Область микрогидродинамики включает мелкие устройства, которые точно управляют жидкостями в весах подмиллиметра. Такие устройства, как правило, принимают форму плоского, двумерного жареного картофеля, запечатленного с крошечными каналами и портами, которые устроены, чтобы выполнить различные операции, такие как смешивание, сортировка, перекачка и хранение жидкостей, когда они текут.Теперь команда MIT, на время забывшая такую лабораторию на структуры кристалла, нашла альтернативную платформу микрогидродинамики в «блокировке, формируемые инъекцией блоки» – или, поскольку большинство из нас знает их, кирпичи LEGO.
«LEGOs – захватывающие примеры точности и модульности в повседневных произведенных объектах», говорит Анэстэзайос Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения в MIT.Действительно, кирпичи LEGO производятся так последовательно, что, неважно, где в мире они найдены, любые два кирпича, как гарантируют, будут выстраиваться в линию и хватать надежно в месте. Учитывая эту высокую степень точности и последовательности, исследователи MIT выбрали кирпичи LEGO в качестве основания для нового модульного микрожидкого дизайна.В работе, опубликованной в журнале Lab на Чипе, команда описывает микромукомольные маленькие каналы в LEGOs и расположение выхода каждого «жидкого кирпича», чтобы выстроиться в линию точно с входным отверстием другого кирпича.
Исследователи тогда запечатали стены каждого измененного кирпича с пластырем, позволив модульным устройствам легко собираться и повторно формироваться.Каждый кирпич может быть разработан с конкретным образцом каналов, чтобы выполнить определенную задачу. Исследователи до сих пор спроектировали кирпичи как жидкие резисторы и миксеры, а также генераторы капельки. Их жидкие кирпичи могут быть сфотографированы вместе или демонтированы, чтобы сформировать модульные микрожидкие устройства, которые выполняют различные биологические операции, такие как сортировка клеток, смешивание жидкостей и молекул отфильтровывания интереса.
«Вы могли тогда построить микрожидкую систему так же к тому, как Вы построите замок LEGO – кирпич кирпичом», говорит ведущий автор Кристэл Оуэнс, аспирант в Отделе MIT Машиностроения. «Мы надеемся в будущем, другие могли бы использовать кирпичи LEGO, чтобы сделать комплект микрожидких инструментов».Модульная механикаОлень, который является также директором Лаборатории MIT для Производства и Производительности и Mechanosynthesis Group, прежде всего сосредотачивает его исследование в области новых производственных процессов с заявлениями в пределах от наноматериалов к крупномасштабной 3D печати.«За эти годы у меня было периферийное воздействие области микрогидродинамики и того, что разработка прототипа, микрожидкие устройства часто – трудный, отнимающий много времени, ресурсоемкий процесс», говорит Харт.
Оуэнс, который работал в лаборатории микрогидродинамики студентом, видел непосредственно кропотливые усилия, которые вошли в разработку лаборатория на чипе. После присоединения к группе Харта она стремилась найти способ упростить процесс проектирования.Большинство микрожидких устройств содержит все необходимые каналы и порты, чтобы выполнить многократные операции на одном чипе.
Оуэнс и Харт искали пути к, в сущности, взорвите платформу этого-чипа и сделайте микрогидродинамику модульной, назначив единственную операцию на единственный модуль или единицу. Исследователь мог тогда смешивание и подгонка микрожидкие модули, чтобы выполнить различные комбинации и последовательности операций.
В кастинге вокруг для способов физически понять их модульную конструкцию, Оуэнс и Харт нашли прекрасный шаблон в кирпичах LEGO, которые являются о пока типичный микрожидкий чип.«Поскольку LEGOs так недороги, широко доступны, и последовательны в их размере и воспроизводимости установки, разборки и собрания, мы спросили, могли ли бы кирпичи LEGO быть способом создать набор инструментов микрожидких или жидких кирпичей», говорит Харт.Строительство от идеи
Чтобы ответить на этот вопрос, команда купила ряд стандартных, стандартных кирпичей LEGO и попробовала различные способы ввести микрожидкие каналы в каждый кирпич. Самый успешный метод оказался микромукомольным, известная техника обычно раньше сверлила чрезвычайно прекрасный, особенности подмиллиметра в металлы и другие материалы.
