Finora i sistemi robotici microscopici hanno dovuto fare a meno delle braccia. I ricercatori del Fare all'ETH hanno ora sviluppato un ago di vetro mosso a ultrasuoni che può essere collegato a un braccio robotico. Lo usano per pompare e mescolare minuscole quantità di liquido e catturare le particelle più piccole.
Tutti conosciamo i robot con bracci mobili. Li troviamo nei capannoni industriali, dove svolgono lavori di meccanica. Possono essere programmati e un singolo robot può essere utilizzato per una varietà di compiti.
Finora, i mini-sistemi in cui minuscole quantità di liquido scorrono attraverso sottili capillari e che i ricercatori avevano sviluppato, ad esempio, per la diagnostica di laboratorio, avevano poco o nulla a che fare con questi robot. Tali sistemi sono noti come microfluidica o lab-on-a-chip. Di norma, per muovere il liquido attraverso i chip microfluidici si utilizzano pompe esterne. Questi sistemi sono ancora difficili da automatizzare e i chip devono essere sviluppati e prodotti specificamente per ogni applicazione.
L'ago vibra con gli ultrasuoni
Gli scienziati guidati dal professor Daniel Ahmed dell'ETH stanno combinando la robotica classica e la microfluidica. Hanno sviluppato un dispositivo che utilizza onde ultrasoniche e può essere collegato a un braccio robotico. È adatto a un'ampia gamma di applicazioni di microrobotica e microfluidica e può essere utilizzato anche per automatizzare tali applicazioni. Gli scienziati hanno riferito di questo sviluppo nella rivista pagina esternaComunicazioni sulla natura.
Il dispositivo è costituito da un sottile ago di vetro appuntito e da un trasduttore piezoelettrico che fa vibrare l'ago. Trasduttori simili sono utilizzati, ad esempio, negli altoparlanti, nelle immagini a ultrasuoni e nei dispositivi professionali per la pulizia dei denti. I ricercatori del Fare all'ETH possono variare la frequenza di oscillazione del loro ago di vetro. Immergendo l'ago in un liquido, esso crea un modello tridimensionale di diversi vortici. Il disegno dipende dalla frequenza di oscillazione e può essere controllato di conseguenza.
I ricercatori sono riusciti a dimostrare diverse applicazioni: In primo luogo, sono riusciti a mescolare minuscole gocce di liquidi altamente viscosi. "Più i liquidi sono viscosi, più è difficile mescolarli", spiega l'ETH Ahmed. "Tuttavia, il nostro metodo funziona bene perché possiamo non solo creare un vortice, ma anche mescolare efficacemente i liquidi con un complesso schema tridimensionale di diversi vortici forti".
In secondo luogo, gli scienziati sono riusciti a pompare liquidi attraverso un sistema di mini-canali creando uno specifico schema di vortici e posizionando l'ago di vetro oscillante vicino alla parete del canale.
In terzo luogo, i ricercatori sono riusciti a catturare le particelle sottili nel liquido con il loro dispositivo a ultrasuoni. Questo è possibile perché le particelle reagiscono in modo diverso alle onde sonore a seconda delle loro dimensioni. Le particelle relativamente grandi si muovono verso l'ago di vetro vibrante e vi si attaccano. In questo modo è possibile catturare non solo particelle inanimate, ma anche embrioni di pesce, come hanno dimostrato i ricercatori. Sarebbe anche possibile catturare cellule biologiche nel liquido. "Catturare particelle microscopicamente piccole nelle tre dimensioni spaziali e rilasciarle altrove è stata una sfida fino ad ora. Con il nostro braccio microrobotico, invece, questo è facilmente possibile", afferma Ahmed.
"Miscelare, pompare e catturare particelle: possiamo fare tutto con un unico dispositivo".Daniel Ahmed
"Finora la robotica classica e la microfluidica si sono sviluppate separatamente", afferma Ahmed. "In futuro, i sistemi microfluidici potrebbero essere progettati in modo simile agli attuali sistemi robotici: un unico dispositivo che, opportunamente programmato, può essere utilizzato in diversi modi. "Miscelare, pompare e catturare particelle: possiamo fare tutto con un unico dispositivo", afferma Ahmed. In futuro, i chip microfluidici non dovranno più essere sviluppati appositamente per ogni singola applicazione. I ricercatori vorrebbero poi combinare diversi aghi di vetro per creare vortici ancora più complessi nei liquidi.
Oltre alle analisi di laboratorio, per Ahmed sono ipotizzabili altre applicazioni, come lo smistamento di piccoli oggetti. Sarebbe anche possibile utilizzare i bracci dei mini-robot nella biotecnologia per trasportare il DNA nelle singole cellule. Infine, potrebbero essere utilizzati anche nella produzione additiva e nella stampa 3D.
Riferimento alla letteratura
Durrer J, Agrawal P, Ozgul A, Neuhauss SCF, Nama N, Ahmed D: Un effettore finale acustofluidico assistito da robot. Nature Communications, 26 ottobre 2022, doi: pagina esterna10.1038/s41467-022-34167-y