Videnskabsmænd kombinerer konventionel robotteknologi og mikrofluidik

Roboter er ofte udstyret med bevægelige arme, der mange gange er programmeret og bruges til at udføre en række opgaver på fabrikker. Disse typer robotter har traditionelt haft lidt association med miniature-systemer, der transporterer små mængder væske gennem fine kapillærer. Disse systemer, kendt som mikrofluidik eller lab-on-a-chip, bruger normalt eksterne pumper til at flytte væske gennem chippen. Men de har traditionelt vist sig svære at automatisere, og chippen skal være specialdesignet og fremstillet til hver enkelt anvendelse.

Men nu har et hold af forskere under ledelse af ETH-professoren Daniel Ahmed kombineret konventionel robotteknologi og mikrofluidik. Den nyudviklede enhed bruger ultralyd og kan monteres på en robotarm. Den kan også udføre en lang række opgaver i mikro-robot- og mikrofluidiske anvendelser eller bruges til at automatisere disse anvendelser.

Den nye forskning er offentliggjort i Nature Communications.

Ny og unik enhed

Forskerne har udviklet en unik enhed, der kan skabe tredimensionale virvelmønstre i væske ved hjælp af oscillationsglasnåle, der er drevet af piezoelektriske transducere – enheder, der også findes i højttalere, ultralydsbilleder og tandrensningssystemer. Ved at justere frekvensen af disse oscillationer kan de præcist kontrollere deres mønsterdannelse.

Billede: ETH Zurich

Holdet har brugt enheden til at demonstrere flere anvendelser, såsom blandning af små dråber af meget tyktflydende væsker.

”Jo mere tyktflydende væsker er, desto sværere er det at blande dem,” siger Ahmed. ”Men vores metode lykkes med at gøre dette, fordi den tillader os at skabe ikke blot en enkelt virvel, men også effektivt at blande væskerne ved hjælp af et komplekst tredimensionelt mønster bestående af multiple stærke virvler.”

Ved at manipulere virvler og placere den oscillationsglasnål nær kanalvæggen kunne videnskabsmændene også effektivt drive deres mini-kanal-system med forbløffende effektivitet.

Ved hjælp af en robot-assisteret akustisk enhed kunne de også effektivt fange fine partikler i væske. Størrelsen af hver partikel bestemte dens reaktion på lydbølger, hvilket fik større partikler til at samles omkring en oscillationsglasnål. Forbløffende nok var denne samme teknik også i stand til ikke kun at fange inerte partikler, men også hele fiskeembryoner. Med yderligere udvikling kunne metoden bruges til at fange biologiske celler fra væsker.

“I fortiden var det altid udfordrende at manipulere mikroskopiske partikler i tre dimensioner. Vores mikrorobotarm gør det let,” siger Ahmed.

“Indtil nu er fremskridt i stor, konventionel robotteknologi og mikrofluidiske anvendelser blevet gjort separat,” fortsætter Ahmed. “Vores arbejde hjælper med at bringe de to tilgange sammen.

Virvelmønstre i væsker      Billede: ETH Zurich

Da vi går fremad, kan mikrofluidiske systemer i fremtiden komme tæt på at rivalisere med dagens avancerede robotteknologi. Ved at programmere en enkelt enhed med multiple opgaver, såsom blandning og pumning af væsker og fanging af partikler, forudser Ahmed, at vi vil indlede en æra, hvor specialudviklede chip ikke længere er nødvendige for hver enkelt anvendelse. Bygning på dette koncept yderligere er ideen om at forbinde flere glasnåle sammen i komplekse virvelmønstre – og dermed udvide vores muligheder langt ud over, hvad der tidligere var forestillet.

Ahmed ser en række mulige anvendelser for mikrorobotarme ud over laboratorieanalyse – alt fra objektsortering og DNA-manipulation til additivt fremstillings-teknik som 3D-printning. Med disse udviklinger kan vi revolutionere bioteknologien, som vi kender den.