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17 Jan, 2023

Un bras de précision pour les robots miniatures

Un bras de précision pour les robots miniatures

En utilisant une aiguille de verre mise en oscillation à l’aide d’ultrasons, il est possible de manipuler des liquides et de piéger des particules. (Photo : ETH Zurich)

Jusqu’à présent, les systèmes robotiques microscopiques devaient se contenter de bras. 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. Ils peuvent ainsi pomper et mélanger de minuscules quantités de liquide et piéger des particules.

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 chercheurs pour faciliter les analyses en laboratoire, ces systèmes sont connus sous le nom de microfluidique ou de laboratoire sur puce (lab-on-chip) 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 dirigés par le professeur Daniel Ahmed de l’ETH combinent désormais la robotique conventionnelle et la microfluidique. Ils 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.

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 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 multiples tourbillons. Comme ce motif dépend de la fréquence d’oscillation, il peut être contrôlé en conséquence.

Différents modèles de vortex dans des liquides vus d’en haut et rendus visibles par des particules. Le point au milieu de chaque image est l’aiguille de verre. (Photo : ETH Zurich)

Les chercheurs ont pu utiliser cette technologie 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 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, ils ont réussi à utiliser leur dispositif acoustique assisté par robot pour piéger les fines particules présentes dans le fluide. Cela fonctionne car 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 ont montré comment cette méthode peut capturer non seulement des particules inanimées mais aussi des embryons de poisson. 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 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 ». En conséquence, 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 M. Ahmed.

Cela signifie que les puces microfluidiques de demain ne devront plus 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.

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.

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/01/a-precision-arm-for-miniature-robots.html

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34167-y