ฟองอากาศจิ๋วขยับของเหลวบนชิปได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ

ฟองอากาศในแก้วน้ำมักถูกมองว่าเป็นสิ่งรบกวน แต่เมื่อช่องทางแคบลงเหลือระดับไมโคร ฟองขนาดเล็กกลับสร้างการเคลื่อนไหวให้ของเหลวได้ นักวิจัยกำลังทดลองควบคุมตำแหน่งและจังหวะของฟอง แทนการปล่อยให้มันเกิดขึ้นเองแล้วค่อยหาทางดักจับ

โจทย์นี้เกี่ยวกับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกและหุ่นยนต์ขนาดจิ๋ว ซึ่งต้องจัดการของเหลวในพื้นที่เล็กมาก วิธีที่ใช้ชิ้นส่วนหมุนขนาดใหญ่จึงไม่เหมาะเสมอไป การสร้างแรงตรงจุดที่ต้องการอาจช่วยให้ระบบเล็กลงและเปลี่ยนรูปแบบการไหลได้โดยไม่ต้องขยับอุปกรณ์ทั้งชิ้น

ทีมนักวิจัยจาก Cornell สร้างชิปขนาดประมาณ 3 มิลลิเมตรที่สร้างฟองไฮโดรเจนบนขั้วไฟฟ้าด้วยอิเล็กโทรลิซิส แล้วใช้คลื่นอัลตราซาวด์ทำให้ฟองสั่นพ้อง ผิวฟองที่แกว่งจะพาของเหลวรอบข้างเคลื่อนที่ เมื่อเปลี่ยนขนาด จำนวน และตำแหน่งของฟอง ก็ปรับทิศทางการไหลได้แบบเรียลไทม์

บนชิปทดลองมีขั้วไฟฟ้า 9 จุดเรียงเป็นตาราง แต่ละจุดมีขนาดประมาณ 6 ไมโครเมตร และสร้างฟองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 10–100 ไมโครเมตรได้ ทีมวิจัยให้แรงดันไฟฟ้าทำให้น้ำเกิดปฏิกิริยาแยกตัวตรงปลายขั้ว จนเกิดฟองก๊าซไฮโดรเจน ยิ่งจ่ายแรงดันนาน ฟองก็ยิ่งโต

จากนั้นจึงส่งคลื่นเสียงความถี่สูงผ่านของเหลว ฟองจะสั่นแรงเมื่อขนาดของมันเข้ากับความถี่ที่ใช้ คล้ายการผลักชิงช้าให้ตรงจังหวะ พื้นผิวฟองที่ขยายและหดซ้ำ ๆ ทำให้ของเหลวรอบตัวไหลตาม หากฟองเล็กหรือใหญ่เกินไปสำหรับความถี่นั้น การสั่นก็ไม่เด่นและกระแสไหลอ่อนลง

ฟองสองลูกที่มีขนาดเท่ากันตอบสนองต่อเสียงใกล้เคียงกัน จึงสร้างแรงไหลที่สมดุล ส่วนฟองคนละขนาดสั่นได้ไม่เท่ากัน ลูกหนึ่งอาจผลักของเหลวแรงกว่าอีกลูก ความไม่สมดุลนี้ทำให้เกิดทิศทางการไหลเฉพาะ แทนที่จะวนออกด้านข้างอย่างสมมาตร

เมื่อนักวิจัยจัดตำแหน่งฟองหลายลูก รูปแบบการไหลก็เปลี่ยนตาม ตัวอย่างในงานทดลองคือฟองสามลูกเรียงแนวนอนสร้างการไหลจากซ้ายไปขวา การเรียงเป็นแนวทแยงพากระแสเฉียงขึ้นทางซ้าย และฟองห้าลูกจัดเป็นรูปตัวแอลช่วยบังคับให้ของเหลวเลี้ยวเป็นแนวโค้ง

ทีมยังทดลองเร่งแรงดันให้เกิดกลุ่มฟองจำนวนมาก แล้วใช้คลื่นเสียงกำหนดทิศทางให้กลุ่มนั้นพุ่งไปยังบริเวณหนึ่งได้ หากฟองลูกใดทำงานไม่ตามต้องการ ก็เพิ่มแรงดันให้หลุดออกจากขั้วแล้วสร้างลูกใหม่ตรงจุดเดิมได้ ความที่ฟองสร้างและเปลี่ยนตำแหน่งได้ช่วยให้ชุดทดลองไม่ต้องพึ่งการจับฟองลูกเดิมให้อยู่กับที่

ผลการทดลองนี้ชี้ว่าฟองอากาศไม่จำเป็นต้องเป็นแค่สิ่งที่ขวางการไหล ในระบบขนาดเล็กมันอาจกลายเป็นตัวขับเคลื่อนที่ตั้งโปรแกรมได้ จุดเด่นคือเลือกตำแหน่งเกิดฟองด้วยขั้วไฟฟ้า แล้วใช้เสียงควบคุมการสั่นและทิศทางของของเหลว

อุปกรณ์ยังเป็นงานวิจัยบนชิป ไม่ใช่หุ่นยนต์จิ๋วหรือเครื่องมือแพทย์ที่พร้อมใช้งานแล้ว นักวิจัยมองถึงการต่อวงจรสร้างฟองเข้ากับหุ่นยนต์ขนาดเล็ก ส่วนการนำไปใช้กับระบบนำส่งยาเป็นเพียงความเป็นไปได้ที่ต้องพัฒนาต่อ ผลที่มีอยู่จึงแสดงการควบคุมการไหลในชุดทดลอง ไม่ได้ยืนยันการรักษาหรือการทำงานในร่างกาย

เมื่อเปลี่ยนขนาดและตำแหน่งฟอง พร้อมเลือกความถี่ของเสียงให้เหมาะ ชิปจึงกำหนดได้ว่าของเหลวจะไหลไปทางไหน ฟองระดับไมโครที่เคยจัดการยากอาจกลายเป็นชิ้นส่วนเคลื่อนที่ที่สร้างใหม่และจัดรูปแบบได้ตามต้องการ