機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器的應(yīng)用

液體操作是眾多實驗室工作得以正常開展的基礎(chǔ)。在過去十年中，芯片實驗室（LOC）系統(tǒng)已開始用于微液體操作，盡管機器人與芯片實驗室有潛在的協(xié)同作用，但是各自獨立發(fā)展，目前還沒有合適的接口來連接宏觀級機器人與微觀級芯片實驗室或微流控器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHZ）攜手蘇黎世大學(xué)（UZH）及美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)（UNL）開發(fā)出一種機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器（RAEE）系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括機械臂和聲流控末端效應(yīng)器，并結(jié)合了機器人和微流控功能。

研究人員進一步進行了流體泵送、微粒和斑馬魚胚胎捕獲，以及復(fù)雜粘性液體的移動混合的實驗。最后，他們對機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器系統(tǒng)進行了預(yù)編程，以實現(xiàn)孔板中粘性液體的自動混合，這展示了其在自動執(zhí)行化學(xué)進程中的多功能性。

注：效應(yīng)器（effector）原指運動神經(jīng)末梢和它所支配的肌肉或腺體，本文指附著在機器人機械臂上的外圍設(shè)備，允許機器人與其任務(wù)相互作用。

該聲流控末端效應(yīng)器包括一個外徑為1500?μm，末端細(xì)至3μm~10?μm的中空硼硅酸鹽毛細(xì)管，加上一個壓電電子換能器。該壓電換能器基于調(diào)節(jié)頻率和振幅的電子函數(shù)發(fā)生器的輸入產(chǎn)生聲波，從而控制毛細(xì)管的振蕩。聲波的激勵頻率從5kHz調(diào)制到300?kHz，同時保持1~20?VPP的峰值電壓。

該聲流控效應(yīng)器通過五軸機械臂的注射器連接到定制的3D打印支架上。研究人員將整個裝置放在倒置的顯微鏡附近，并通過熒光顯微鏡對系統(tǒng)進行研究。該裝置的特征在于將其浸入含有2.0μm和5.0?μm示蹤粒子（下圖b）的液體腔室中，并使用光敏和高速相機捕捉實驗結(jié)果。

機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器（RAEE）的實驗裝置和工作原理

研究人員在毛細(xì)管尖端觀察到與頻率相關(guān)的3D流曲線。這些曲線包括不等量的順時針流動模式和逆時針流動模式（見下圖）。當(dāng)毛細(xì)管分別暴露于頻率為64.6?kHz和140?kHz的超聲波下時，出現(xiàn)了由四個反向旋轉(zhuǎn)的渦流組成的復(fù)雜蝶形渦流模式（下圖a、b）。

洋紅色圓圈代表毛細(xì)管尖端，黃色箭頭表示流向。相比之下，?分別在69.5?kHz和269?kHz的激勵頻率?下，僅產(chǎn)生了一對關(guān)于尖端對稱的反向旋轉(zhuǎn)漩渦（下圖c、d）。

盡管這兩個流曲線相似，但下圖d中的流曲線相對于下圖c中的流曲線旋轉(zhuǎn)了135°。有趣的是，雖然大多數(shù)已形成的流動模式是關(guān)于尖端對稱的，但也觀察到一些例外情況。

在含有示蹤粒子的水中，聲流控裝置尖端產(chǎn)生特定頻率的旋渦或流體

研究人員采用較低的頻率，并使用高速成像相機捕捉空氣中毛細(xì)血管尖端的振蕩。他們從正面和側(cè)面研究了毛細(xì)管的振蕩?？傮w而言，觀測結(jié)果顯示機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器在毛細(xì)管尖端附近產(chǎn)生不同強度的可控流動模式的能力，受驅(qū)動頻率和聲功率調(diào)制的影響。

而斑馬魚胚胎是極好的高等哺乳動物替代模型，其經(jīng)常被用來研究與人類疾病相關(guān)的分子機制，并廣泛用于制藥目的的治療研究。在該實驗中，研究人員設(shè)計了一種基于振蕩玻璃毛細(xì)管發(fā)出的聲輻射力的捕獲裝置。該設(shè)備與機械臂的集成使研究人員能夠根據(jù)任何預(yù)編程軌跡，在2D和3D環(huán)境中捕捉和操縱胚胎。

他們通過捕獲并麻醉受精后（HPF）120小時的斑馬魚胚胎，來證明機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器的多功能特性。當(dāng)毛細(xì)管末端和斑馬魚胚胎之間為毫米距離時，研究人員將機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器帶到胚胎附近并激活。他們觀察到胚胎被強力拉向聲流控裝置，也就是說，它已經(jīng)被捕獲在毛細(xì)管末端了（下圖a）。

利用機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器捕捉斑馬魚胚胎

綜上所述，該論文介紹了首個結(jié)合機械臂的聲流控末端效應(yīng)器，從而實現(xiàn)了宏觀級機器人與微觀級液體和粒子操縱技術(shù)之間的連接。機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器是一個多功能平臺，可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域。這種新型基于毛細(xì)管的聲流控裝置產(chǎn)生兩種不同的穩(wěn)定渦旋流曲線：（i）沿毛細(xì)管的螺旋流或螺旋狀運動；（ii）毛細(xì)管尖端的與頻率相關(guān)的3D流曲線。

為了證明該系統(tǒng)的通用性性和多功能性，研究人員對粘性液體進行了泵送、液滴合并、選擇性微粒捕集和移動混合。他們進一步演示了斑馬魚胚胎的捕獲。最后，他們對機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器進行了預(yù)編程，使其能夠在孔板中實現(xiàn)粘性液體的自動混合，證明了其在化學(xué)過程自動執(zhí)行中的多功能性。

該聲流控裝置的制造成本不到20美元，可以連接到任何商用機械臂上，并實現(xiàn)自動化和多功能性，值得注意的是，操作的精度取決于機械臂。盡管如此，由于其易于構(gòu)建，多功能機器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器在需要重復(fù)樣品制備的基礎(chǔ)步驟或轉(zhuǎn)化研究中可能會更有價值，特別是涉及微量移液，以及其它通常由人工操作執(zhí)行的研究。

審核編輯：劉清