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

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(jī)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(jī)械臂和聲流控末端效應(yīng)器，并結(jié)合了機(jī)器人和微流控功能。

研究人員進(jìn)一步進(jìn)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(dòng)混合的實(shí)驗(yàn)。最后，他們對機(jī)器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)編程，以實(shí)現(xiàn)孔板中粘性液體的自動(dòng)混合，這展示了其在自動(dòng)執(zhí)行化學(xué)進(jìn)程中的多功能性。

注：效應(yīng)器（effector）原指運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢和它所支配的肌肉或腺體，本文指附著在機(jī)器人機(jī)械臂上的外圍設(shè)備，允許機(jī)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(gè)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(gè)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(lì)頻率從5kHz調(diào)制到300?kHz，同時(shí)保持1~20?VPP的峰值電壓。

該聲流控效應(yīng)器通過五軸機(jī)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(gè)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(jìn)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(jī)捕捉實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

機(jī)器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器（RAEE）的實(shí)驗(yàn)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(shí)針流動(dòng)模式和逆時(shí)針流動(dòng)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(shí)，出現(xiàn)了由四個(gè)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(lì)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(gè)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(dòng)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(jī)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。總體而言，觀測結(jié)果顯示機(jī)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(qiáng)度的可控流動(dòng)模式的能力，受驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)制，并廣泛用于制藥目的的治療研究。在該實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)的斑馬魚胚胎，來證明機(jī)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(shí)，研究人員將機(jī)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(qiáng)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(jī)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(gè)結(jié)合機(jī)械臂的聲流控末端效應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)了宏觀級機(jī)器人與微觀級液體和粒子操縱技術(shù)之間的連接。機(jī)器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器是一個(gè)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(yùn)動(dòng)；（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(jìn)行了泵送、液滴合并、選擇性微粒捕集和移動(dòng)混合。他們進(jìn)一步演示了斑馬魚胚胎的捕獲。最后，他們對機(jī)器人輔助的聲流控末端效應(yīng)器進(jìn)行了預(yù)編程，使其能夠在孔板中實(shí)現(xiàn)粘性液體的自動(dòng)混合，證明了其在化學(xué)過程自動(dòng)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(jī)械臂上，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和多功能性，值得注意的是，操作的精度取決于機(jī)械臂。盡管如此，由于其易于構(gòu)建，多功能機(jī)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(jià)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