Ученые объединяют традиальную робототехнику и микрофлюидику

Роботы часто оснащены подвижными руками, которые программно используются для выполнения различных задач на заводах. Эти типы роботов традиционно имели мало общего с миниатюрными системами, которые транспортируют небольшие количества жидкости через тонкие капилляры. Эти системы, известные как микрофлюидика или лаборатория на кристалле, обычно используют внешние насосы для перемещения жидкости через кристаллы. Однако они традиционно оказались трудными для автоматизации, и кристаллы необходимо индивидуально проектировать и производить для каждой конкретной применения.

Но теперь команда исследователей под руководством профессора ETH Даниэля Ахмеда объединяет традиальную робототехнику и микрофлюидику. Разработанное устройство использует ультразвук и может быть прикреплено к роботизированной руке. Оно также может выполнять широкий спектр задач в микророботических и микрофлюидных приложениях или использоваться для автоматизации этих приложений.

Новое исследование было опубликовано в Nature Communications.

Новое и уникальное устройство

Исследователи разработали уникальное устройство, способное создавать трехмерные вихревые узоры в жидкости с помощью использования колеблющихся стеклянных игл, приводимых в действие пьезоэлектрическими преобразователями – устройствами, которые также используются в динамиках, ультразвуковой диагностике и стоматологических инструментах. Регулируя частоту этих колебаний, они могут точно контролировать формирование узоров.

Изображение: ETH Zurich

Команда использовала устройство для демонстрации нескольких применений, таких как смешивание крошечных капель высоковязких жидкостей.

“Чем более вязкая жидкость, тем более трудно ее смешать”, – говорит Ахмед. “Однако наш метод успешно справляется с этим, поскольку позволяет нам не только создавать один вихрь, но и эффективно смешивать жидкости, используя сложный трехмерный узор, состоящий из нескольких сильных вихрей”.

Тщательно манипулируя вихрями и позиционируя колеблющуюся стеклянную иглу рядом со стенкой канала, ученые также смогли запитать свою мини-канальную систему с удивительной эффективностью.

Используя роботизированное акустическое устройство, они смогли эффективно захватить мелкие частицы в жидкости. Размер каждой частицы определял ее реакцию на звуковые волны, что приводило к накоплению более крупных частиц вокруг колеблющейся стеклянной иглы. Удивительно, что этот же метод был показан способным не только захватывать инертные частицы, но и целые рыбные эмбрионы. С дальнейшим развитием этот метод можно будет использовать для захвата биологических клеток из жидкостей.

“В прошлом манипулирование микроскопическими частицами в трех измерениях всегда было сложной задачей. Наша микророботическая рука делает это легко”, – говорит Ахмед.

“До сих пор достижения в области крупной традиционной робототехники и микрофлюидных применений делались отдельно”, – продолжает Ахмед. “Наша работа помогает объединить эти два подхода.

Вихревые узоры в жидкостях Изображение: ETH Zurich

Когда мы продвигаемся вперед, микрофлюидные системы будущего могут приблизиться к уровню современных робототехнических технологий. Программируя одно устройство для выполнения нескольких задач, таких как смешивание и перекачка жидкостей, а также захват частиц, Ахмед предвидит, что мы вступаем в эпоху, когда индивидуально разработанные чипы больше не будут необходимы для каждого применения. Расширяя эту концепцию, можно соединить несколько стеклянных игл в сложные вихревые узоры, что позволит нам выйти за пределы того, что было ранее невозможно.

Ахмед предвидит ряд потенциальных применений для микророботических рук за пределами лабораторного анализа – от сортировки объектов и манипулирования ДНК до методов аддитивного производства, таких как 3D-печать. С этими разработками мы сможем революционизировать биотехнологии, как мы их знаем.