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Ferrobotic swarms enable accessible and adaptable automated viral testing

计算机科学 核酸扩增试验 嵌入式系统 样品(材料) 工作流程 自动化 可靠性工程 工程类 色谱法 数据库 机械工程 生物 化学 免疫学 沙眼衣原体
作者
Haisong Lin,Wenzhuo Yu,Kiarash A. Sabet,Michael Bogumil,Yichao Zhao,Jacob Amos Hambalek,Shuyu Lin,Sukantha Chandrasekaran,Omai B. Garner,Dino Di Carlo,Sam Emaminejad
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:611 (7936): 570-577 被引量:71
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05408-3
摘要

Expanding our global testing capacity is critical to preventing and containing pandemics1–9. Accordingly, accessible and adaptable automated platforms that in decentralized settings perform nucleic acid amplification tests resource-efficiently are required10–14. Pooled testing can be extremely efficient if the pooling strategy is based on local viral prevalence15–20; however, it requires automation, small sample volume handling and feedback not available in current bulky, capital-intensive liquid handling technologies21–29. Here we use a swarm of millimetre-sized magnets as mobile robotic agents (‘ferrobots’) for precise and robust handling of magnetized sample droplets and high-fidelity delivery of flexible workflows based on nucleic acid amplification tests to overcome these limitations. Within a palm-sized printed circuit board-based programmable platform, we demonstrated the myriad of laboratory-equivalent operations involved in pooled testing. These operations were guided by an introduced square matrix pooled testing algorithm to identify the samples from infected patients, while maximizing the testing efficiency. We applied this automated technology for the loop-mediated isothermal amplification and detection of the SARS-CoV-2 virus in clinical samples, in which the test results completely matched those obtained off-chip. This technology is easily manufacturable and distributable, and its adoption for viral testing could lead to a 10–300-fold reduction in reagent costs (depending on the viral prevalence) and three orders of magnitude reduction in instrumentation cost. Therefore, it is a promising solution to expand our testing capacity for pandemic preparedness and to reimagine the automated clinical laboratory of the future. A handheld printed circuit board-based programmable platform using ferrobots can perform the complex, laboratory-equivalent procedures involved in multiplexed and pooled nucleic acid amplification testing, allowing for the decentralization of viral diagnostics.
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