Ученые объединяют традиционную робототехнику и микрофлюидику

Роботы часто оснащены движущимися руками, которые программно управляются и используются для выполнения различных задач на заводах. Эти типы роботов традиционно не имели большого отношения к миниатюрным системам, 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 оказывались трудными для автоматизации, и кристаллы необходимо было индивидуально проектировать и производить для каждой конкретной применения.

Но теперь команда исследователей под руководством профессора ETH Даниэля Ахмеда объединяет традиционную робототехнику и микрофлюидику. Разработанное устройство использует ультразвук и может быть прикреплено к роботизированной руке. Оно также может выполнять широкий спектр задач в микророботических и микрофлюидических 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 колеблющихся стеклянных игл, приводимых в действие пьезоэлектрическими преобразователями – устройствами, которые также используются в громкоговорителях, ультразвуковом изображении и инструментах для очистки зубов. 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 вязкие жидкости, тем более трудно их смешивать», – говорит Ахмед. «Однако наш метод успешно справляется с этим, поскольку позволяет нам не только создавать один вихрь, но и эффективно смешивать жидкости с помощью сложного трехмерного узора, состоящего из нескольких сильных вихрей».

Тщательно манипулируя вихрями и позиционируя колеблющуюся стеклянную иглу возле стенки канала, ученые также смогли запитать свою миниатюрную 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 вызывало накопление более крупных частиц вокруг колеблющейся стеклянной иглы. Удивительно, что этот же метод был показан не только для захвата инертных частиц, но и для захвата целых рыбных эмбрионов. С дальнейшим развитием этот метод может быть использован для захвата биологических клеток из жидкостей.

«Ранее 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 микрофлюидических приложений делались отдельно», – продолжает Ахмед. «Наша работа помогает объединить эти два подхода.

Вихревые узоры в жидкостях      Изображение: ETH Zurich

По мере нашего продвижения вперед микрофлюидические 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 кристаллы больше не будут необходимы для каждого применения. Расширяя эту концепцию, можно соединить несколько стеклянных игл в сложные вихревые узоры – расширяя наши возможности за пределы того, что было представимо ранее.

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