Un bras de précision pour robots miniatures

Jusqu’à présent, les systèmes robotiques microscopiques devaient se passer de bras. Aujourd’hui, des chercheurs de l’ETH Zurich ont mis au point une aiguille en verre actionnée par ultrasons qui peut être fixée à un bras robotique. Cela leur permet de pomper et de mélanger de minuscules quantités de liquide et de piéger les particules.

Les robots à bras mobiles effectuent des travaux mécaniques et peuvent être programmés. Un seul robot peut être utilisé pour effectuer une variété de tâches.

Jusqu’à aujourd’hui, les systèmes miniatures qui transportent de minuscules quantités de liquide à travers de fins capillaires avaient peu d’association avec de tels robots. Développés par des chercheurs pour faciliter l’analyse en laboratoire, ces systèmes sont connus sous le nom de microfluidique ou laboratoire sur puce et utilisent généralement des pompes externes pour déplacer le liquide à travers les puces. À ce jour, 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 dirigés par le professeur de l’EPF Daniel Ahmed combinent désormais la robotique conventionnelle et la microfluidique. Ils ont mis au point un appareil qui utilise des ultrasons et qui peut être attaché à un bras robotique. Il convient à l’exécution d’un large éventail de tâches dans les applications microrobotiques et microfluidiques et peut également être utilisé pour automatiser de telles applications. Les scientifiques ont rendu compte de cette évolution dans Communication Nature.

Le dispositif comprend une fine aiguille de verre pointue et un transducteur piézoélectrique qui fait osciller l’aiguille. Des transducteurs similaires sont utilisés dans les haut-parleurs, l’imagerie par ultrasons et les équipements de nettoyage dentaire professionnels. Les chercheurs de l’ETH peuvent faire varier la fréquence d’oscillation de leur aiguille de verre. En plongeant l’aiguille dans un liquide, ils créent un motif tridimensionnel composé de plusieurs tourbillons. Étant donné que ce modèle dépend de la fréquence d’oscillation, il peut être contrôlé en conséquence.

Les chercheurs ont pu s’en servir pour démontrer plusieurs applications. Tout d’abord, ils ont pu mélanger de minuscules gouttelettes de liquides très visqueux. “Plus les liquides sont visqueux, plus il est difficile de les mélanger”, explique le professeur Ahmed. “Cependant, notre méthode réussit à le faire car elle nous permet non seulement de créer un seul vortex, mais aussi de mélanger efficacement les liquides à l’aide d’un motif tridimensionnel complexe composé de plusieurs vortex puissants.”

Deuxièmement, les scientifiques ont pu pomper des fluides à travers un système de mini-canaux en créant un modèle spécifique de tourbillons et en plaçant l’aiguille de verre oscillante près de la paroi du canal.

Troisièmement, 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. Des particules relativement grosses se déplacent vers l’aiguille de verre oscillante, où elles s’accumulent.

Les chercheurs ont démontré comment cette méthode peut capturer non seulement des particules inanimées mais aussi des embryons de poisson. Ils pensent qu’il devrait également être capable de capturer des cellules biologiques dans le fluide. “Dans le passé, la manipulation de particules microscopiques en trois dimensions était toujours un défi. Notre bras microrobotique facilite la tâche”, déclare Ahmed.

“Jusqu’à présent, les avancées dans les grandes applications conventionnelles de robotique et de microfluidique ont été réalisées séparément”, explique Ahmed. “Notre travail aide à rapprocher les deux approches.”

En conséquence, les futurs systèmes microfluidiques pourraient être conçus de manière similaire aux systèmes robotiques actuels. Un seul appareil correctement programmé serait capable de gérer une variété de tâches.

« Mélanger et pomper des liquides et piéger les particules, nous pouvons tout faire avec un seul appareil », déclare Ahmed. Cela signifie que les puces microfluidiques de demain n’auront plus à être développées sur mesure pour chaque application spécifique. Les chercheurs aimeraient ensuite combiner plusieurs aiguilles de verre pour créer des motifs de vortex encore plus complexes dans les liquides.

En plus des analyses en laboratoire, Ahmed peut envisager d’autres applications pour les bras microrobotiques, comme le tri d’objets minuscules. Les bras pourraient également être utilisés en biotechnologie comme moyen d’introduire de l’ADN dans des cellules individuelles. À terme, il devrait être possible de les utiliser dans la fabrication additive et l’impression 3D.