Adaptives 3D-Drucksystem zur Auswahl und Platzierung von Organismen

Ein erstmals von Forschenden der University of Minnesota entwickeltes adaptives 3D-Drucksystem kann die Positionen von zufällig verteilten Organismen erkennen und sie sicher an bestimmte Stellen für den Zusammenbau bringen.

Diese autonome Technologie bietet erhebliche Vorteile in Bereichen wie Bioimaging, Kybernetik, Kryokonservierung und der Integration von lebenden Organismen in technische Geräte. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht, und die Technologie ist bereits zum Patent angemeldet.

Das System arbeitet durch die Erfassung und genaue Positionierung von Organismen, unabhängig davon, ob diese stationär, in Tropfen eingeschlossen oder in Bewegung sind. Es nutzt dabei eine Pick-and-Place-Methode, die durch Echtzeit-Daten zur visuellen und räumlichen Erfassung der Organismen gesteuert wird. Diese adaptiven Fähigkeiten ermöglichen eine präzise Platzierung der Organismen, was zuvor manuell und mit hohem Aufwand durchgeführt wurde.

„Der Drucker selbst kann sich wie ein Mensch verhalten, wobei der Drucker als Hände, das Bildverarbeitungssystem als Augen und der Computer als Gehirn fungieren“, so Guebum Han, ein ehemaliger Postdoktorand der University of Minnesota im Bereich Maschinenbau und Erstautor der Studie. „Der Drucker kann sich in Echtzeit an bewegte oder unbewegte Organismen anpassen und sie in einer bestimmten Anordnung oder einem bestimmten Muster zusammensetzen.

Traditionell erfordert dieser Prozess manuelle Eingriffe, die nicht nur zeitaufwendig sind, sondern auch zu inkonsistenten Ergebnissen führen können. Mit dem neuen System wird nicht nur die Zeit reduziert, die Forscher für diese Aufgaben aufwenden müssen, sondern es sorgt auch für gleichmäßigere Ergebnisse. Die Technologie könnte zudem die Effizienz bei der Verarbeitung von Organismen für die Kryokonservierung steigern, lebende Organismen von toten sortieren und sie auf gekrümmten Oberflächen positionieren sowie sie in Materialien und Geräte mit anpassbaren Formen integrieren.

Ein praktisches Beispiel für die Anwendung dieser Technologie ist die Verbesserung von Kryokonservierungsmethoden bei Zebrafisch-Embryonen, bei der die manuelle Handhabung durch das neue System um das Zwölffache beschleunigt wurde. Ein weiteres Beispiel zeigt, wie das System zufällig bewegende Käfer verfolgt, aufnimmt und in funktionale Geräte integriert.

Zukünftig plant das Forschungsteam, die Technologie weiterzuentwickeln und mit Robotik zu kombinieren, um sie für den Einsatz im Feld portabel zu machen. Dies könnte es Forschenden ermöglichen, Organismen oder Proben an schwer zugänglichen Orten zu sammeln. Neben Han waren an der Forschung unter anderem die Doktoranden Kieran Smith und Daniel Wai Hou Ng sowie die Professoren JiYong Lee und John Bischof beteiligt. Die Arbeit erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Engineering Research Center für fortgeschrittene Technologien zur Erhaltung biologischer Systeme (ATP-Bio).