17/07/2020
La prossima rivoluzione industriale (industry 4.0) sarà basata sullo sviluppo di sistemi automatici e sull’impiego di protocolli di intelligenza artificiale con una forte propensione verso l’automazione. Sviluppare la capacità di interazione dell’uomo con i dispositivi 'intelligenti' potrà modificare il modo in cui siamo abituati a vivere ed il valore che diamo alle cose.
Una delle principali innovazioni sarà legata allo sviluppo di nuove tecniche per la manipolazione ed il dispensing di liquidi. Poter gestire con tecniche innovative, e con alta precisione, la movimentazione di piccole quantità di liquido, rappresenta un obiettivo di strategica importanza in diversi settori della tecnologia. Basti pensare alle operazioni legate agli esami biologici utilizzati durante la recente pandemia di Covid 19. Appare quindi evidente l’importanza di strumenti che consentano una manipolazione di liquidi quanto più possibile precisa, veloce e sicura.
Proprio la recente pandemia ha mostrato chiaramente l’esigenza di sistemi microfluidici veloci e a basso costo, per poter contrastare il diffondersi del virus ed effettuare una veloce procedura di diagnostica precoce. Se i dispositivi potessero essere anche di semplice utilizzo, controllati da remoto e, in grado di limitare notevolmente l’interazione ed i conseguenti rischi dei sanitari, appare evidente come lo sviluppo di tecniche di manipolazione innovative rappresentino un obiettivo ambizioso condiviso da scienziati, ricercatori ed industrie in tutto il mondo. I dispositivi attualmente impiegati sono abbastanza complessi e costosi, devono essere programmati per diverse applicazioni, non sono in grado di auto adattarsi e, ancora più importante, richiedono l’intervento manuale di operatori sanitari (come il dispensing tramite pipette manuali) esponendo gli operatori al rischio di infezione e a problemi di contaminazione biologica. Fino ad ora diverse soluzioni tecnologiche sono state presentate per la manipolazione e gestione di liquidi, polimeri e, più in generale, di soluzioni biologiche.
Tutte le soluzioni fino ad ora proposte sono basate sull’impiego di campi magnetici, ottici ed elettrici, e risultano complicate e molto costose. In risposta a queste esigenze un team di ricercatori dell’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti (Isasi) del Cnr, ha proposto un semplice principio per la manipolazione di liquidi ed una piattaforma innovativa per la gestione senza contatto guidata dall’ “intelligenza fisica”. Con intelligenza fisica si intende una nuova modalità di offrire una risposta in funzione di sollecitazioni esterne. In particolare, la tecnologia proposta dai ricercatori è basata sull’utilizzo di una materiale piroelettrico che può generare un campo elettrico in risposta ad una variazione di temperatura, per effetto di una proprietà costitutiva del materiale. Tale campo elettrico è impiegato per il controllo, la manipolazione e la gestione di volumi di liquidi. Infatti, il campo elettrico, generato per effetto piroelettrico, consente di attivare e spegnere il sistema di controllo e movimentare volumi di liquido senza contatto. Questa tecnologia potrebbe essere integrata in sistemi di tipo lab-on-chip per applicazioni su piccoli volumi (micro) e volumi più grandi (macro).
Partendo da una posizione iniziale è possibile controllare lo spostamento di liquidi lungo delle specifiche traiettorie, passando per delle posizioni intermedie e raggiungendo una posizione finale.
“Il nostro obiettivo è stato quello di dimostrare la movimentazione ed il controllo in remoto di volumi di liquido lungo delle specifiche traiettorie con alta precisione. Alla capacità di guida, abbiamo aggiunto diverse funzionalità quali la possibilità di controllare più gocce contemporaneamente, unire volumi diversi, dimostrare il controllo ed il trasporto di oggetti millimetrici, creando un mixing ed una deformazione delle gocce quando necessario, utilizzando una distanza di lavoro più comoda di quelle normalmente impiegate nei sistemi microfluidici, tutto semplicemente sfruttando le proprietà fisiche intrinseche del materiale”. Così spiega Sara Coppola, il PI dell’attività di ricerca. I risultati del lavoro aprono verso applicazioni in dispositivi avanzati di manipolazione di liquidi, dove il volume in oggetto può essere anche impiegato per il trasporto di micro-oggetti, nano-particelle o farmaci in essi immersi.
Così che controllando il movimento dei liquidi possa essere possibile muoverli, effettuare un mix ed indirizzarli verso postazioni precise. “Siamo convinti che la possibilità di attrarre e guidare liquidi e particelle impiegando la nostra tecnologia, possa rappresentare una soluzione efficace ed efficiente per la soft robotics, la biomedicina, la scienza dei materiali, la dinamica dei fluidi e per applicazioni di microgravità, dove sono evidenti a tutti le difficoltà di gestione e manipolazione di liquidi”, afferma Pietro Ferraro, responsabile del gruppo che ha condotto l’attività di ricerca. Ulteriori studi saranno condotti al fine di migliorare il controllo del sistema di movimentazione per ottenere una migliore precisione per diverse applicazioni di interesse industriale quali applicazioni biomediche, manipolazione di cellule, rilascio controllato di farmaci e tecnologie innovative come ink-jet printing e manipolazione di materiali funzionali. Tale tecnologia rappresenterà una soluzione innovativa per la gestione dei dispositivi di tipo lab-on chip con importanti ripercussioni nel mondo della biomedicina.
Per informazioni: Video consultabili online come "supplementary materials" dal sito della rivista
Per informazioni:
Pietro Ferraro, e-mail: p.ferraro@isasi.cnr.it - Sara Coppola, e-mail: s.coppola@isasi.cnr.it
Cnr - Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti
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