Un bras de précision pour les robots miniatures
Nous connaissons tous des robots équipés de bras mobiles. Ils se tiennent dans les halls d'usine, effectuent des travaux mécaniques et peuvent être programmés. Un seul et même robot peut être utilisé pour effectuer une grande variété de tâches.
Jusqu'à aujourd'hui, les systèmes miniatures qui transportent de minuscules quantités de liquide à travers de fins capillaires n'étaient guère associés à de tels robots. Développés par les scientifiques pour faciliter les analyses en laboratoire, ces systèmes sont connus sous le nom de microfluidique ou de laboratoire sur puce et font généralement appel à des pompes externes pour déplacer le liquide dans les puces. Jusqu'à présent, ces systèmes ont été difficiles à automatiser et les puces ont dû être conçues et fabriquées sur mesure pour chaque application spécifique.
Oscillations de l'aiguille à ultrasons
Les scientifiques dirigé·es par le professeur Daniel Ahmed de l'ETH Zurich combinent désormais la robotique conventionnelle et la microfluidique. Ils et elles ont mis au point un dispositif qui utilise des ultrasons et peut être fixé à un bras robotique. Il est adapté à l'exécution d'un large éventail de tâches dans les applications microrobotiques et microfluidiques et peut également être utilisé pour automatiser ces applications. Les scientifiques ont fait état de ce développement dans Nature Communications.
Le dispositif comprend une aiguille de verre fine et pointue et un transducteur piézoélectrique qui fait osciller l'aiguille. Des transducteurs similaires sont utilisés dans les haut-parleurs, l'imagerie à ultrasons et les appareils de nettoyage dentaire professionnels. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich peuvent faire varier la fréquence d'oscillation de leur aiguille de verre. En plongeant l'aiguille dans un liquide, ils et elles créent un motif tridimensionnel composé de multiples tourbillons. Comme ce motif dépend de la fréquence d'oscillation, il peut être contrôlé en conséquence.
Le groupe de recherche a pu l'utiliser pour démontrer plusieurs applications. Tout d'abord, de minuscules gouttelettes de liquides très visqueux ont pu être mélangées. «Plus les liquides sont visqueux, plus il est difficile de les mélanger», explique le professeur Daniel Ahmed. «Cependant, notre méthode y parvient car elle nous permet non seulement de créer un seul tourbillon, mais aussi de mélanger efficacement les liquides à l'aide d'un motif tridimensionnel complexe composé de plusieurs tourbillons puissants.»
Deuxièmement, les scientifiques ont pu pomper des liquides dans un système de mini-canaux en créant un motif spécifique de vortex et en plaçant l'aiguille de verre oscillante près de la paroi du canal.
Troisièmement, elles et ils ont réussi à utiliser leur dispositif acoustique assisté par robot pour piéger les fines particules présentes dans le fluide. Cela fonctionne parce que la taille d'une particule détermine sa réaction aux ondes sonores. Les particules relativement grosses se déplacent vers l'aiguille de verre oscillante, où elles s'accumulent. Les chercheurs et chercheuses ont montré comment cette méthode peut capturer non seulement des particules inanimées mais aussi des embryons de poisson. Elles et ils pensent qu'elle devrait également être capable de capturer des cellules biologiques dans le fluide. «Par le passé, la manipulation de particules microscopiques en trois dimensions était toujours un défi. Notre bras microrobotique rend les choses plus faciles», déclare Daniel Ahmed.
«Jusqu'à présent, les avancées dans la robotique conventionnelle de grande taille et les applications microfluidiques ont été réalisées séparément», explique Daniel Ahmed. «Notre travail permet de rapprocher les deux approches». Par conséquent, les futurs systèmes microfluidiques pourraient être conçus de manière similaire aux systèmes robotiques actuels. Un dispositif unique programmé de manière appropriée serait capable de gérer une variété de tâches. «Mélanger et pomper des liquides, piéger des particules : nous pouvons tout faire avec un seul appareil», explique Daniel Ahmed. Cela signifie que les puces microfluidiques de demain ne devront plus être développées sur mesure pour chaque application spécifique. Les scientifiques aimeraient ensuite combiner plusieurs aiguilles de verre pour créer des motifs de vortex encore plus complexes dans les liquides.
Outre les analyses de laboratoire, Daniel Ahmed peut envisager d'autres applications pour les bras microrobotiques, comme le tri d'objets minuscules. Ces bras pourraient également être utilisés en biotechnologie pour introduire de l'ADN dans des cellules individuelles. Il devrait finalement être possible de les employer dans la fabrication additive et l'impression 3D.
