ロボットとマイクロフルイディクスの融合

ロボットは、多くの場合、プログラムされており、工場での様々なタスクを実行するために使用される。ただし、これらのロボットは、通常、外部のポンプを使用して液体をチップ内に移動させるマイクロフルイディクスシステムとの関連性は少なかった。マイクロフルイディクスシステムは、通常、外部のポンプを使用して液体をチップ内に移動させるが、自動化することは困難であり、チップは各アプリケーションに合わせてカスタムで設計および製造する必要があった。

しかし、ETHのダニエル・アフメド教授が率いる研究チームは、従来のロボットとマイクロフルイディクスを組み合わせた新しいデバイスを開発した。このデバイスは、超音波を使用し、ロボットアームに取り付けられる。また、微小ロボットおよび微小流体アプリケーションで幅広いタスクを実行したり、これらのアプリケーションを自動化したりすることができる。

この新しい研究は、Nature Communicationsに報告された。

新しいユニークなデバイス

研究者たちは、振動するガラス針を使用して液体の中に三次元の渦巻きパターンを作成することができるユニークなデバイスを開発した。このガラス針は、圧電トランスデューサーによって駆動される。これらの振動の周波数を調整することで、研究者たちは渦巻きパターンの形成を正確に制御することができる。

イメージ：ETH Zurich

研究者たちは、このデバイスを使用して、強度の高い粘性液体の小さな滴を混合するなどのアプリケーションを実証した。

「液体がより粘性が高いと、混合することがより困難になる」とアフメドは言う。「しかし、私たちの方法は、単一の渦巻きを作成するだけでなく、複数の強い渦巻きからなる複雑な三次元パターンを使用して液体を効率的に混合することができる。」

研究者たちは、渦巻きを慎重に操作し、振動するガラス針をチャンネル壁の近くに配置することで、ミニチャンネルシステムを驚くほど効率的に動作させることができた。

ロボット支援の音響デバイスを使用して、研究者たちは液体中の微小な粒子を効率的に捕獲することができた。粒子のサイズは、音波に対する反応を決定し、大きな粒子は振動するガラス針の周りに集まることになった。驚くことに、この同じ技術は、不活性な粒子だけでなく、魚の胚をも捕獲することができた。さらに開発が進むと、この方法は液体中の生物細胞を捕獲するために使用される可能性がある。

「過去には、微小な粒子を三次元で操作することは常に困難だった」とアフメドは言う。「しかし、私たちのミクロロボットアームは、それを容易にしている。」

「これまで、従来のロボットとマイクロフルイディクスの進歩は別々に進んできた」とアフメドは続ける。「私たちの研究は、これらの2つのアプローチを統合するのに役立つ。」

液体中の渦巻きパターン イメージ：ETH Zurich

将来的には、マイクロフルイディクスシステムは、今日の高度なロボット技術に匹敵する可能性がある。アフメドは、単一のデバイスをプログラミングして、液体の混合やポンプ、粒子の捕獲などの複数のタスクを実行できるようになると、カスタム開発されたチップは各アプリケーションに必要なくなると予測している。この概念をさらに発展させるために、複数のガラス針を繋いで複雑な渦巻きパターンを作成することが考えられる。これにより、私たちがこれまで想像できなかったことが可能になる。

アフメドは、ミクロロボットアームの潜在的な用途を、実験室分析の領域を超えて見ている。オブジェクトの整理やDNA操作、3Dプリンティングなどの付加製造技術が考えられる。こうした開発により、生物技術を私たちがこれまで知っていたものとは異なるものにすることができる。