Jusqu’à présent, les systèmes robotiques microscopiques devaient se passer de bras. Des chercheurs ont désormais mis au point 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.
Nous connaissons tous les robots aux bras mobiles. 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 tâches.
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 en 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.
L’aiguille oscille grâce aux ultrasons
Des scientifiques dirigés par le professeur de l’ETH Daniel Ahmed associent 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 nombreuses applications microrobotiques et microfluidiques et peut également être utilisé pour automatiser de telles applications. Les scientifiques ont fait état de ce développement dans la revue spécialisée externe Nature Communications.
L’appareil se compose d’une aiguille de verre fine et pointue et d’un transducteur piézoélectrique qui fait osciller l’aiguille. Des transducteurs similaires sont utilisés par exemple dans des haut-parleurs, pour l’imagerie par ultrasons ou dans des appareils professionnels de nettoyage des dents. Les chercheurs peuvent faire varier la fréquence de vibration de leur aiguille de verre. Lorsqu’ils plongent l’aiguille dans un liquide, l’aiguille y crée un motif tridimensionnel composé de plusieurs tourbillons. Le motif dépend de la fréquence de vibration 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’EPFZ. "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 motif spécifique de tourbillons et en plaçant l’aiguille de verre vibrante près de la paroi du canal.
Troisièmement, les chercheurs ont réussi à capturer des particules fines 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".
"Jusqu’à présent, la robotique classique et la microfluidique se sont développées séparément", explique Ahmed. "Avec notre travail, nous contribuons à rapprocher ces 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, pourrait être utilisé de manière polyvalente. "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 le domaine de 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 externe 10.1038/s41467’022 -34167-y
