Una micropinza idraulica morbida per studi biologici

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21403 (2022) Citare questo articolo

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Abbiamo sviluppato una pinza idraulica morbida su microscala e abbiamo dimostrato come maneggiare un insetto senza danni. Questa pinza è costruita su polidimetilsilossano (PDMS) con la tecnica di colata di materiale morbido per formare tre colonne a forma di dita, che sono posizionate su una membrana circolare. Le dita hanno una lunghezza di 1,5 mm e un diametro di 300 µm ciascuna; la distanza tra le due dita è di 600 µm da centro a centro. Una membrana sotto forma di film morbido da 150 µm è costruita sopra uno spazio cavo cilindrico. L'applicazione di pressione allo spazio interno può piegare la membrana. La piegatura della membrana provoca il movimento di apertura/chiusura della pinza e di conseguenza le tre dita possono afferrare un oggetto o rilasciarlo. Il PDMS è stato caratterizzato e i risultati sperimentali sono stati utilizzati successivamente nel software Abaqus per simulare il movimento di presa. L'intervallo di deformazione della pinza è stato studiato mediante simulazione ed esperimento. Il risultato della simulazione concorda con gli esperimenti. Per questa micropinza compatibile con la microfluidica è stata misurata la forza massima di 543 µN e potrebbe sollevare una palla che pesa 168,4 mg e ha un diametro di 0,5 mm. Utilizzando questa micropinza, una formica è stata manipolata con successo senza alcun danno. I risultati hanno mostrato che il dispositivo fabbricato ha un grande potenziale come micro/bio manipolatore.

L'evoluzione della robotica negli ultimi decenni ha aperto nuove tecnologie di presa in vari campi come la chirurgia, gli studi biologici e la manipolazione di piccoli oggetti1,2,3,4,5,6. La chirurgia mininvasiva (MIS) dipende fortemente dalla tecnologia robotica per ridurre al minimo il trauma del paziente e migliorare i risultati clinici7. Occasionalmente, la MIS può ancora causare complessità a causa di danni traumatici e una maggiore adozione clinica della MIS necessita di attuatori più flessibili per fornire maggiore destrezza al chirurgo, ridurre al minimo il progetto e avere un delicato contatto pinza-tessuto7,8. Inoltre, la manipolazione di campioni biologici in vari ambienti e di diverse dimensioni deve essere eseguita con successo utilizzando manipolatori robotici9. La maggior parte delle pinze disponibili in commercio con le loro strutture rigide non sono adatte a movimentare oggetti e campioni biologici delicati e fragili9,10.

Per gestire campioni biologici morbidi e fragili, vengono proposte più pinze basate su vari meccanismi di attuazione come leghe a memoria di forma (SMA)11, piezoelettrici12, MEMS elettrostatici13 e vari attuatori morbidi14. La ceramica piezoelettrica e i film sottili sono stati ampiamente utilizzati per sviluppare vari attuatori adatti all'uso nei robot e negli effettori finali15. Il controllo preciso del movimento degli attuatori piezoelettrici, un'elevata densità di potenza e un tempo di risposta rapido sono i principali vantaggi degli attuatori piezoelettrici16,17,18. La piezoceramica può indurre lo sviluppo di vari tipi di attuatori, ma richiede comunque un complicato meccanismo di trasmissione di microspostamenti e l’assemblaggio di attuatori miniaturizzati è impegnativo19. L'elevata tensione richiesta per l'attuazione del materiale piezoelettrico è un altro inconveniente di questa famiglia di attuatori che può delimitarne le applicazioni nei campi del biostudio e della chirurgia20.

Gli attuatori SMA utilizzano fili SMA o film sottili come elemento di azionamento. Questo semplice meccanismo può produrre grande forza e corsa21. Sebbene sia possibile sviluppare vari attuatori con fili SMA e film sottili, assemblarli è più impegnativo quando la dimensione dei dispositivi è inferiore a una scala millimetrica22. La complessità dei sistemi di riscaldamento/raffreddamento richiesti e la risposta lenta rappresentano inoltre gli svantaggi limitanti degli attuatori SMA23,24. Un adeguato e costoso sistema di controllo termico è essenziale25,26. Il requisito di riscaldamento per gli elementi SMA può limitare l'applicazione di questi attuatori per manipolare campioni biologici e tessuti vivi sensibili al calore a causa del danno termico laterale27,28. Gli attuatori elettrostatici MEMS si basano principalmente sul processo di microfabbricazione del silicio29. Il processo di fabbricazione consolidato ha reso questo gruppo di attuatori un attuatore ideale ed economico come strutture 2D e un buon candidato per la miniaturizzazione29,30. Le sfide legate al corretto imballaggio e isolamento degli attuatori MEMS rappresentano i principali svantaggi di questa famiglia di attuatori31. Tutti gli attuatori sopra menzionati sono sviluppati sulla base di materiali duri. Questa caratteristica del materiale rappresenta uno svantaggio per la manipolazione di campioni fragili e la sua risoluzione ne aumenterà la complessità32,33. Nessuno di questi attuatori si accontenta di maneggiare oggetti biologici senza danni. Per poter gestire un campione fragile, dovrebbe essere sviluppato un nuovo livello di pinza basato su una corretta combinazione di materiale e attuatore.