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 in der Regel 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 kombinieren ein Team von Forschern unter der Leitung von ETH-Professor Daniel Ahmed konventionelle Robotik und Mikrofluidik. Das neu entwickelte Gerät verwendet Ultraschall und kann an einen Roboterarm angebracht werden. Es kann auch eine Vielzahl von Aufgaben in mikro-robotischen und mikrofluidischen 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 Wandler – Geräten, die auch in Lautsprechern, Ultraschall-Bildgebungs- und Zahnreinigungstools verwendet werden – angetrieben werden. Durch die Anpassung der Frequenz dieser Oszillationen können sie die Musterbildung präzise steuern.

Bild: ETH Zürich

Das Team verwendete das Gerät, um mehrere Anwendungen zu demonstrieren, wie z.B. das Mischen winziger Tropfen hochviskoser Flüssigkeiten.

“Je viskoser die Flüssigkeiten sind, desto schwieriger ist es, sie zu mischen”, sagt Ahmed. “Unsere Methode gelingt jedoch, da 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.”

Durch die sorgfältige Manipulation von Wirbeln und die Positionierung der oszillierenden Glasnadel in der Nähe der Kanalwand konnten die Wissenschaftler ihr Mini-Kanalsystem mit erstaunlicher Effizienz betreiben.

Durch die Verwendung eines robotergestützten akustischen Geräts konnten sie feine Partikel in Flüssigkeiten effizient einfangen. Die Größe jedes Partikels bestimmt seine Reaktion auf Schallwellen, wodurch größere Partikel um eine oszillierende Glasnadel herum ansammelten. Bemerkenswerterweise war diese Technik nicht nur in der Lage, inerte Partikel zu fangen, sondern auch ganze Fisch-Embryonen. Mit weiterer Entwicklung könnte die Methode für die Erfassung biologischer Zellen aus Flüssigkeiten verwendet werden.

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

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

Wirbelmuster in Flüssigkeiten      Bild: ETH Zürich

Wenn wir voranschreiten, könnten Mikrofluidik-Systeme der Zukunft denen der heutigen fortschrittlichen Robotik-Technologie nahekommen. Durch die Programmierung eines einzelnen Geräts mit mehreren Aufgaben wie dem Mischen und Pumpen von Flüssigkeiten und dem Einfangen von Partikeln sieht Ahmed uns in eine Ära eintreten, in der benutzerdefinierte Chips für jede Anwendung nicht mehr notwendig sind. Ein weiterer Aspekt ist die Idee, mehrere Glasnadeln zu komplexen Wirbelmustern zu verbinden – unsere Fähigkeiten über das hinaus zu erweitern, was vorher möglich war.

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