Scienziati combinano robotica convenzionale e microfluidica

I robot sono spesso dotati di bracci mobili, molti volte programmabili e utilizzati per eseguire una varietà di compiti nelle fabbriche. Questi tipi di robot hanno tradizionalmente avuto poca associazione con sistemi miniaturizzati che trasportano piccole quantità di liquido attraverso capillari sottili. Questi sistemi, noti come microfluidica o lab-on-a-chip, di solito utilizzano pompe esterne per muovere il liquido attraverso i chip. Tuttavia, si sono tradizionalmente rivelati difficili da automatizzare e i chip devono essere progettati e prodotti su misura per ogni applicazione specifica.

Ma ora, un team di ricercatori guidati dal professore dell’ETH Daniel Ahmed stanno combinando la robotica convenzionale e la microfluidica. Il dispositivo appena sviluppato utilizza ultrasuoni e può essere attaccato a un braccio robotico. Può anche eseguire una vasta gamma di compiti in applicazioni micro-robotiche e micro-fluidiche o utilizzato per automatizzare queste applicazioni.

La nuova ricerca è stata segnalata in Nature Communications.

Dispositivo nuovo e unico

I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo unico in grado di creare modelli di vortice tridimensionali in liquido attraverso l’utilizzo di aghi di vetro oscillanti alimentati da trasduttori piezoelettrici – dispositivi che si trovano anche in altoparlanti, strumenti di imaging ultrasonico e strumenti di pulizia dentale. Regolando la frequenza di queste oscillazioni, possono controllare con precisione le formazioni dei modelli.

Immagine: ETH Zurich

Il team ha utilizzato il dispositivo per dimostrare diverse applicazioni, come ad esempio la miscelazione di piccole gocce di liquidi altamente viscosi.

“I liquidi più viscosi sono, più difficile è mescolarli”, dice Ahmed. “Tuttavia, il nostro metodo riesce a farlo perché ci consente di creare non solo un singolo vortice, ma anche di mescolare efficientemente i liquidi utilizzando un modello tridimensionale complesso composto da più forti vortici.”

Manipolando con cura i vortici e posizionando l’ago di vetro oscillante vicino alla parete del canale, gli scienziati sono stati in grado di alimentare il loro sistema di mini-canale con efficienza sorprendente.

Utilizzando un dispositivo acustico assistito da robot, sono stati in grado di catturare efficientemente particelle fini in fluido. La dimensione di ogni particella determinava la sua reazione alle onde sonore, facendo accumulare le particelle più grandi intorno a un ago di vetro oscillante. Sorprendentemente, questa stessa tecnica si è rivelata in grado non solo di intrappolare particelle inerti, ma anche interi embrioni di pesce. Con ulteriore sviluppo, il metodo potrebbe essere utilizzato per catturare cellule biologiche all’interno dei fluidi.

“In passato, manipolare particelle microscopiche in tre dimensioni era sempre una sfida. Il nostro braccio micro-robotico lo rende facile”, dice Ahmed.

“Fino ad ora, i progressi nella robotica convenzionale e nelle applicazioni microfluidiche sono stati fatti separatamente”, continua Ahmed. “Il nostro lavoro aiuta a unire i due approcci.

Modelli di vortice in liquidi      Immagine: ETH Zurich

Man mano che procediamo, i sistemi microfluidici del futuro potrebbero avvicinarsi a rivaleggiare con la tecnologia robotica avanzata di oggi. Programmando un singolo dispositivo con più compiti, come la miscelazione e la pompa di liquidi e la cattura di particelle, Ahmed prevede che stiamo per entrare in un’era in cui i chip personalizzati non saranno più necessari per ogni applicazione. Costruendo su questo concetto, l’idea è quella di collegare diversi aghi di vetro insieme in modelli di vortice intricati – spingendo le nostre capacità oltre ciò che era immaginabile prima.

Ahmed immagina una serie di utilizzi potenziali per bracci micro-robotici al di là del regno dell’analisi di laboratorio – qualsiasi cosa, dalla classificazione di oggetti alla manipolazione del DNA, alle tecniche di produzione additiva come la stampa 3D. Con questi sviluppi, possiamo rivoluzionare la biotecnologia come la conosciamo.