Les scientifiques combinent la robotique conventionnelle et les microfluides

Les robots sont souvent équipés de bras mobiles, souvent programmés et utilisés pour effectuer une variété de tâches dans les usines. Ces types de robots n’ont traditionnellement eu que peu de lien avec les systèmes miniatures qui transportent de petites quantités de liquide à travers de fines capillaires. Ces systèmes, connus sous le nom de microfluidique ou de laboratoire sur puces, utilisent généralement des pompes externes pour déplacer le liquide à travers les puces. Cependant, ils se sont avérés difficiles à automatiser, et les puces doivent être conçues et fabriquées sur mesure pour chaque application spécifique.

Cependant, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Daniel Ahmed de l’ETH combine désormais la robotique conventionnelle et les microfluides. Le nouveau dispositif développé utilise les ultrasons et peut être attaché à un bras robotique. Il peut également effectuer une large gamme de tâches dans les applications micro-robotiques et micro-fluidiques ou être utilisé pour automatiser ces applications.

Les nouvelles recherches ont été publiées dans Nature Communications.

Nouvel appareil unique

Les chercheurs ont développé un appareil unique capable de créer des motifs de vortex tridimensionnels dans les liquides en utilisant des aiguilles de verre oscillantes alimentées par des transducteurs piézoélectriques – des dispositifs également utilisés dans les haut-parleurs, l’imagerie ultrasonore et les outils de nettoyage dentaire. En ajustant la fréquence de ces oscillations, ils peuvent contrôler avec précision leurs formations de motifs.

Image: ETH Zurich

L’équipe a utilisé l’appareil pour démontrer plusieurs applications, telles que le mélange de petites gouttes de liquides très visqueux.

« Les liquides plus visqueux sont, plus il est difficile de les mélanger », déclare Ahmed. « Cependant, notre méthode réussit à le faire, car elle nous permet non seulement de créer un seul vortex, mais également de mélanger efficacement les liquides en utilisant un motif tridimensionnel complexe composé de plusieurs vortex forts. »

En manipulant soigneusement les vortex et en plaçant l’aiguille de verre oscillante près de la paroi du canal, les scientifiques ont également pu alimenter leur système de mini-canal avec une efficacité étonnante.

En utilisant un dispositif acoustique assisté par robot, ils ont pu capturer efficacement des particules fines dans un fluide. La taille de chaque particule déterminait sa réaction aux ondes sonores, provoquant l’accumulation des particules plus grandes autour d’une aiguille de verre oscillante. De manière remarquable, cette même technique s’est avérée capable non seulement de piéger des particules inertes, mais également des embryons de poissons entiers. Avec un développement ultérieur, la méthode pourrait être utilisée pour capturer des cellules biologiques à l’intérieur des fluides.

« Dans le passé, manipuler des particules microscopiques en trois dimensions était toujours un défi », déclare Ahmed. « Notre bras micro-robotique le rend facile. »

« Jusqu’à présent, les progrès réalisés dans la robotique conventionnelle et les applications microfluidiques ont été effectués séparément », poursuit Ahmed. « Notre travail contribue à rapprocher ces deux approches. »

Motifs de vortex dans les liquides      Image: ETH Zurich

À mesure que nous progressons, les systèmes microfluidiques de l’avenir pourraient rivaliser avec la technologie robotique avancée d’aujourd’hui. En programmant un seul appareil avec plusieurs tâches telles que le mélange et le pompage de liquides et la capture de particules, Ahmed prévoit que nous allons entrer dans une ère où les puces personnalisées ne seront plus nécessaires pour chaque application. En poursuivant ce concept, l’idée est de connecter plusieurs aiguilles de verre pour former des motifs de vortex complexes – en poussant nos capacités au-delà de ce qui était imaginable auparavant.

Ahmed imagine un éventail d’utilisations potentielles pour les bras micro-robotiques au-delà du domaine de l’analyse de laboratoire – tout, desde la classification d’objets et la manipulation de l’ADN jusqu’aux techniques de fabrication additive comme l’impression 3D. Avec ces développements, nous pouvons révolutionner la biotechnologie telle que nous la connaissons.