Roboter sind oft mit beweglichen Armen ausgestattet, oft programmiert und verwendet, um eine Vielzahl von Aufgaben in Fabriken auszuführen. Diese Art von Robotern hat traditionell wenig mit Miniatursystemen zu tun, die kleine Flüssigkeitsmengen durch feine Kapillaren transportieren. Diese Systeme, bekannt als Mikrofluidik oder Lab-on-a-Chip, verwenden normalerweise externe Pumpen, um Flüssigkeit durch die Chips zu bewegen. Allerdings haben sie sich traditionell als schwierig zu automatisieren erwiesen, und die Chips müssen für jede spezifische Anwendung individuell entworfen und hergestellt werden.
Aber jetzt kombiniert ein Forscherteam unter der Leitung von ETH-Professor Daniel Ahmed konventionelle Robotik und Mikrofluidik. Das neu entwickelte Gerät nutzt Ultraschall und kann an einem Roboterarm befestigt werden. Es kann auch eine Vielzahl von Aufgaben in mikrorobotischen und mikrofluidischen Anwendungen ausführen oder zur Automatisierung dieser Anwendungen verwendet werden.
Die neue Forschung wurde in Nature Communications.
Neues und einzigartiges Gerät
Die Forscher haben ein einzigartiges Gerät entwickelt, das in der Lage ist, drei dimensionale Wirbelmuster in Flüssigkeiten durch die Verwendung von oszillierenden Glasnadeln, die von piezoelektrischen Wandlern angetrieben werden – Geräte, die auch in Lautsprechern, Ultraschallbildgebung und Zahnreinigungswerkzeugen zu finden sind. Indem sie die Frequenz dieser Schwingungen anpassen, können sie ihre Musterbildung genau steuern.
Bild: ETH Zürich
Das Team verwendete das Gerät, um mehrere Anwendungen zu demonstrieren, wie zum Beispiel das Mischen winziger Tröpfchen von hochviskose Flüssigkeiten.
„Je zähflüssiger Flüssigkeiten sind, desto schwieriger ist es, sie zu mischen“, sagt Ahmed. „Unsere Methode ist jedoch erfolgreich, weil sie es uns ermöglicht, nicht nur einen einzelnen Wirbel zu erzeugen, sondern die Flüssigkeiten auch effizient zu mischen, indem ein komplexes dreidimensionales Muster aus mehreren starken Wirbeln verwendet wird.“
Von Durch die sorgfältige Manipulation von Wirbeln und die Positionierung der oszillierenden Glasnadel in der Nähe der Kanalwand konnten die Wissenschaftler ihr Minikanalsystem auch mit erstaunlicher Effizienz betreiben.
Durch die Verwendung eines robotergestützten akustischen Geräts war dies möglich Effiziente Erfassung feiner Partikel in Flüssigkeiten. Die Größe jedes Partikels bestimmte seine Reaktion auf Schallwellen, wodurch sich größere Partikel um eine oszillierende Glasnadel ansammelten. Bemerkenswerterweise wurde gezeigt, dass dieselbe Technik nicht nur inerte Partikel, sondern auch ganze Fischembryos einfangen kann. Mit der Weiterentwicklung könnte die Methode auch zum Einfangen biologischer Zellen aus Flüssigkeiten verwendet werden.
„In der Vergangenheit war die Manipulation mikroskopischer Partikel in drei Dimensionen immer eine Herausforderung. Unser Mikroroboterarm macht es einfach“, sagt Ahmed.
„Bis jetzt wurden Fortschritte in großen, konventionellen Robotik-und Mikrofluidik-Anwendungen separat gemacht“, fährt Ahmed fort. „Unsere Arbeit trägt dazu bei, die beiden Ansätze zusammenzubringen.
Wirbelmuster in Flüssigkeiten Bild: ETH Zürich
Im weiteren Verlauf könnten mikrofluidische Systeme der Zukunft denen der heutigen fortschrittlichen Robotertechnologie nahe kommen. Durch die Programmierung eines einzelnen Geräts mit mehreren Aufgaben wie dem Mischen und Pumpen von Flüssigkeiten und dem Einfangen von Partikeln sieht Ahmed uns voraus, dass wir ein Zeitalter einläuten, in dem kundenspezifisch entwickelte Chips nicht mehr für jede Anwendung erforderlich sind. Weiter auf diesem Konzept aufbauend ist die Idee, verschiedene Glasnadeln zu komplizierten Wirbelmustern miteinander zu verbinden und so unsere Fähigkeiten über das bisher Vorstellbare hinaus zu erweitern.
Ahmed sieht eine Reihe potenzieller Anwendungen für Mikroroboterarme jenseits des Laborbereichs Analyse – alles von Objektsortierung und DNA-Manipulation bis hin zu additiven Fertigungstechniken wie 3D-Druck. Mit diesen Entwicklungen können wir die Biotechnologie, wie wir sie kennen, revolutionieren.