Vedci kombinujú konvenčnú robotiku a mikrokvapaliny

Roboty sú často vybavené pohyblivými ramenami, mnohokrát naprogramované a používané na vykonávanie rôznych úloh v továrňach. Tieto typy robotov sa tradične málo spájajú s miniatúrnymi systémami, ktoré prepravujú malé množstvá kvapaliny cez jemné kapiláry. Tieto systémy, známe ako mikrofluidika alebo lab-on-a-chip, zvyčajne používajú externé čerpadlá na premiestňovanie kvapaliny cez čipy. Tradične sa však ukázalo, že je ťažké ich automatizovať a čipy musia byť navrhnuté a vyrobené na mieru pre každú konkrétnu aplikáciu.

Teraz však tím výskumníkov pod vedením profesora ETH Daniela Ahmeda kombinuje konvenčnú robotiku a mikrofluidiku. Novovyvinutý prístroj využíva ultrazvuk a možno ho pripevniť na robotické rameno. Môže tiež vykonávať širokú škálu úloh v mikrorobotických a mikrofluidných aplikáciách alebo sa používa na automatizáciu týchto aplikácií.

Nový výskum bol ohlásený v Nature Communications.

Nové a jedinečné zariadenie

Výskumníci vyvinuli unikátne zariadenie schopné vytvárať trojrozmerné vírové vzory v kvapaline pomocou oscilujúcich sklenených ihiel poháňaných piezoelektrickými meničmi – zariadeniami, ktoré sa nachádzajú aj v reproduktoroch, ultrazvukovom zobrazovaní a nástrojoch na čistenie zubov. Úpravou frekvencie týchto kmitov môžu presne riadiť svoje formovanie vzorov.

Tím použil zariadenie na demonštráciu niekoľkých aplikácií, ako je napríklad miešanie malých kvapiek vysoko viskóznych kvapalín.

"Čím sú tekutiny viskóznejšie, tým ťažšie je ich zmiešať," hovorí Ahmed. "Naša metóda to však úspešne robí, pretože nám umožňuje nielen vytvoriť jeden vír, ale tiež efektívne miešať kvapaliny pomocou komplexného trojrozmerného vzoru zloženého z viacerých silných vírov."

Opatrnou manipuláciou s vírmi a umiestnením oscilačnej sklenenej ihly blízko steny kanála boli vedci tiež schopní napájať svoj minikanálový systém s úžasnou účinnosťou.

Využitím akustického zariadenia s podporou robota boli schopní efektívne zachytiť jemné častice v tekutine. Veľkosť každej častice určovala jej reakciu na zvukové vlny, čo spôsobilo, že sa väčšie hromadili okolo oscilujúcej sklenenej ihly. Je pozoruhodné, že sa ukázalo, že táto istá technika je schopná nielen zachytiť inertné častice, ale aj celé rybie embryá. S ďalším vývojom by sa metóda mohla použiť aj na zachytávanie biologických buniek z tekutín.

„V minulosti bola manipulácia s mikroskopickými časticami v troch rozmeroch vždy náročná. Naše mikrorobotické rameno to uľahčuje,“ hovorí Ahmed.

„Až doteraz sa pokroky vo veľkých, konvenčných robotických a mikrofluidných aplikáciách robili oddelene,“ pokračuje Ahmed. „Naša práca pomáha spojiť tieto dva prístupy.

Ako postupujeme vpred, mikrofluidné systémy budúcnosti by sa mohli priblížiť konkurencii súčasných pokročilých robotických technológií. Naprogramovaním jedného zariadenia s viacerými úlohami, ako je miešanie a čerpanie kvapalín a zachytávanie častíc, Ahmed predvída, že zavedieme vek, v ktorom už nie sú potrebné čipy vyvinuté na mieru pre každú aplikáciu. Na tomto koncepte ďalej stavia myšlienka spojiť rôzne sklenené ihly do zložitých vírových vzorov, čím sa naše schopnosti posúvajú nad rámec toho, čo bolo predtým predstaviteľné.

Ahmed si predstavuje množstvo potenciálnych použití pre mikrorobotické ramená mimo oblasti laboratórnej analýzy – čokoľvek od triedenia objektov a manipulácie s DNA až po aditívne výrobné techniky, ako je 3D tlač. S týmto vývojom môžeme urobiť revolúciu v biotechnológii, ako ju poznáme.