v Nature Communications.

Nové a unikátní zařízení

Výzkumníci vyvinuli unikátní zařízení schopné vytvářet trojrozměrné vírové vzory v kapalině pomocí kmitajících skleněných jehel poháněných piezoelektrickými převodníky – zařízení, která se také nacházejí v reproduktorech, ultrazvukovém zobrazování a dentálních čisticích nástrojích. Přizpůsobením frekvence těchto kmitání mohou přesně ovládat své vzorové formace.

Obrázek: ETH Zurich

Tým použil zařízení k demonstraci několika aplikací, jako je míchání malých kapek vysoce viskózních kapalin.

“Čím jsou kapaliny viskóznější, tím je obtížnější je míchat,” říká Ahmed. “Avšak naše metoda se v tomto daří, protože umožňuje nejen vytvořit jeden vír, ale také efektivně míchat kapaliny pomocí složitých trojrozměrných vzorů složených z více silných vírů.”

Přesným manipulováním vírů a umístěním kmitající skleněné jehly poblíž stěny kanálu byli vědci schopni napájet svůj mini-kanálový systém s úžasnou efektivitou.

Pomocí roboticky asistovaného akustického zařízení byli schopni efektivně zachytit jemné částice v kapalině. Velikost každé částice určovala její reakci na zvukové vlny, což způsobilo, že větší částice se akumulovaly kolem kmitající skleněné jehly. Pozoruhodně, tato stejná technika se ukázala být schopná nejen zachytit inertní částice, ale také celé rybí embrya. S dalším rozvojem by mohla být tato metoda použita pro zachytávání biologických buněk z kapalin.

“V minulosti byla manipulace mikroskopických částic ve třech rozměrech vždycky obtížná. Naše mikro-robotické rameno to činí snadným,” říká Ahmed.

“Dosud, pokroky v velké, konvenční robotice a mikrofluidických aplikacích byly prováděny samostatně,” pokračuje Ahmed. “Naše práce pomáhá spojit tyto dva přístupy.

Vírové vzory v kapalinách      Obrázek: ETH Zurich

Jak postupujeme vpřed, mikrofluidní systémy budoucnosti by mohly být srovnatelné s dnešní pokročilou robotickou technologií. Programováním jediného zařízení s několika úkoly, jako je míchání a čerpání kapalin a zachytávání částic, Ahmed předvídá, že budeme svědky éry, ve které nebude třeba vyvíjet speciální čipy pro každou aplikaci. Další rozvoj této koncepce spočívá v propojení různých skleněných jehel do složitých vírových vzorů – tím budeme moci naše schopnosti rozšířit za hranice toho, co bylo dříve představitelné.

Ahmed si představuje řadu potenciálních použití mikro-robotických ramen za hranicí laboratorní analýzy – od třídění objektů a manipulace s DNA až po aditivní výrobní techniky, jako je 3D tisk. S těmito vývoji můžeme revolucionizovat biotechnologii, jak ji známe.