Επιστήμονες συνδυάζουν συμβατική ρομποτική και μικρορευστονική

Τα ρομπότ συχνά διαθέτουν κινούμενους βραχίονες, πολλές φορές προγραμματισμένα και χρησιμοποιημένα για την εκτέλεση μιας ποικιλίας εργασιών σε εργοστάσια. Αυτού του είδους τα ρομπότ παραδοσιακά είχαν λίγη σχέση με μικροσκοπικά συστήματα που μεταφέρουν μικρές ποσότητες υγρού μέσω λεπτών τριχοειδών σωλήνων. Αυτά τα συστήματα, γνωστά ως μικρορευστονική ή εργαστήριο σε τσιπ, συνήθως χρησιμοποιούν εξωτερικές αντλίες για να μεταφέρουν υγρό μέσω των τσιπ. Ωστόσο, έχουν παραδοσιακά αποδειχθεί δύσκολο να αυτοματοποιηθούν, και τα τσιπ χρειάζονται να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν για κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή.

Αλλά τώρα, μια ομάδα ερευνητών υπό την ηγεσία του καθηγητή Daniel Ahmed του ETH συνδυάζουν την παραδοσιακή ρομποτική και τη μικρορευστονική. Η νέα συσκευή που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί υπερήχους και μπορεί να συνδεθεί σε έναν ρομποτικό βραχίονα. Μπορεί επίσης να εκτελέσει μια ποικιλία εργασιών σε μικρορομποτικές και μικρορευστονικές εφαρμογές ή να χρησιμοποιηθεί για την αυτοματοποίηση αυτών των εφαρμογών.

Η νέα έρευνα αναφέρθηκε στο Nature Communications.

Νέα και Μοναδική Συσκευή

Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια μοναδική συσκευή ικανή να δημιουργεί τριδιάστατα σπειροειδή μοτίβα σε υγρό μέσω της χρήσης ταλαντούμενων γυάλινων βελόνων που τροφοδοτούνται από πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς – συσκευές που βρίσκονται επίσης σε ηχεία, υπερήχους και εργαλεία καθαρισμού δοντιών. Ρυθμίζοντας τη συχνότητα αυτών των ταλαντώσεων, μπορούν να ελέγξουν με ακρίβεια τις σχηματιστικές τους διαδικασίες.

Εικόνα: ETH Zurich

Η ομάδα χρησιμοποίησε τη συσκευή για να δείξει πολλές εφαρμογές, όπως το μείγμα μικρών σταγόνων υγρών με υψηλό ιξώδες.

“Όσο πιο ιξώδη είναι τα υγρά, τόσο δυσκολότερα αναμειγνύονται,” λέει ο Ahmed. “Ωστόσο, η μέθοδός μας επιτυγχάνει να το κάνει αυτό επειδή μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε όχι μόνο μία δίνη, αλλά και να αναμείξουμε αποτελεσματικά τα υγρά χρησιμοποιώντας ένα σύνθετο τριδιάστατο μοτίβο αποτελούμενο από πολλές ισχυρές δίνες.”

Με προσεκτικό χειρισμό των δινών και τοποθέτηση της ταλαντούμενης γυάλινης βελόνας κοντά στον τοίχο του καναλιού, οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να τροφοδοτήσουν το σύστημά τους με εξαιρετική αποτελεσματικότητα.

Με τη χρήση μιας ρομποτικής συσκευής ακουστικής, μπόρεσαν να παγιδεύσουν αποτελεσματικά λεπτά σωματίδια σε υγρό. Το μέγεθος κάθε σωματιδίου καθόριζε την αντίδρασή του στα ηχητικά κύματα, προκαλώντας τα μεγαλύτερα να συσσωρευτούν γύρω από την ταλαντούμενη γυάλινη βελόνα. Παραδόξως, η ίδια τεχνική αποδείχθηκε ικανή όχι μόνο να παγιδεύσει ανενεργά σωματίδια, αλλά και ολόκληρα εμβρυα ψαριών. Με περαιτέρω ανάπτυξη, η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παγίδευση βιολογικών κυττάρων από υγρό.

“Στο παρελθόν, ο χειρισμός μικροσκοπικών σωματιδίων σε τρεις διαστάσεις ήταν πάντα δύσκολος. Ο μικρορομποτικός μας βραχίονας το κάνει εύκολο,” λέει ο Ahmed.

“Μέχρι τώρα, οι πρόοδοι στις μεγάλες, παραδοσιακές ρομποτικές και τις μικρορευστονικές εφαρμογές έχουν γίνει ξεχωριστά,” συνεχίζει ο Ahmed. “Η δουλειά μας βοηθά να φέρει τις δύο προσεγγίσεις μαζί.

Μοτίβα δινών σε υγρό      Εικόνα: ETH Zurich

Καθώς προχωρούμε μπροστά, τα μικρορευστονικά συστήματα του μέλλοντος θα μπορούσαν να έρθουν κοντά στο να ανταγωνιστούν εκείνα της σύγχρονης ρομποτικής τεχνολογίας. Με τον προγραμματισμό μιας μεμονωμένης συσκευής με πολλές εργασίες όπως η ανάμειξη και η άντληση υγρών και η παγίδευση σωματιδίων, ο Ahmed προβλέπει ότι θα φέρουμε μια εποχή όπου τα εξειδικευμένα τσιπ δεν θα είναι πλέον απαραίτητα για κάθε εφαρμογή. Κτίζοντας πάνω σε αυτήν την ιδέα, η ιδέα να συνδέσουμε πολλά γυάλινα βελόνια μαζί σε περίπλοκα σπειροειδή μοτίβα -διευρύνοντας τις ικανότητές μας πέρα από ό,τι ήταν φανταστικό πριν.

Ο Ahmed οραματίζεται μια σειρά από πιθανές χρήσεις για μικρορομποτικούς βραχίονες πέρα από το πεδίο της εργαστηριακής ανάλυσης – οτιδήποτε από την ταξινόμηση αντικειμένων και τον χειρισμό του DNA έως τις τεχνικές προσθετικής κατασκευής όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση. Με αυτές τις εξελίξεις, μπορούμε να φέρουμε επανάσταση στη βιοτεχνολογία όπως τη γνωρίζουμε.