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科学家将传统机器人技术与微流体相结合

机器人通常配备移动臂,经过多次编程并用于在工厂中执行各种任务。这些类型的机器人传统上与通过细毛细管输送少量液体的微型系统关系不大。这些被称为微流体或芯片实验室的系统通常使用外部泵来移动液体通过芯片。然而,传统上它们很难实现自动化,并且芯片需要针对每个特定应用进行定制设计和制造。

但现在,由 ETH 教授 Daniel Ahmed 领导的一组研究人员正在将传统机器人技术和微流体技术结合起来。新开发的设备使用超声波,可以连接到机械臂上。它还可以在微型机器人和微流体应用中执行广泛的任务,或用于自动化这些应用。

Nature Communications报道了这项新研究。

新的和独特的设备

研究人员开发了一种独特的装置,能够通过使用由压电换能器驱动的振荡玻璃针在液体中产生三维涡流模式——这种装置也用于扬声器、超声成像和牙科清洁工具。通过调整这些振荡的频率,他们可以精确地控制它们的图案形成。

图片:苏黎世联邦理工学院

该团队使用该设备演示了多种应用,例如混合高粘性液体的微小液滴。

“越粘稠的液体,就越难混合它们,”艾哈迈德说。“然而,我们的方法成功地做到了这一点,因为它不仅使我们能够创建单个涡流,而且还可以使用由多个强涡流组成的复杂三维模式有效地混合液体。”

通过小心地操纵涡流并将振荡玻璃针定位在通道壁附近,科学家们还能够以惊人的效率为他们的微型通道系统提供动力。

通过利用机器人辅助声学设备,他们能够有效地捕获流体中的细小颗粒。每个粒子的大小决定了它对声波的反应,导致较大的粒子聚集在摆动的玻璃针周围。值得注意的是,同样的技术被证明不仅能够捕获惰性微粒,而且能够捕获整个鱼胚胎。随着进一步的发展,该方法也可用于从液体中捕获生物细胞。

“过去,在三个维度上操纵微观粒子总是具有挑战性。我们的微型机械臂让这一切变得简单,”Ahmed 说。

“到目前为止,大型传统机器人和微流体应用的进步是分开进行的,”Ahmed 继续说道。“我们的工作有助于将这两种方法结合在一起。

液体中的涡流模式图片:苏黎世联邦理工学院

随着我们的进步,未来的微流体系统可能会与当今先进的机器人技术相媲美。通过对单个设备进行多种任务编程,例如混合和泵送液体以及捕获颗粒,Ahmed 预见到我们将迎来一个不再需要为每个应用程序定制开发芯片的时代。在这个概念的基础上进一步发展的是将各种玻璃针连接在一起形成复杂的涡流模式的想法——将我们的能力推向前所未有的高度。

艾哈迈德设想了微型机器人手臂在实验室分析领域之外的一系列潜在用途——从物体分类和 DNA 操作到 3D 打印等增材制造技术。随着这些发展,我们可以彻底改变我们所知道的生物技术。

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