Лабораторная робототехника - Laboratory robotics

Лабораторные роботы делают химический анализ кислотного разложения.

Лабораторная робототехника это акт использования роботы в биология или же химия лаборатории. Например, фармацевтические компании используют роботов для перемещения биологических или химических образцов, чтобы синтезировать новые химические соединения или проверить фармацевтическую ценность существующих химических веществ.[1][2] Передовая лабораторная робототехника может использоваться для полной автоматизации научного процесса, как в Робот-ученый проект.[3]

Лабораторные процессы подходят для роботизированной автоматизации, поскольку процессы состоят из повторяющихся движений (например, захват / место, добавление жидкости и твердого вещества, нагрев / охлаждение, смешивание, встряхивание, тестирование). Многие лабораторные роботы обычно называют автосэмплеры, так как их основная задача - предоставление непрерывных проб для аналитических приборов.

История

Первые компактные роботизированные манипуляторы с компьютерным управлением появились в начале 1980-х годов и с тех пор непрерывно используются в лабораториях.[4] Эти роботы могут быть запрограммированы для выполнения множества различных задач, включая подготовку и обработку образцов.

Однако в начале 1980-х группа во главе с Доктор Масахиде Сасаки из Медицинской школы Коччи представила первую полностью автоматизированную лабораторию, в которой используются несколько роботизированных манипуляторов, работающих вместе с конвейерными лентами и автоматическими анализаторами.[4][5] Успех новаторских усилий доктора Сасаки побудил другие группы по всему миру принять подход тотальной лабораторной автоматизации (TLA).

Несмотря на неоспоримый успех TLA, его многомиллионная стоимость помешала большинству лабораторий принять его.[6] Кроме того, отсутствие связи между различными устройствами замедлило разработку решений автоматизации для различных приложений, в то же время способствуя сохранению высоких затрат. Поэтому отрасль несколько раз пыталась разработать стандарты, которым будут следовать разные поставщики, чтобы обеспечить связь между своими устройствами.[6][7] Однако успех этого подхода был лишь частичным, так как в настоящее время многие лаборатории все еще не используют роботов для выполнения многих задач из-за их высокой стоимости.

Недавно стало доступно другое решение проблемы, позволяющее использовать недорогие устройства, в том числе оборудование с открытым исходным кодом,[8] выполнять множество различных задач в лаборатории. Это решение заключается в использовании языков сценариев, которые могут управлять щелчками мыши и вводом с клавиатуры, например AutoIt.[9] Таким образом, можно интегрировать любое устройство любого производителя, если оно управляется компьютером, что часто и бывает.

Еще одно важное событие в робототехнике, которое имеет важные потенциальные последствия для лабораторий, - это появление роботов, которые не требуют специальной подготовки для программирования, например Бакстер, робот.

Приложения

Недорогая лабораторная робототехника

Недорогая роботизированная рука, используемая в качестве автосэмплера.
Недорогая роботизированная рука, используемая в качестве автосэмплера.

Высокая стоимость многих лабораторных роботов помешала их внедрению. Однако в настоящее время существует множество роботизированных устройств, которые имеют очень низкую стоимость, и их можно использовать для выполнения некоторых работ в лаборатории. Например, недорогой роботизированный манипулятор использовался для выполнения нескольких различных видов анализа воды без потери производительности по сравнению с гораздо более дорогими автосэмплерами.[10] В качестве альтернативы автосамплер одного устройства можно использовать с другим устройством,[9] таким образом избегая необходимости покупать другой автосамплер или нанимать специалиста для выполнения этой работы. Ключевыми аспектами достижения низкой стоимости в лабораторной робототехнике являются 1) использование дешевых роботов, которые становятся все более распространенными, и 2) использование сценариев, которые обеспечивают совместимость между роботами и другим аналитическим оборудованием.[11]

Операторы роботизированных и мобильных лабораторий

В июле 2020 года ученые сообщили о разработке мобильного робота-химика и продемонстрировали, что он может помочь в экспериментальных поисках. По мнению ученых, их стратегия была автоматизация исследователь, а не инструменты - высвобождая время для творческого мышления исследователей - и мог определять смеси фотокатализаторов для производства водорода из воды, которые были в шесть раз более активными, чем исходные составы. Модульный робот может управлять лабораторными приборами, работать почти круглосуточно и автономно принимать решения о своих дальнейших действиях в зависимости от результатов экспериментов.[12][13]

Биологическая лабораторная робототехника

Пример пипеток и микропланшетов, которыми манипулирует антропоморфный робот (Эндрю Альянс)

Биологические и химические образцы в жидком или твердом состоянии хранятся во флаконах, пластинах или пробирках. Часто их необходимо заморозить и / или запечатать, чтобы избежать загрязнения или сохранить свои биологические и / или химические свойства. В частности, медико-биологическая отрасль стандартизировала формат пластин, известный как микротитровальный планшет,[14] хранить такие образцы.

