Jusqu'à présent, les systèmes robotiques microscopiques devaient se passer de bras. Des chercheurs de l'ETH ont désormais développé une aiguille de verre déplacée par ultrasons qui peut être fixée à un bras de robot. Ils l'utilisent pour pomper et mélanger de minuscules quantités de liquide et capturer les plus petites particules.
Les robots avec des bras mobiles nous sont tous familiers. On les trouve dans les halls industriels, où ils effectuent des travaux mécaniques. Ils peuvent être programmés et un seul robot peut être utilisé pour de multiples travaux.
Jusqu'à présent, les mini-systèmes dans lesquels de minuscules quantités de liquide s'écoulent à travers de fins capillaires et que les chercheurs ont développés par exemple pour le diagnostic de laboratoire n'avaient que peu ou pas de rapport avec de tels robots. Ces systèmes sont appelés microfluidiques ou lab-on-a-chip. En règle générale, ce sont des pompes externes qui déplacent le liquide à travers les puces microfluidiques. Jusqu'à présent, de tels systèmes ne sont que difficilement automatisables et les puces doivent être développées et fabriquées spécifiquement pour chaque application.
Une aiguille oscille grâce aux ultrasons
Des scientifiques dirigés par le professeur Daniel Ahmed de l'ETH réunissent désormais la robotique classique et la microfluidique. Ils ont développé un appareil qui utilise des ondes ultrasonores et qui peut être fixé à un bras de robot. Il convient à de multiples applications de microrobotique et de microfluidique et peut également être utilisé pour automatiser de telles applications. Les scientifiques ont rendu compte de ce développement dans la revue spécialisée page externeCommunications de la nature.
L'appareil se compose d'une aiguille de verre fine et pointue ainsi que d'un transducteur sonore piézoélectrique qui fait vibrer l'aiguille. Des transducteurs similaires sont également utilisés par exemple dans des haut-parleurs, pour l'imagerie par ultrasons ou dans des appareils professionnels de nettoyage des dents. Les chercheurs de l'ETH peuvent faire varier la fréquence d'oscillation de leur aiguille de verre. Lorsqu'ils la plongent dans un liquide, l'aiguille y crée un motif tridimensionnel composé de plusieurs tourbillons. Le motif dépend de la fréquence d'oscillation et peut être contrôlé en conséquence.
Les chercheurs ont ainsi pu montrer plusieurs applications : Premièrement, il leur a été possible de mélanger de minuscules gouttes de liquides très visqueux. "Plus les liquides sont visqueux, plus ils sont difficiles à mélanger", explique le professeur Ahmed de l'ETH. "Mais notre méthode y parvient bien, car elle nous permet non seulement de créer un tourbillon, mais aussi de mélanger efficacement les liquides avec un modèle tridimensionnel complexe composé de plusieurs tourbillons puissants".
Deuxièmement, les scientifiques ont pu pomper des liquides à travers un système de mini-canaux en créant un modèle spécifique de tourbillons et en plaçant l'aiguille de verre oscillante près de la paroi du canal.
Troisièmement, les chercheurs ont réussi à capturer des particules fines présentes dans le liquide à l'aide de leur appareil à ultrasons. Cela est possible parce que les particules réagissent différemment aux ondes sonores en fonction de leur taille. Les particules relativement grandes se déplacent vers l'aiguille de verre vibrante et s'y fixent. De cette manière, il est possible de capturer non seulement des particules inanimées, mais aussi, par exemple, des embryons de poissons, comme l'ont montré les chercheurs. Il serait également envisageable de capturer des cellules biologiques dans le liquide. "Capturer de manière ciblée des particules microscopiques dans les trois dimensions de l'espace et les relâcher ailleurs était jusqu'à présent un défi. Avec notre bras microrobotique, c'est en revanche facile", explique Ahmed.
"Mélanger, pomper et capturer des particules - nous pouvons faire tout cela avec un seul appareil".Daniel Ahmed
"Jusqu'à présent, la robotique classique et la microfluidique se sont développées séparément", explique Ahmed. "Avec notre travail, nous contribuons à rapprocher les deux approches". Ainsi, les systèmes microfluidiques pourraient à l'avenir être conçus de la même manière que les systèmes robotiques actuels : il suffirait d'un seul appareil qui, programmé de manière adéquate, serait polyvalent. "Mélanger, pomper et capturer des particules - nous pouvons faire tout cela avec un seul appareil", explique Ahmed. À l'avenir, les puces microfluidiques ne devront donc plus être développées spécifiquement pour chaque application. Les chercheurs souhaitent ensuite combiner plusieurs aiguilles de verre afin de créer des modèles de tourbillons encore plus complexes dans les liquides.
Outre l'analyse en laboratoire, d'autres applications sont envisageables pour Ahmed, comme le tri d'objets minuscules. Il serait également envisageable d'utiliser les bras des mini-robots dans la biotechnologie, afin d'introduire de l'ADN dans des cellules individuelles. Et enfin, une utilisation dans la fabrication additive et l'impression 3D serait possible.
Référence bibliographique
Durrer J, Agrawal P, Ozgul A, Neuhauss SCF, Nama N, Ahmed D : Un effecteur final acoustofluidique assisté par robot. Nature Communications, 26 octobre 2022, doi : page externe10.1038/s41467-022-34167-y