Các nhà khoa học kết hợp robot thông thường và vi chất lỏng

Robot thường được trang bị tay cơ giới, nhiều lần được lập trình và sử dụng để thực hiện nhiều nhiệm vụ trong nhà máy. Những loại robot này truyền thống không có nhiều liên quan đến hệ thống nhỏ vận chuyển lượng chất lỏng nhỏ qua mao dẫn mỏng. Những hệ thống này, được gọi là vi chất lỏng hoặc lab-on-a-chip, thường sử dụng bơm ngoài để di chuyển chất lỏng qua các chip. Tuy nhiên, chúng đã chứng minh là khó tự động hóa, và các chip cần phải được thiết kế và sản xuất tùy chỉnh cho từng ứng dụng cụ thể.

Nhưng bây giờ, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Daniel Ahmed của ETH dẫn đầu đang kết hợp robot thông thường và vi chất lỏng. Thiết bị mới được phát triển sử dụng siêu âm và có thể được gắn vào tay robot. Nó cũng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ trong các ứng dụng robot vi và vi chất lỏng hoặc được sử dụng để tự động hóa các ứng dụng này.

Nghiên cứu mới được báo cáo trong Nature Communications.

Thiết bị mới và độc đáo

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một thiết bị độc đáo có khả năng tạo ra các mẫu xoáy ba chiều trong chất lỏng thông qua việc sử dụng kim thủy tinh rung động được điều khiển bởi các bộ chuyển đổi áp điện – các thiết bị cũng được tìm thấy trong loa, siêu âm hình ảnh và các công cụ làm sạch răng. Bằng cách điều chỉnh tần số của các rung động này, họ có thể kiểm soát chính xác các hình thành mẫu.

Hình ảnh: ETH Zurich

Đội ngũ đã sử dụng thiết bị để chứng minh một số ứng dụng, chẳng hạn như trộn các giọt chất lỏng nhớt nhỏ.

“Chất lỏng nhớt càng nhiều, càng khó trộn,” Ahmed nói. “Tuy nhiên, phương pháp của chúng tôi thành công trong việc này vì nó cho phép chúng tôi không chỉ tạo ra một xoáy đơn, mà còn trộn chất lỏng hiệu quả bằng cách sử dụng một mẫu ba chiều phức tạp gồm nhiều xoáy mạnh.”

Bằng cách điều khiển cẩn thận các xoáy và đặt kim thủy tinh rung động gần tường kênh, các nhà khoa học cũng có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống kênh mini của họ với hiệu suất đáng kinh ngạc.

Bằng cách sử dụng một thiết bị âm thanh được hỗ trợ bởi robot, họ đã có thể thu thập các hạt mịn trong chất lỏng một cách hiệu quả. Kích thước của mỗi hạt quyết định phản ứng của nó với sóng âm, khiến các hạt lớn hơn tích tụ xung quanh kim thủy tinh rung động. Điều đáng chú ý là kỹ thuật này cũng có thể bắt cả phôi cá không chỉ là các hạt trơ. Với sự phát triển thêm, phương pháp này có thể được sử dụng để thu thập các tế bào sinh học từ trong chất lỏng.

“Trong quá khứ, việc điều khiển các hạt vi mô trong ba chiều luôn là một thách thức. Tay robot vi của chúng tôi làm cho nó dễ dàng,” Ahmed nói.

“Cho đến nay, những tiến bộ trong lĩnh vực robot thông thường lớn và các ứng dụng vi chất lỏng đã được thực hiện riêng biệt,” Ahmed tiếp tục. “Công việc của chúng tôi giúp kết hợp hai phương pháp này lại với nhau.

Mẫu xoáy trong chất lỏng      Hình ảnh: ETH Zurich

Khi chúng ta tiến về phía trước, các hệ thống vi chất lỏng trong tương lai có thể đến gần với công nghệ robot tiên tiến ngày nay. Bằng cách lập trình một thiết bị đơn với nhiều nhiệm vụ như trộn và bơm chất lỏng và thu thập hạt, Ahmed dự đoán chúng ta sẽ bước vào một thời đại mà các chip tùy chỉnh không còn cần thiết cho từng ứng dụng. Xây dựng trên ý tưởng này hơn nữa là việc kết nối các kim thủy tinh lại với nhau thành các mẫu xoáy phức tạp – đẩy khả năng của chúng ta vượt quá những gì có thể tưởng tượng trước đây.

Ahmed dự đoán một loạt các ứng dụng tiềm năng cho tay robot vi vượt ra ngoài phạm vi phân tích phòng thí nghiệm – bất cứ thứ gì từ sắp xếp vật thể và điều khiển DNA đến các kỹ thuật sản xuất phụ gia như in 3D. Với những phát triển này, chúng ta có thể cách mạng hóa công nghệ sinh học như chúng ta biết.