16/01/2023
Door Ad Spijkers
Een robot kan worden gebruikt om verschillende taken uit te voeren. Ook voor miniatuur fluïdische toepassingen.
Miniatuursystemen transporteren minuscule hoeveelheden vloeistof door fijne haarvaatjes. Ze zijn door onderzoekers ontwikkeld als hulpmiddel bij laboratoriumanalyses en staan bekend als microfluïdica of lab-on-a-chip. Ze maken doorgaans gebruik van externe pompen om de vloeistof door de chips te verplaatsen.
Tot nu toe waren dergelijke systemen moeilijk te automatiseren en moesten de chips voor elke specifieke toepassing op maat worden ontworpen en vervaardigd. Wetenschappers aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH) combineren conventionele robotica en microfluïdica.
Echografienaald-oscillaties
De onderzoekers hebben een apparaat ontwikkeld dat gebruik maakt van ultrageluid en dat aan een robotarm kan worden bevestigd. Het is geschikt voor het uitvoeren van een breed scala aan taken in microrobotische en microfluïdische toepassingen en kan ook worden gebruikt om dergelijke toepassingen te automatiseren. Het apparaatje bestaat uit een dunne, spitse glazen naald en een piëzo-elektrische transducer die ervoor zorgt dat de naald oscilleert. Soortgelijke transducers worden gebruikt in luidsprekers, ultrasone beeldvorming en professionele tandreinigingsapparatuur.
De onderzoekers kunnen de oscillatiefrequentie van hun glazen naald variëren. Door de naald in een vloeistof te dompelen, creëren ze een driedimensionaal patroon dat bestaat uit meerdere draaikolken. Aangezien dit patroon afhankelijk is van de oscillatiefrequentie, kan het dienovereenkomstig worden geregeld. Hiermee konden de onderzoekers verschillende toepassingen demonstreren.
Toepassingen
Ten eerste waren ze in staat om kleine druppeltjes van stroperige vloeistoffen te mengen. Hoe viskeuzer vloeistoffen zijn, des te moeilijker is het om ze te mengen. Met de nieuwe methode kunnen de onderzoekers niet alleen een enkele draaikolk creëren, maar ook vloeistoffen efficiënt mengen met behulp van een complex driedimensionaal patroon dat bestaat uit meerdere sterke draaikolken.
Ten tweede konden de onderzoekers vloeistoffen door een minikanaalsysteem pompen door een specifiek patroon van wervelingen te creëren en de oscillerende glazen naald dicht bij de kanaalwand te plaatsen.
Ten derde konden ze hun door een robot ondersteunde akoestische apparaat gebruiken om fijne deeltjes in de vloeistof op te vangen. Dit werkt omdat de grootte van een deeltje zijn reactie op de geluidsgolven bepaalt. Relatief grote deeltjes bewegen naar de oscillerende glazen naald, waar ze zich ophopen. De onderzoekers lieten zien hoe deze methode niet alleen levenloze deeltjes kan vangen, maar ook vissenembryo's. Ze geloven dat het ook in staat moet zijn om biologische cellen in de vloeistof te vangen. In het verleden was het manipuleren van microscopische deeltjes in drie dimensies altijd een uitdaging. De microrobotarm maakt het gemakkelijk.
Combinatie
Tot nu toe werden de vorderingen in grote, conventionele robotica- en microfluïdische toepassingen afzonderlijk gemaakt. Het werk aan de ETH helpt om de twee benaderingen samen te brengen. Hierdoor zouden toekomstige microfluïdische systemen op dezelfde manier kunnen worden ontworpen als de huidige robotsystemen.
Een correct geprogrammeerd enkel apparaat zou een verscheidenheid aan taken aankunnen. De microfluïdische chips van morgen hoeven niet langer voor elke specifieke toepassing op maat te worden ontwikkeld. De onderzoekers willen vervolgens meerdere glazen naalden combineren om nog complexere wervelpatronen in vloeistoffen te creëren.
Behalve laboratoriumanalyse zijn andere toepassingen van microrobotarmen te bedenken, zoals het sorteren van kleine voorwerpen. Het is denkbaar dat de armen ook in de biotechnologie kunnen worden gebruikt om DNA in individuele cellen te brengen. Het moet uiteindelijk mogelijk zijn om ze toe te passen in additive manufacturing.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: ETH Zürich