Tutkijat yhdistävät perinteisen robotiikan ja mikrofluidiikan

Robottien varusteisiin kuuluu usein liikkuva robotti, joka on usein ohjelmoitu ja käytetty erilaisiin tehtäviin tehtaissa. Nämä robotit eivät ole perinteisesti olleet yhteydessä pienten nestemäärien kuljettamiseen ohuen kapillaarisen järjestelmän kautta. Nämä järjestelmät, jotka tunnetaan mikrofluidiikka- tai lab-on-a-chip-järjestelminä, käyttävät yleensä ulkoisia pumppuja nesteen siirtämiseen. Ne ovat kuitenkin perinteisesti osoittautuneet hankaliksi automatisoida, ja niiden suunnittelu ja valmistus on tehty kustomoituun soveltamiseen.

Mutta nyt, tutkijaryhmä, jota johtaa ETH:n professori Daniel Ahmed, yhdistää perinteisen robotiikan ja mikrofluidiikan. Uusi laite, joka on kehitetty, käyttää ultraääniä ja voidaan kiinnittää robottiin. Se voi suorittaa laajan valikoiman tehtäviä mikrorobotti- ja mikrofluidiikka-sovelluksissa tai automatisoida näitä sovelluksia.

Uusi tutkimus on julkaistu Nature Communications-julkaisussa.

Uusi ja ainutlaatuinen laite

Tutkijat ovat kehittäneet ainutlaatuisen laitteen, joka voi luoda kolmiulotteisen pyörteisen kuviota nesteessä käyttämällä värinää lasineuloja, jotka ovat varustettu piezoelektrisillä muuntimilla – laitteilla, joita käytetään myös kaiuttimissa, ultraääni-kuvantamisessa ja hammaslääkinnän puhdistusvälineissä. Säätämällä näiden värinöiden taajuutta, he voivat tarkasti ohjata kuvioiden muodostumista.

Kuva: ETH Zürich

Tutkijat käyttivät laitetta osoittamaan useita sovelluksia, kuten sekoittamalla pieniä, hyvin viskoosisia nesteitä.

“Mitä viskoosimmassa neste on, sitä vaikeampaa on sekoittaa”, Ahmed sanoo. “Mutta meidän menetelmämme onnistuu siinä, koska se sallii meidän luoda yhden pyörteen, mutta myös tehokkaasti sekoittaa nesteitä monimutkaisella kolmiulotteisella kuviolla, joka koostuu useista voimakkaista pyörteistä.”

Tarkkaan manipuloimalla pyörteitä ja asettamalla värinöivän lasineulan lähelle kanavan seinämää, tutkijat pystyivät myös voimaan mini-kanavajärjestelmäänsä hämmästyttävällä tehokkuudella.

Käyttämällä robottiavusteista akustista laitetta, he pystyivät tehokkaasti sieppaamaan hienoja hiukkasia nesteen sisällä. Kunkin hiukkasen koko määräsi sen reaktion ääni-aaltoihin, jolloin suuremmat hiukkaset kertyivät värinöivän lasineulan ympärille. Merkittävästi, sama tekniikka osoittautui pystyväksi sieppaamaan sekä inerttejä hiukkasia että koko kalavauvoja. Lisäkehityksen myötä menetelmää voidaan käyttää sieppaamaan biologisia soluja nesteistä.

“Aikaisemmin, mikroskooppisten hiukkasten manipulointi kolmiulotteisesti oli aina haastavaa”, Ahmed sanoo.

“Tähän asti, edistysaskelten tekeminen suurissa, perinteisissä roboteissa ja mikrofluidiikka-sovelluksissa on tehty erikseen”, Ahmed jatkaa. “Meidän työmme auttaa yhdistämään nämä kaksi lähestymistapaa.

Pyörrekuviot nesteissä      Kuva: ETH Zürich

Edetessämme eteenpäin, tulevaisuuden mikrofluidiikka-järjestelmät voivat tulla lähelle kilpailemaan nykyisten edistyneiden robotti-teknologioiden kanssa. Ohjelmoiden yhtä laitetta useisiin tehtäviin, kuten sekoittamiseen ja pumppaamiseen nesteitä ja hiukkasten sieppaamiseen, Ahmed näkee meidän tulevan ajan, jossa kustomoituja piirejä ei enää tarvita kullekin soveltamiselle. Rakentamalla tästä ideasta eteenpäin on ajatus yhdistää useita lasineuloja yhteen monimutkaisiin pyörrekuviin – työntäen kykyämme siitä, mitä aiemmin oli kuviteltavissa.

Ahmed näkee joukon potentiaalisia sovelluksia mikrorobotti-käsille laboratorioanalyysin ulkopuolella – mitä tahansa esineiden lajittelusta ja DNA-manipulaatiosta lisävalmistustekniikoihin, kuten 3D-tulostukseen. Nämä kehitysaskeleet voivat vallankumouksellistaa bioteknologian, niin kuin me sen tänään tunnemme.