Uma micropinça hidráulica macia para estudos biológicos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21403 (2022) Citar este artigo

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Desenvolvemos uma pinça macia hidráulica em microescala e demonstramos o manuseio de um inseto sem danos. Esta pinça é construída em polidimetilsiloxano (PDMS) com a técnica de fundição de material macio para formar três colunas semelhantes a dedos, que são colocadas em uma membrana circular. Os dedos têm comprimento de 1,5 mm e diâmetro de 300 µm cada; a distância entre os dois dedos é de 600 µm de distância de centro a centro. Uma membrana como um filme macio de 150 µm é construída no topo de um espaço oco cilíndrico. Aplicar pressão ao espaço interior pode dobrar a membrana. A dobra da membrana provoca o movimento de abertura/fechamento da pinça e, como resultado, os três dedos podem agarrar um objeto ou soltá-lo. O PDMS foi caracterizado e os resultados experimentais foram utilizados posteriormente no software Abaqus para simular o movimento de preensão. A faixa de deformação da pinça foi investigada por simulação e experimento. O resultado da simulação concorda com os experimentos. A força máxima de 543 µN foi medida para esta micropinça compatível com microfluidos e pode levantar uma bola que pesa 168,4 mg e tem um diâmetro de 0,5 mm. Usando esta micropinça, uma formiga foi manipulada com sucesso sem nenhum dano. Os resultados mostraram que o dispositivo fabricado tem grande potencial como micro/biomanipulador.

A evolução da robótica nas últimas décadas abriu novas tecnologias de preensão em vários campos, como cirurgia, estudos biológicos e manipulação de pequenos objetos1,2,3,4,5,6. A cirurgia minimamente invasiva (MIS) é altamente dependente da tecnologia robótica para minimizar o trauma do paciente e melhorar os resultados clínicos7. Ocasionalmente, o MIS ainda pode causar complexidades devido a danos traumáticos e uma absorção mais clínica do MIS precisa de atuadores mais flexíveis para fornecer maior destreza ao cirurgião, minimizar o projeto e ter um contato delicado da pinça com o tecido7,8. Além disso, o manuseio de espécimes biológicos em vários ambientes e com tamanhos diferentes precisa ser realizado com sucesso usando manipuladores robóticos9. A maioria das pinças disponíveis comercialmente com suas estruturas rígidas não são adequadas para manipular objetos e amostras biológicas delicadas e frágeis9,10.

Para manusear espécimes biológicos macios e frágeis, várias pinças são propostas com base em vários mecanismos de atuação, como ligas com memória de forma (SMA)11, piezoelétricas12, MEMS eletrostáticas13 e vários atuadores macios14. Cerâmicas piezoelétricas e filmes finos têm sido usados ​​extensivamente para desenvolver vários atuadores adequados para uso em robôs e efetores finais15. O controle preciso do movimento dos atuadores piezelétricos, a alta densidade de potência e o rápido tempo de resposta são os principais benefícios dos atuadores piezoelétricos16,17,18. A piezocerâmica pode induzir o desenvolvimento de vários tipos de atuadores, mas ainda requer um complicado mecanismo de transmissão de microdeslocamento, e a montagem de atuadores miniaturizados é um desafio19. A alta tensão necessária para a atuação do material piezoelétrico é outra desvantagem dessa família de atuadores que pode delimitar suas aplicações nas áreas de bioestudo e cirurgia20.

Os atuadores SMA usam fios SMA ou filmes finos como elemento de atuação. Este mecanismo simples pode produzir grande força e golpe21. Embora vários atuadores possam ser desenvolvidos com fios SMA e filmes finos, montá-los é mais desafiador quando o tamanho dos dispositivos é menor que uma escala milimétrica22. A complexidade dos sistemas de aquecimento/resfriamento necessários, juntamente com a resposta lenta, também delimitam as desvantagens dos atuadores SMA23,24. O sistema de controle térmico adequado e caro é essencial25,26. O requisito de aquecimento para elementos SMA pode limitar a aplicação desses atuadores para manipular bioespécimes sensíveis ao calor e tecidos vivos devido a danos térmicos laterais27,28. Os atuadores eletrostáticos MEMS são baseados principalmente no processo de microfabricação de silício29. O processo de fabricação bem estabelecido tornou esse grupo de atuadores um atuador ideal e econômico como estruturas 2D e um bom candidato para miniaturização29,30. Os desafios no acondicionamento e isolamento adequados dos atuadores MEMS são as principais desvantagens dessa família de atuadores31. Todos os atuadores mencionados acima são desenvolvidos com base em materiais duros. Essa característica do material é uma desvantagem para o manuseio de amostras frágeis, e sua resolução aumentará suas complexidades32,33. Nenhum desses atuadores está satisfeito em lidar com objetos biológicos sem danos. Para estender o manuseio de uma amostra frágil, um novo nível de pinça baseado em uma combinação adequada de material e atuador deve ser desenvolvido.