로봇은 종종 움직이는 팔을 갖추고 있으며 공장에서 다양한 작업을 수행하는 데 여러 번 프로그래밍되고 사용된다. 이러한 유형의 로봇은 전통적으로 미세 모세관을 통해 소량의 액체를 운반하는 소형 시스템과 관련이 거의 없었다. 마이크로플루이딕스(microfluidics) 또는 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로 알려진 이러한 시스템은 일반적으로 외부 펌프를 사용하여 칩을 통해 액체를 이동시킨다. 그러나 전통적으로 자동화하기 어려운 것으로 입증되었으며 칩은 각각의 특정 애플리케이션에 맞게 맞춤 설계 및 제조되어야 한다.

그러나 이제 ETH 교수 Daniel Ahmed가 이끄는 연구팀은 기존 로봇 공학과 미세 유체 공학을 결합하고 있다. 새로 개발된 장치는 초음파를 사용하며 로봇 팔에 부착할 수 있다. 또한 마이크로 로봇 및 마이크로 유체 애플리케이션에서 광범위한 작업을 수행하거나 이러한 애플리케이션을 자동화하는 데 사용할 수 있다.

새로운 연구는 Nature Communications에 보고되었다.

새롭고 독특한 장치

연구원들은 압전 변환기로 구동되는 진동 유리 바늘을 사용하여 액체에서 3차원 와류 패턴을 생성할 수 있는 고유한 장치를 개발했다. 이러한 진동의 주파수를 조정하여 패턴 형성을 정밀하게 제어할 수 있다.

연구팀은 이 장치를 사용하여 점성이 높은 액체의 작은 방울을 혼합하는 것과 같은 여러 응용 분야를 시연했다.

"점성이 높은 액체일수록 혼합하기가 더 어렵다."라고 Ahmed는 말한다. "그러나 우리의 방법은 단일 소용돌이를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 여러 개의 강한 소용돌이로 구성된 복잡한 3차원 패턴을 사용하여 액체를 효율적으로 혼합할 수 있기 때문에 이 작업에 성공했다."

와류를 조심스럽게 조작하고 진동하는 유리 바늘을 채널 벽 근처에 배치함으로써 과학자들은 놀라운 효율성으로 미니 채널 시스템에 전력을 공급할 수 있었다.

그들은 로봇 보조 음향 장치를 활용하여 유체의 미세 입자를 효율적으로 포착할 수 있었다. 각 입자의 크기에 따라 음파에 대한 반응이 결정되며 진동하는 유리 바늘 주위에 더 큰 입자가 축적된다. 놀랍게도, 이 동일한 기술은 비활성 미립자뿐만 아니라 전체 물고기 배아를 포획할 수 있는 것으로 나타났다. 추가 개발을 통해 이 방법은 유체 내에서 생물학적 세포를 캡처하는 데에도 사용할 수 있다.

“과거에는 미세한 입자를 3차원으로 조작하는 것이 항상 어려웠다. 우리의 마이크로로봇 팔로 쉽게 만들 수 있다.”라고 Ahmed는 말한다.

"지금까지 대규모의 기존 로봇 공학 및 미세 유체 응용 분야의 발전은 개별적으로 이루어졌다."라고 Ahmed는 계속한다. “우리의 작업은 두 가지 접근 방식을 결합하는 데 도움이 된다.”