Forskare Kombinerar Konventionell Robotteknik och Mikrofluidik

Robotar är ofta utrustade med rörliga armar, många gånger programmerade och används för att utföra en mängd olika uppgifter i fabriker. Dessa typer av robotar har traditionellt sett haft lite att göra med miniatyrsystem som transporterar små mängder vätska genom fina kapillärer. Dessa system, kända som mikrofluidik eller lab-on-a-chip, använder vanligtvis externa pumpar för att flytta vätska genom chipen. Men de har traditionellt visat sig vara svåra att automatisera, och chipen behöver vara specialdesignade och tillverkade för varje specifik tillämpning.

Men nu har ett team av forskare lett av ETH-professorn Daniel Ahmed kombinerat konventionell robotteknik och mikrofluidik. Den nyligen utvecklade enheten använder ultraljud och kan fästas på en robotarm. Den kan också utföra en mängd olika uppgifter inom mikrorobotik och mikrofluidik eller användas för att automatisera dessa tillämpningar.

Den nya forskningen rapporterades i Nature Communications.

Ny och Unik Enhet

Forskarna har utvecklat en unik enhet som kan skapa tredimensionella virvelmönster i vätska med hjälp av oscillationsglasnålar som drivs av piezoelektriska omvandlare – enheter som också finns i högtalare, ultraljudsbilder och tandrengöringsverktyg. Genom att justera frekvensen på dessa oscillationer kan de exakt kontrollera sina mönsterbildningar.

Bild: ETH Zurich

Laget använde enheten för att demonstrera flera tillämpningar, såsom blandning av små droppar av mycket viskosa vätskor.

”Ju mer viskosa vätskorna är, desto svårare är det att blanda dem”, säger Ahmed. ”Men vår metod lyckas med detta eftersom den tillåter oss att inte bara skapa en enda virvel, utan också effektivt blanda vätskorna med hjälp av ett komplext tredimensionellt mönster bestående av flera starka virvlar.”

Genom att noggrant manipulera virvlar och placera den oscillationsglasnålen nära kanalkanten kunde forskarna också driva sitt mini-kanalsystem med förbluffande effektivitet.

Genom att använda en robotassisterad akustisk enhet kunde de också effektivt fånga små partiklar i vätska. Partiklarnas storlek bestämde deras reaktion på ljudvågor, vilket fick större partiklar att ackumuleras runt en oscillationsglasnål. Förbluffande nog visade sig samma teknik också vara kapabel att inte bara fånga inert partiklar utan också hela fiskembryon. Med ytterligare utveckling kunde metoden användas för att fånga biologiska celler från vätskor.

”I det förflutna var det alltid utmanande att manipulera mikroskopiska partiklar i tre dimensioner. Vår mikrorobotarm gör det enkelt”, säger Ahmed.

”Hittills har framstegen inom stor, konventionell robotteknik och mikrofluidik gjorts separat”, fortsätter Ahmed. ”Vårt arbete hjälper till att föra de två tillvägagångssätten samman.

Virvelmönster i vätskor      Bild: ETH Zurich

Såsom vi fortskrider kan mikrofluidiska system i framtiden komma att närma sig den avancerade robottekniken som finns idag. Genom att programmera en enda enhet med flera uppgifter, såsom blandning och pumpning av vätskor och fånga partiklar, ser Ahmed att vi kan införa en era där specialutvecklade chip inte längre behövs för varje tillämpning. Att bygga vidare på detta koncept är idén att ansluta flera glasnålar till komplexa virvelmönster – och pusha våra förmågor bortom vad som var tänkbart tidigare.

Ahmed ser en mängd potentiella användningsområden för mikrorobotarmar bortom laboratorieanalys – allt från objektsortering och DNA-manipulation till additiv tillverkningsteknik som 3D-utskrifter. Med dessa utvecklingar kan vi revolutionera biotekniken som vi känner den.