Wetenschappers combineren conventionele robotica en microfluidica

Robots zijn vaak uitgerust met bewegende armen, veelal geprogrammeerd en gebruikt om een verscheidenheid aan taken uit te voeren in fabrieken. Deze soort robots hebben traditioneel weinig associatie met miniaturale systemen die kleine hoeveelheden vloeistof door fijne capillairen transporteren. Deze systemen, bekend als microfluidica of lab-on-a-chip, gebruiken meestal externe pompen om vloeistof door de chips te verplaatsen. Echter, ze hebben traditioneel moeilijk te automatiseren bewezen, en de chips moeten worden aangepast ontworpen en gefabriceerd voor elke specifieke toepassing.

Maar nu, een team van onderzoekers onder leiding van ETH-hoogleraar Daniel Ahmed combineren conventionele robotica en microfluidica. Het nieuw ontwikkelde apparaat gebruikt ultrasone golven en kan worden bevestigd aan een robotarm. Het kan ook een breed scala aan taken uitvoeren in micro-robotische en micro-fluidische toepassingen of worden gebruikt om deze toepassingen te automatiseren.

Het nieuwe onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications.

Nieuw en uniek apparaat

De onderzoekers hebben een uniek apparaat ontwikkeld dat in staat is om driedimensionale vortexpatronen in vloeistof te creëren door het gebruik van oscillerende glasnaalden die worden aangedreven door piezo-elektrische transductoren – apparaten die ook worden aangetroffen in luidsprekers, ultrasone beeldvorming en tandartsinstrumenten. Door de frequentie van deze oscillaties aan te passen, kunnen ze hun patroonvorming precies controleren.

Afbeelding: ETH Zurich

Het team gebruikte het apparaat om verschillende toepassingen te demonstreren, zoals het mengen van kleine druppels van zeer viskeuze vloeistoffen.

“Hoe viskeuzer de vloeistoffen zijn, hoe moeilijker het is om ze te mengen,” zegt Ahmed. “Echter, onze methode slaagt erin dit te doen omdat het ons mogelijk maakt om niet alleen één vortex te creëren, maar ook om de vloeistoffen efficiënt te mengen met behulp van een complex driedimensionaal patroon bestaande uit meerdere sterke vortexen.”

Door zorgvuldig vortexen te manipuleren en de oscillerende glasnaald in de buurt van de kanaalwand te plaatsen, konden de wetenschappers hun mini-kanaalsysteem ook opmerkelijk efficiënt aandrijven.

Door het gebruik van een robotondersteund akoestisch apparaat, konden ze ook fijne deeltjes in vloeistof efficiënt vangen. De grootte van elk deeltje bepaalde de reactie op geluidsgolven, waardoor grotere deeltjes zich ophoopten rond een oscillerende glasnaald. Opmerkelijk was dat dezelfde techniek niet alleen in staat was om inerte deeltjes te vangen, maar ook hele visembryo’s. Met verdere ontwikkeling kan deze methode worden gebruikt om biologische cellen uit vloeistoffen te vangen.

“In het verleden was het manipuleren van microscopische deeltjes in driedimensionale ruimte altijd een uitdaging. Onze microrobotarm maakt het gemakkelijk,” zegt Ahmed.

“Tot nu toe zijn de vooruitgang in grote, conventionele robotica en microfluidische toepassingen afzonderlijk gemaakt,” vervolgt Ahmed. “Ons werk helpt om de twee benaderingen samen te brengen.

Vortexpatronen in vloeistoffen      Afbeelding: ETH Zurich

Naarmate we vooruitgaan, kunnen microfluidische systemen in de toekomst dicht in de buurt komen van de geavanceerde robottechnologie van vandaag. Door één apparaat te programmeren met meerdere taken, zoals het mengen en pompen van vloeistoffen en het vangen van deeltjes, voorziet Ahmed een tijdperk waarin aangepaste chips niet langer nodig zijn voor elke toepassing. Een verdere ontwikkeling van dit concept is het idee om meerdere glasnaalden met elkaar te verbinden tot ingewikkelde vortexpatronen – onze mogelijkheden verder uitbreidend dan wat eerder voorstelbaar was.

Ahmed ziet een reeks van potentiële toepassingen voor microrobotarmen buiten het bereik van laboratoriumanalyse – alles van objectsortering en DNA-manipulatie tot additieve fabricagetechnieken zoals 3D-printen. Met deze ontwikkelingen kunnen we biotechnologie zoals we die kennen revolutioneren.