Більшість із нас знайомі з роботами, які мають рухомі руки. Ці машини зазвичай знаходяться в заводських налаштуваннях і здатні виконувати різні механічні завдання. Їх можна запрограмувати на виконання ряду функцій, і один робот може виконувати кілька завдань. Досі роботи, оснащені рухомими руками, мали обмежені зв’язки з мікрофлюїдними системами, які транспортують крихітні кількості рідини через делікатні капіляри. Ці системи, відомі як мікрофлюїдика або лабораторія на чіпі, були створені дослідниками для допомоги в лабораторних аналізах і зазвичай покладаються на зовнішні насоси для циркуляції рідини через чіпи. Однак автоматизувати такі системи було складно, і мікросхеми потрібно було розробляти та виготовляти спеціально для кожного окремого застосування.
Коливання ультразвукової голки
Вчені на чолі з професором ETH Даніелем Ахмедом зараз поєднують звичайну робототехніку та мікрофлюїдику. Вони розробили пристрій, який використовує ультразвук і може бути прикріплений до роботизованої руки. Він підходить для виконання широкого спектра завдань у мікророботизованих і мікрофлюїдних програмах, а також може використовуватися для автоматизації таких програм. Про цю розробку вчені повідомили в Nature Communications.
Пристрій складається з тонкої загостреної скляної голки та п’єзоелектричного перетворювача, який змушує голку коливатися. Подібні перетворювачі використовуються в гучномовцях, ультразвукових зображеннях і професійному обладнанні для чищення зубів. Дослідники ETH можуть змінювати частоту коливань своїх скляних голок. Занурюючи голку в рідину, вони створюють тривимірний малюнок, що складається з кількох вихорів. Оскільки ця схема залежить від частоти коливань, її можна відповідним чином контролювати.
Дослідники змогли використати це, щоб продемонструвати кілька застосувань. По-перше, вони змогли змішати крихітні краплі високов’язких рідин. «Чим більш в’язкі рідини, тим складніше їх змішувати», — пояснює професор Ахмед. «Однак наш метод досягає успіху в цьому, тому що він дозволяє нам не тільки створити один вихор, але також ефективно змішувати рідини за допомогою складної тривимірної моделі, що складається з кількох сильних вихорів».
По-друге, вчені змогли прокачати рідини через систему мініканалів, створивши особливий малюнок вихорів і розташувавши скляну голку, що коливається, близько до стінки каналу.
По-третє, їм вдалося використати свій робот-акустичний пристрій для вловлювання дрібних частинок, присутніх у рідині. Це працює, оскільки розмір частинки визначає її реакцію на звукові хвилі. Відносно великі частинки рухаються до скляної голки, що коливається, де вони накопичуються. Дослідники продемонстрували, як цей метод може захоплювати не тільки неживі частинки, але й ембріони риб. Вони вважають, що він також повинен бути здатний захоплювати біологічні клітини в рідині. «У минулому маніпулювання мікроскопічними частинками в трьох вимірах завжди було складним завданням. Наша мікророботична рука робить це легко», — каже Ахмед.
«Дотепер удосконалення у великій звичайній робототехніці та мікрофлюїдних додатках здійснювалися окремо», — каже Ахмед. «Наша робота допомагає об’єднати два підходи». Як наслідок, майбутні мікрофлюїдні системи можуть бути розроблені подібно до сьогоднішніх роботизованих систем. Відповідним чином запрограмований єдиний пристрій міг би виконувати різноманітні завдання. «Змішування та перекачування рідин і уловлювання частинок – ми можемо робити все це за допомогою одного пристрою», – каже Ахмед. Це означає, що мікрофлюїдні чіпи завтрашнього дня більше не потрібно буде розробляти спеціально для кожного конкретного застосування. Потім дослідники хотіли б поєднати кілька скляних голок, щоб створити ще більш складні вихрові моделі в рідинах.
Окрім лабораторного аналізу, Ахмед може передбачити інші застосування для мікророботизованих рук, наприклад сортування крихітних предметів. Імовірно, руки також можуть бути використані в біотехнології як спосіб введення ДНК в окремі клітини. Зрештою їх можна буде використовувати в адитивному виробництві та 3D-друкі.