Оуэнс использовал настольный микрозавод, чтобы сначала молоть простой, канал 500 микронов шириной в стену стороны стандартного кирпича LEGO. Она тогда записала на пленку ясное, покрываются пленкой стена, чтобы запечатать его и накачал жидкость через недавно молотый канал кирпича. Она заметила, что жидкость успешно текла через канал, демонстрируя, что кирпич функционировал как резистор потока – устройство, которое позволяет очень небольшим количествам жидкости течь через.Используя эту ту же самую технику, она изготовила жидкий миксер, меля горизонтальный, Y-образный канал и посылая различную жидкость через каждую руку Y. Где эти две руки встретились, жидкости, успешно смешанные.
Оуэнс также превратил кирпич LEGO в генератор снижения, меля T-образный образец в его стену. Когда она накачала жидкость через один конец T, она нашла, что часть жидкости опустилась в течение середины, формируя капельку, поскольку это вышло из кирпича.Чтобы продемонстрировать модульность, Оуэнс построил прототип на стандартную опорную плиту LEGO, состоящую из нескольких кирпичей, каждый разработанный, чтобы выполнить различную операцию, поскольку жидкость накачана через.
В дополнение к созданию жидкого миксера и генератора капельки, она также снабдила оборудованием кирпич LEGO со светочувствительным датчиком, точно поместив датчик, чтобы измерить свет, поскольку жидкость прошла через канал в том же самом местоположении.Оуэнс говорит, что самая твердая часть проекта выясняла, как соединить кирпичи вместе без жидкого просачивания.
В то время как кирпичи LEGO разработаны, чтобы хватать надежно в месте, есть, тем не менее, небольшой промежуток между кирпичами, имеющими размеры между 100 и 500 микронами. Чтобы запечатать этот промежуток, Оуэнс изготовил маленький кольцевой уплотнитель вокруг каждого входного отверстия и выхода в кирпиче.
«Кольцевой уплотнитель вписывается в маленький круг, моловший в кирпичную поверхность. Это разработано, чтобы перетерпеть определенную сумму, поэтому когда другой кирпич помещен около него, это сжимает и создает надежную жидкую печать между кирпичами. Это работает просто, помещая один кирпич рядом с другим», говорит Оуэнс. «Моя цель состояла в том, чтобы сделать его прямым, чтобы использовать».«Легкий способ построить»
Исследователи отмечают просто пару недостатков к их методу. В данный момент они в состоянии изготовить каналы, которые являются десятками широких микронов. Однако некоторые микрожидкие операции требуют намного меньших каналов, которые не могут быть сделаны, используя микромукомольные методы.
Кроме того, поскольку кирпичи LEGO сделаны из термопластов, они, вероятно, не могут противостоять воздействию определенных химикатов, которые иногда используются в микрожидких системах.«Мы экспериментировали с различными покрытиями, мы могли поставить поверхность, чтобы сделать кирпичи LEGO, как они, совместимы с различными жидкостями», говорит Оуэнс. «Подобные LEGO кирпичи могли также быть сделаны из других материалов, таких как полимеры со стабильностью высокой температуры и химическим сопротивлением».
На данный момент основанное на LEGO микрожидкое устройство могло использоваться, чтобы управлять биологическими жидкостями и выполнить задачи, такие как сортировка клеток, фильтрация жидкостей и заключение в капсулу молекул в отдельных капельках. Команда в настоящее время проектирует веб-сайт, который будет содержать информацию о том, как другие могут проектировать свои собственные жидкие кирпичи, используя стандартные части LEGO.
«Наш метод обеспечивает доступную платформу для разработки прототипа микрожидкие устройства», говорит Харт. «Если вид устройства, которое Вы хотите сделать, и материалы, с которыми Вы работаете, подходит для этого вида модульной конструкции, это – легкий способ построить микрожидкое устройство для исследования лаборатории».