Ein präziser Arm für Zwergenroboter

Das Ge­rät be­steht aus ei­ner dün­nen und spit­zen Glas­na­del so­wie aus ei­nem pie­zo­elek­tri­schen Schall­wand­ler, der die Na­del in Schwin­gung ver­setzt. Ähn­li­che Schall­wand­ler kom­men zum Bei­spiel auch in Laut­spre­chern, bei der Ul­tra­schall­bild­ge­bung oder in pro­fes­sio­nel­len Zahn­rei­ni­gungs­ge­rä­ten zum Ein­satz. Die ETH-​Forscher kön­nen bei ih­rer Glas­na­del die Schwin­gungs­fre­quenz va­ri­ie­ren. Tau­chen sie die Na­del in ei­ne Flüs­sig­keit, er­zeugt die Na­del dar­in ein drei­di­men­sio­na­les Mus­ter aus meh­re­ren Wir­beln. Das Mus­ter hängt von der Schwin­gungs­fre­quenz ab und kann ent­spre­chend ge­steu­ert wer­den.

Die For­scher konn­ten da­mit meh­re­re An­wen­dun­gen zei­gen: Ers­tens war es ih­nen mög­lich, win­zi­ge Trop­fen hoch­vis­ko­ser Flüs­sig­kei­ten zu mi­schen. «Je vis­ko­ser Flüs­sig­kei­ten sind, des­to schwe­rer las­sen sie sich mi­schen», er­klärt ETH-​Professor Ah­med. «Mit un­se­rer Me­tho­de ge­lingt dies aber gut, weil wir da­mit nicht nur ei­nen Wir­bel er­zeu­gen, son­dern die Flüs­sig­kei­ten mit ei­nem kom­ple­xen drei­di­men­sio­na­len Mus­ter aus meh­re­ren star­ken Wir­beln ef­fi­zi­ent mi­schen kön­nen.»

Zwei­tens konn­ten die Wis­sen­schaft­ler Flüs­sig­kei­ten durch ein Mini-​Kanalsystem pum­pen, in­dem sie ein be­stimm­tes Mus­ter von Wir­beln er­zeug­ten und die schwin­gen­de Glas­na­del na­he an die Ka­nal­wand plat­zier­ten.

Drit­tens ge­lang es den For­schen­den, mit ih­rem Ul­tra­schall­ge­rät in der Flüs­sig­keit be­find­li­che Fein­par­ti­kel ein­zu­fan­gen. Dies ist mög­lich, weil die Par­ti­kel ab­hän­gig von ih­rer Grös­se un­ter­schied­lich auf die Schall­wel­len re­agie­ren. Ver­hält­nis­mäs­sig gros­se Par­ti­kel be­we­gen sich hin zur schwin­gen­den Glas­na­del und la­gern sich an die­se an. Auf die­se Wei­se las­sen sich nicht nur un­be­leb­te Par­ti­kel ein­fan­gen, son­dern zum Bei­spiel auch Fi­sch­embryo­nen, wie die For­scher zeig­ten. Eben­falls denk­bar wä­re es, in der Flüs­sig­keit bio­lo­gi­sche Zel­len ein­zu­fan­gen. «Mi­kro­sko­pisch klei­ne Par­ti­kel in den drei Raum­di­men­sio­nen ge­zielt ein­zu­fan­gen und an­dern­orts wie­der frei­zu­las­sen war bis­her her­aus­for­dernd. Mit un­se­rem Mi­kro­ro­bo­ti­k­arm ist das hin­ge­gen ein­fach mög­lich», sagt Ah­med.

«Bis­her ha­ben sich die klas­si­sche Ro­bo­tik und die Mi­kro­flui­dik se­pa­rat ent­wi­ckelt», sagt Ah­med. «Mit un­se­rer Ar­beit tra­gen wir da­zu bei, dass sich die bei­den An­sät­ze nä­hern.» So­mit könn­ten Mikrofluidik-​Systeme in Zu­kunft ähn­lich kon­zi­piert wer­den wie heu­ti­ge Ro­bo­ter­sys­te­me: Es reicht ein ein­zi­ger Ap­pa­rat, der – ent­spre­chend pro­gram­miert – viel­sei­tig ein­setz­bar ist. «Mi­schen, pum­pen und Par­ti­kel ein­fan­gen – wir kön­nen das al­les mit ei­nem Ge­rät ma­chen», sagt Ah­med. In Zu­kunft wer­den Mikrofluidik-​Chips da­her nicht mehr für je­de ein­zel­ne An­wen­dung spe­zi­ell ent­wi­ckelt wer­den müs­sen. Als nächs­tes möch­ten die For­scher meh­re­re Glas­na­deln kom­bi­nie­ren, um da­mit in den Flüs­sig­kei­ten noch kom­ple­xe­re Wir­bel­mus­ter zu er­zeu­gen.

Ne­ben der La­bo­rana­ly­tik sind für Ah­med wei­te­re An­wen­dun­gen denk­bar, et­wa das Sor­tie­ren von win­zi­gen Ob­jek­ten. Denk­bar wä­re auch, die Mi­ni­ro­bo­ter­ar­me in der Bio­tech­no­lo­gie zu nut­zen, um da­mit DNA in ein­zel­ne Zel­len zu brin­gen. Und schliess­lich wä­re ein Ein­satz in der ad­di­ti­ven Fer­ti­gung und im 3D-​Druck mög­lich.

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