Naukowcy łączą konwencjonalną robotykę i mikrofluidykę

Roboty są często wyposażone w ruchome ramiona, które są programowane i wykorzystywane do wykonywania różnych zadań w fabrykach. Te rodzaje robotów tradycyjnie nie miały dużego związku z miniaturyzowanymi systemami, które transportują małe ilości cieczy przez cienkie kapilary. Systemy te, znane jako mikrofluidyka lub lab-on-a-chip, zwykle wykorzystują zewnętrzne pompy do przepompowania cieczy przez chipy. Jednak okazały się one trudne do zautomatyzowania, a chipy muszą być projektowane i wytwarzane na potrzeby każdej aplikacji.

Ale teraz, zespół badaczy pod kierownictwem profesora ETH Daniela Ahmeda łączy konwencjonalną robotykę i mikrofluidykę. Nowo opracowany urządzenie wykorzystuje ultradźwięki i może być przymocowane do ramienia robota. Może ono również wykonywać szereg zadań w mikro-robotycznych i mikro-fluidycznych aplikacjach lub służyć do automatyzacji tych aplikacji.

Nowe badania zostały opublikowane w Nature Communications.

Nowe i unikalne urządzenie

Badacze opracowali unikalne urządzenie, które może tworzyć trójwymiarowe wzory wirów w cieczach za pomocą drgających igieł szklanych napędzanych przez przetworniki piezoelektryczne – urządzenia, które są również stosowane w głośnikach, ultrasonografii i narzędziach do czyszczenia zębów. Poprzez dostosowanie częstotliwości tych drgań, mogą one precyzyjnie kontrolować tworzenie wzorów.

Zdjęcie: ETH Zurich

Zespół wykorzystał urządzenie do zademonstrowania kilku aplikacji, takich jak mieszanie małych kropli bardzo lepkich cieczy.

“Im bardziej lepkie są ciecze, tym trudniej jest je mieszać”, mówi Ahmed. “Jednak nasza metoda udaje się to zrobić, ponieważ pozwala nam nie tylko tworzyć pojedynczy wir, ale także efektywnie mieszać ciecze za pomocą złożonego trójwymiarowego wzoru składającego się z wielu silnych wirów.”

Poprzez staranne manipulowanie wirami i umieszczenie drgającej igły szklanej w pobliżu ściany kanału, naukowcy byli w stanie zasilać swój system mini-kanałów z zadziwiającą wydajnością.

Poprzez wykorzystanie urządzenia akustycznego wspomaganego przez robota, byli w stanie efektywnie przechwytywać drobne cząstki w cieczach. Rozmiar każdej cząstki określał jej reakcję na fale dźwiękowe, powodując, że większe cząstki gromadziły się wokół drgającej igły szklanej. Co więcej, ta sama technika okazała się w stanie nie tylko przechwytywać nieaktywne cząstki, ale także całe zarodki ryb. Z dalszym rozwojem, metoda ta mogłaby być wykorzystana do przechwytywania komórek biologicznych z cieczy.

“W przeszłości, manipulowanie mikroskopijnymi cząsteczkami w trzech wymiarach było zawsze wyzwaniem. Nasze mikro-robotyczne ramię sprawia, że jest to łatwe”, mówi Ahmed.

“Do tej pory, postępy w dużych, konwencjonalnych robotach i mikro-fluidycznych aplikacjach były robione oddzielnie”, kontynuuje Ahmed. “Nasza praca pomaga połączyć te dwa podejścia.

Wzory wirów w cieczach      Zdjęcie: ETH Zurich

W miarę postępu, mikro-fluidyczne systemy przyszłości mogą być porównywalne do dzisiejszych zaawansowanych technologii robotycznych. Poprzez programowanie jednego urządzenia z wieloma zadaniami, takimi jak mieszanie i pompowanie cieczy oraz przechwytywanie cząstek, Ahmed przewiduje, że będziemy wprowadzali erę, w której niestandardowo opracowane chipy nie będą już konieczne dla każdej aplikacji. Rozwijając tę koncepcję dalej, jest pomysł połączenia wielu igieł szklanych w złożone wzory wirów – przekraczając nasze możliwości poza to, co było wcześniej wyobrażalne.

Ahmed wyobraża sobie szereg potencjalnych zastosowań mikro-robotycznych ramion poza dziedziną analizy laboratoryjnej – od sortowania obiektów i manipulacji DNA po techniki addytywne, takie jak druk 3D. Z tymi rozwojami, możemy rewolucjonizować biotechnologię, jaką znamy.