Wissenschaftler kombinieren konventionelle Robotik und Mikrofluidik

Roboter sind oft mit beweglichen Armen ausgestattet, die viele Male programmiert und verwendet werden, um eine Vielzahl von Aufgaben in Fabriken auszuführen. Diese Arten von Robotern hatten traditionell wenig mit Miniatur-Systemen zu tun, die kleine Mengen an Flüssigkeit durch feine Kapillaren transportieren. Diese Systeme, bekannt als Mikrofluidik oder Lab-on-a-Chip, verwenden normalerweise externe Pumpen, um Flüssigkeit durch die Chips zu bewegen. Allerdings haben sie sich traditionell als schwierig zu automatisieren erwiesen, und die Chips müssen für jede spezifische Anwendung individuell entworfen und hergestellt werden.

Aber jetzt haben ein Team von Forschern unter der Leitung von ETH-Professor Daniel Ahmed konventionelle Robotik und Mikrofluidik kombiniert. Das neu entwickelte Gerät verwendet Ultraschall und kann an einen Roboterarm angebracht werden. Es kann auch eine Vielzahl von Aufgaben in mikro-robotischen und mikro-fluidischen Anwendungen ausführen oder verwendet werden, um diese Anwendungen zu automatisieren.

Die neue Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Neues und einzigartiges Gerät

Die Forscher haben ein einzigartiges Gerät entwickelt, das in der Lage ist, dreidimensionale Wirbelmuster in Flüssigkeiten durch die Verwendung von oszillierenden Glasnadeln zu erzeugen, die von piezoelektrischen Wandlern angetrieben werden – Geräten, die auch in Lautsprechern, Ultraschall-Bildgebung und Zahnreinigungswerkzeugen verwendet werden. Durch die Anpassung der Frequenz dieser Oszillationen können sie ihre Musterbildungen genau kontrollieren.

Bild: ETH Zürich

Das Team hat das Gerät verwendet, um mehrere Anwendungen zu demonstrieren, wie zum Beispiel das Mischen von winzigen Tropfen hochviskoser Flüssigkeiten.

“Je viskoser die Flüssigkeiten sind, desto schwieriger ist es, sie zu mischen”, sagt Ahmed. “Allerdings gelingt es unserer Methode, dies zu tun, weil sie es uns ermöglicht, nicht nur einen einzelnen Wirbel zu erzeugen, sondern auch die Flüssigkeiten effizient mithilfe eines komplexen dreidimensionalen Musters aus mehreren starken Wirbeln zu mischen.”

Indem sie die Wirbel sorgfältig manipulierten und die oszillierende Glasnadel nahe der Kanalwand positionierten, konnten die Wissenschaftler auch ihr Mini-Kanalsystem mit erstaunlicher Effizienz betreiben.

Indem sie ein robotergestütztes akustisches Gerät verwendeten, konnten sie auch feine Partikel in Flüssigkeiten effizient erfassen. Die Größe jedes Partikels bestimmte seine Reaktion auf Schallwellen, wodurch größere Partikel um eine oszillierende Glasnadel herum ansammelten. Bemerkenswerterweise war diese Technik nicht nur in der Lage, inaktive Partikel zu fangen, sondern auch ganze Fisch-Embryonen. Mit weiterer Entwicklung könnte diese Methode verwendet werden, um biologische Zellen aus Flüssigkeiten zu erfassen.

“In der Vergangenheit war die Manipulation mikroskopischer Partikel in drei Dimensionen immer eine Herausforderung. Unser mikro-robotischer Arm macht es einfach”, sagt Ahmed.

“Bisher wurden Fortschritte in der konventionellen Robotik und Mikrofluidik-Anwendungen getrennt gemacht”, fährt Ahmed fort. “Unsere Arbeit hilft, diese beiden Ansätze zusammenzubringen.

Wirbelmuster in Flüssigkeiten      Bild: ETH Zürich

Wenn wir voranschreiten, könnten Mikrofluidik-Systeme der Zukunft denen der heutigen fortschrittlichen Robotik-Technologie nahe kommen. Indem ein einzelnes Gerät mit mehreren Aufgaben wie dem Mischen und Pumpen von Flüssigkeiten und dem Fangen von Partikeln programmiert wird, sieht Ahmed eine Zukunft voraus, in der benutzerdefinierte Chips für jede Anwendung nicht mehr notwendig sind. Ein weiterer Gedanke ist, mehrere Glasnadeln zu einem komplexen Wirbelmuster zu verbinden – unsere Fähigkeiten über das hinaus, was vorher vorstellbar war.

Ahmed sieht eine Vielzahl von möglichen Anwendungen für mikro-robotische Arme jenseits des Bereichs der Laboranalyse – von der Objekt-Sortierung und DNA-Manipulation bis hin zu additiven Fertigungstechniken wie dem 3D-Drucken. Mit diesen Entwicklungen können wir die Biotechnologie, wie wir sie kennen, revolutionieren.