Forskere kombinerer konvensjonell robotikk og mikrofluidikk

Roboter er ofte utstyrt med bevegelige armer, mange ganger programmert og brukt til å utføre en rekke oppgaver på fabrikker. Disse typene roboter har tradisjonelt hatt liten tilknytning til miniature-systemer som transporterer små mengder væske gjennom fine kapillærer. Disse systemene, kjent som mikrofluidikk eller lab-on-a-chip, bruker vanligvis eksterne pumper for å flytte væske gjennom chipene. Imidlertid har de tradisjonelt vist seg å være vanskelige å automatisere, og chipene må være spesialdesignet og produsert for hver enkelt anvendelse.

Men nå har et team av forskere ledet av ETH-professor Daniel Ahmed kombinert konvensjonell robotikk og mikrofluidikk. Den nyutviklede enheten bruker ultralyd og kan festes til en robotarm. Den kan også utføre en rekke oppgaver i mikrorobotiske og mikrofluidiske anvendelser eller brukes til å automatisere disse anvendelsene.

Den nye forskningen ble rapportert i Nature Communications.

Ny og unik enhet

Forskerne har utviklet en unik enhet som kan lage tredimensjonale virvelmønster i væske ved hjelp av oscillerende glassnåler drevet av piezoelektriske omformere – enheter som også finnes i høyttalere, ultralydbilder og tannlegeverktøy. Ved å justere frekvensen på disse oscillasjonene, kan de nøyaktig kontrollere mønsterdannelsene.

Bilde: ETH Zurich

Forskerne brukte enheten til å demonstrere flere anvendelser, som å blande små dråper av svært tykke væsker.

“Jo tykkere væskene er, jo vanskeligere er det å blande dem,” sier Ahmed. “Men vår metode lykkes i å gjøre dette fordi den tillater oss å ikke bare lage en enkelt virvel, men også effektivt blande væskene ved hjelp av et komplekst tredimensjonalt mønster bestående av flere sterke virvler.”

Ved å manipulere virvler og plassere den oscillerende glassnålen nær kanalveggen, kunne forskerne også drive deres mini-kanalsystem med forbløffende effektivitet.

Ved å bruke en robotassistent akustisk enhet, kunne de også effektivt fange fine partikler i væske. Størrelsen på hver partikkel bestemte dens reaksjon på lydbølger, og større partikler samlet seg rundt en oscillerende glassnål. Forbausende nok var denne samme teknikken i stand til ikke bare å fange inerte partikler, men også hele fiskeembryoner. Med videre utvikling kan metoden brukes til å fange biologiske celler fra væsker.

“I fortiden var det alltid utfordrende å manipulere mikroskopiske partikler i tre dimensjoner. Vår mikrorobotarm gjør det enkelt,” sier Ahmed.

“Frem til nå, har fremgangen i stor, konvensjonell robotikk og mikrofluidiske anvendelser blitt gjort separat,” fortsetter Ahmed. “Vår arbeid hjelper til å bringe de to tilnærmingene sammen.

Virvelmønster i væsker      Bilde: ETH Zurich

I fremtiden kan mikrofluidiske systemer komme nære rivalisering med dagens avanserte robotteknologi. Ved å programmere en enkelt enhet med flere oppgaver, som å blande og pumpe væsker og fange partikler, forutser Ahmed at vi kan innføre en tid der spesialutviklede chip er ikke lenger nødvendige for hver enkelt anvendelse. Bygging på dette konseptet videre er ideen om å koble sammen flere glassnåler til intrikate virvelmønster – og drive våre evner beyond what var tenkelig før.

Ahmed ser for seg en rekke mulige anvendelser for mikrorobotarmen utenfor laboratorieanalysens område – alt fra objekt-sortering og DNA-manipulering til additivt produksjonsteknikk som 3D-utskriving. Med disse utviklingene kan vi revolusjonere bioteknologi som vi kjenner den.