(Grafico: Politecnico di Zurigo)Finora i sistemi robotici di dimensioni microscopiche hanno dovuto fare a meno delle braccia. I ricercatori hanno ora sviluppato un ago di vetro mosso da ultrasuoni che può essere collegato a un braccio robotico. Con esso, pompano e mescolano minuscole quantità di liquido e catturano le particelle più piccole.
Conosciamo tutti i robot con bracci mobili. Si trovano in capannoni industriali dove eseguono lavori meccanici. Possono essere programmati e un singolo robot può essere utilizzato per una varietà di lavori.
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 chiamati microfluidica o lab-on-a-chip. Di norma, si utilizzano pompe esterne per spostare il liquido attraverso i chip microfluidici. Ad oggi, tali sistemi sono 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 professore dell’ETH Daniel Ahmed stanno ora combinando la robotica classica e la microfluidica. Hanno sviluppato un dispositivo che utilizza onde ad ultrasuoni e può essere collegato a un braccio robotico. È adatto a una varietà di applicazioni di microrobotica e microfluidica e può essere utilizzato anche per automatizzare tali applicazioni. Gli scienziati hanno riferito di questo sviluppo sulla rivista scientifica esterna Nature Communications.
Il dispositivo è costituito da un ago di vetro sottile e appuntito e da un trasduttore piezoelettrico che fa vibrare l’ago. Trasduttori simili sono utilizzati anche, ad esempio, negli altoparlanti, nelle immagini a ultrasuoni o nei dispositivi professionali per la pulizia dei denti. I ricercatori possono variare la frequenza di oscillazione del loro ago di vetro. Se si immerge l’ago in un liquido, questo crea un disegno tridimensionale di diversi vortici. Il modello dipende dalla frequenza di vibrazione e può essere controllato di conseguenza.
I ricercatori hanno potuto utilizzarlo per dimostrare diverse applicazioni: In primo luogo, sono riusciti a mescolare minuscole gocce di liquidi altamente viscosi. "Più i liquidi sono viscosi, più sono difficili da mescolare", spiega il professore dell’ETH Ahmed. "Ma il nostro metodo riesce bene perché ci permette non solo di creare un vortice, ma anche di mescolare i liquidi in modo efficiente con un complesso schema tridimensionale di diversi vortici forti".
In secondo luogo, gli scienziati sono riusciti a pompare i fluidi attraverso un sistema di mini-canali creando un modello specifico di vortici e posizionando l’ago di vetro vibrante 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 finora una sfida. Con il nostro braccio microrobotico, tuttavia, questo è facilmente possibile", afferma Ahmed.
"Miscelazione, pompaggio e cattura delle particelle: possiamo fare tutto con un unico dispositivo".
"Finora la robotica classica e la microfluidica si sono sviluppate separatamente", afferma Ahmed. "Con il nostro lavoro, stiamo contribuendo ad avvicinare i due approcci". In futuro, quindi, i sistemi microfluidici potrebbero essere progettati in modo simile agli attuali sistemi robotici: tutto ciò che serve è un singolo apparato che - opportunamente programmato - può essere utilizzato in una varietà di modi. "Miscelazione, pompaggio e cattura delle particelle: possiamo fare tutto con un unico dispositivo", afferma Ahmed. In futuro, quindi, i chip microfluidici non dovranno più essere sviluppati appositamente per ogni singola applicazione. In seguito, i ricercatori vorrebbero combinare diversi aghi di vetro per creare modelli di vortici ancora più complessi nei fluidi.
Oltre alle analisi di laboratorio, Ahmed può pensare ad altre applicazioni, come lo smistamento di piccoli oggetti. Sarebbe anche possibile utilizzare i bracci dei mini-robot nella biotecnologia per portare il DNA nelle singole cellule. Infine, potrebbe essere utilizzato 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 esterna 10.1038/s41467’022 -34167-y.
