Wir alle kennen Roboter, die mit beweglichen Armen ausgestattet sind.Sie sitzen in der Fabrikhalle, führen mechanische Arbeiten aus und können programmiert werden.Ein Roboter kann für mehrere Aufgaben eingesetzt werden.
Winzige Systeme, die vernachlässigbare Flüssigkeitsmengen durch dünne Kapillaren transportieren, waren für solche Roboter bisher von geringem Wert.Solche von Forschern als Ergänzung zur Laboranalyse entwickelten Systeme werden als Mikrofluidik oder Lab-on-a-Chips bezeichnet und nutzen typischerweise externe Pumpen, um Flüssigkeiten über den Chip zu bewegen.Bisher ließen sich solche Systeme nur schwer automatisieren, und Chips müssen für jede spezifische Anwendung individuell entworfen und hergestellt werden.
Wissenschaftler um ETH-Professor Daniel Ahmed verschmelzen nun konventionelle Robotik und Mikrofluidik.Sie haben ein Gerät entwickelt, das Ultraschall nutzt und an einem Roboterarm befestigt werden kann.Es eignet sich für vielfältige Aufgaben in Mikrorobotik- und Mikrofluidik-Anwendungen und kann auch zur Automatisierung solcher Anwendungen eingesetzt werden.Über die Fortschritte berichten die Wissenschaftler in Nature Communications.
Das Gerät besteht aus einer dünnen, spitzen Glasnadel und einem piezoelektrischen Wandler, der die Nadel in Vibration versetzt.Ähnliche Wandler werden in Lautsprechern, in der Ultraschallbildgebung und in professionellen zahnmedizinischen Geräten verwendet.ETH-Forschende können die Schwingungsfrequenz von Glasnadeln verändern.Indem sie eine Nadel in eine Flüssigkeit tauchten, erzeugten sie ein dreidimensionales Muster aus vielen Wirbeln.Da dieser Modus von der Schwingungsfrequenz abhängt, kann er entsprechend gesteuert werden.
Forscher können damit verschiedene Anwendungen demonstrieren.Erstens gelang es ihnen, winzige Tröpfchen hochviskoser Flüssigkeiten zu vermischen.„Je viskoser die Flüssigkeit, desto schwieriger ist sie zu mischen“, erklärt Professor Ahmed.„Unsere Methode zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass sie uns nicht nur die Erzeugung eines einzelnen Wirbels ermöglicht, sondern auch Flüssigkeiten mithilfe komplexer 3D-Muster, die aus mehreren starken Wirbeln bestehen, effektiv vermischt.“
Zweitens konnten die Wissenschaftler Flüssigkeit durch das Mikrokanalsystem pumpen, indem sie spezifische Wirbelmuster erzeugten und oszillierende Glasnadeln nahe an den Kanalwänden platzierten.
Drittens konnten sie mithilfe eines akustischen Robotergeräts die in der Flüssigkeit vorhandenen feinen Partikel einfangen.Dies funktioniert, weil die Größe eines Partikels bestimmt, wie es auf Schallwellen reagiert.Relativ große Partikel bewegen sich auf die oszillierende Glasnadel zu und sammeln sich dort an.Die Forscher zeigten, wie mit dieser Methode nicht nur unbelebte Naturpartikel, sondern auch Fischembryonen erfasst werden können.Sie glauben, dass es auch biologische Zellen in Flüssigkeiten einschließen sollte.„In der Vergangenheit war die Manipulation mikroskopischer Partikel in drei Dimensionen immer eine Herausforderung.Unser winziger Roboterarm macht das einfach“, sagte Ahmed.
„Bisher wurden Fortschritte bei groß angelegten Anwendungen konventioneller Robotik und Mikrofluidik getrennt erzielt“, sagte Ahmed.„Unsere Arbeit trägt dazu bei, diese beiden Ansätze zusammenzubringen.“Ein richtig programmiertes Gerät kann viele Aufgaben bewältigen.„Das Mischen und Pumpen von Flüssigkeiten sowie das Auffangen von Partikeln – wir können alles mit einem Gerät erledigen“, sagte Ahmed.Dies bedeutet, dass die Mikrofluidik-Chips von morgen nicht mehr für jede spezifische Anwendung individuell entwickelt werden müssen.Die Forscher hoffen dann, mehrere Glasnadeln zu kombinieren, um komplexere Wirbelmuster in der Flüssigkeit zu erzeugen.
Neben der Laboranalyse kann sich Ahmed weitere Einsatzmöglichkeiten für den Mikromanipulator vorstellen, etwa das Sortieren kleinster Objekte.Vielleicht könnte die Hand auch in der Biotechnologie genutzt werden, um DNA in einzelne Zellen einzubringen.Sie könnten schließlich für die additive Fertigung und den 3D-Druck eingesetzt werden.
Materialien zur Verfügung gestellt von der ETH Zürich.Das Originalbuch wurde von Fabio Bergamin geschrieben.NOTIZ.Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.
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