Стандарт микротитрационного планшета был формализован Обществом биомолекулярного скрининга в 1996 году.[15] Обычно он имеет 96, 384 или даже 1536 лунок для образцов, расположенных в прямоугольной матрице 2: 3. Стандарт регулирует размеры лунок (например, диаметр, расстояние и глубину), а также свойства планшета (например, размеры и жесткость).

Ряд компаний разработали роботов специально для работы с микропланшетами SBS. Такие роботы могут быть манипуляторами с жидкостями, которые забирают или распределяют жидкие пробы с этих тарелок или на них, или «движителями тарелок», которые перемещают их между инструментами.

Другие компании продвинули интеграцию еще дальше: помимо взаимодействия с конкретными расходными материалами, используемыми в биологии, некоторые роботы (Эндрю[16] by Andrew Alliance, см. рисунок) были разработаны с возможностью подключения к мерным пипеткам, используемым биологами и техническим персоналом. По сути, все ручные операции с жидкостями могут выполняться автоматически, что позволяет людям тратить свое время на более концептуальные действия.

Инструментальные компании разработали планшеты которые могут обнаруживать конкретные биологические, химические или физические явления в образцах, хранящихся в этих планшетах. Эти считыватели обычно используют оптические и / или компьютерное зрение методы оценки содержимого лунок микротитровального планшета.

Одним из первых приложений робототехники в биологии было пептид и синтез олигонуклеотидов. Одним из первых примеров является полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая способна амплифицировать цепи ДНК с помощью термоциклер для микроменеджмента синтеза ДНК, регулируя температуру с помощью предварительно созданной компьютерной программы. С тех пор автоматизированный синтез стал применяться в органической химии и разделен на три категории: системы реактивного блока, системы роботов-манипуляторов, и не роботизированные гидравлические системы.[17] Основная цель любого автоматизированного рабочего места - высокая производительность процессов и снижение затрат.[18] Это позволяет синтетической лаборатории работать с меньшим количеством людей, работающих более эффективно.

Фармацевтическое применение

Одна из основных областей применения автоматизированного синтеза - определение структуры в фармацевтические исследования. Такие процессы как ЯМР и ВЭЖХ -РС теперь можно приготовить образцы с помощью манипулятора.[19] Кроме того, структурный анализ белков может выполняться автоматически с использованием комбинации ЯМР и Рентгеновская кристаллография. Кристаллизация часто требуется от сотен до тысяч экспериментов, чтобы создать кристалл белка, пригодный для рентгеновской кристаллографии.[20] Автоматическая микропипеточная машина позволяет одновременно создавать почти миллион различных кристаллов и анализировать их с помощью рентгеновской кристаллографии.

Комбинаторный синтез библиотеки

У робототехники есть приложения с Комбинаторная химия что оказывает большое влияние на фармацевтический промышленность. Использование робототехники позволило использовать гораздо меньшие количества реагентов и массовое расширение химических библиотек. Метод «параллельного синтеза» можно усовершенствовать за счет автоматизации. Основным недостатком «параллельного синтеза» является количество времени, необходимое для разработки библиотеки, автоматизация обычно применяется, чтобы сделать этот процесс более эффективным.

Основные виды автоматизации классифицируются по типу твердофазных подложек, способам добавления и удаления реагентов и конструкции реакционных камер. Полимерные смолы могут использоваться в качестве субстрата для твердой фазы.[21] Это не настоящий комбинаторный метод в том смысле, что «сплит-микс», где пептидное соединение разделяется на разные группы и реагирует с разными соединениями. Затем его снова смешивают, разбивают на несколько групп, и каждая группа реагирует с другим соединением. Вместо этого метод «параллельного синтеза» не смешивает, а реагирует на разные группы одного и того же пептида с разными соединениями и позволяет идентифицировать индивидуальное соединение на каждой твердой подложке. Популярным применяемым методом является система реакционных блоков из-за ее относительно низкой стоимости и более высокого выхода новых соединений по сравнению с другими методами «параллельного синтеза». Параллельный синтез был разработан Марио Гейзеном и его коллегами и не является истинным типом комбинаторного синтеза, но может быть включен в комбинаторный синтез.[22] Эта группа синтезировала 96 пептидов на пластиковых штырях, покрытых твердой подложкой для твердофазного синтеза пептидов. В этом методе используется прямоугольный блок, перемещаемый роботом, чтобы реагенты можно было дозировать с помощью роботизированной системы дозирования. Этот блок разделен на лунки, в которых происходят индивидуальные реакции. Эти соединения позже отделяются от твердой фазы лунки для дальнейшего анализа. Другой метод - это закрытая реакторная система, в которой для дозирования используется полностью закрытый реакционный сосуд с рядом фиксированных соединений. Хотя он производит меньшее количество соединений, чем другие методы, его основным преимуществом является контроль над реагентами и условиями реакции. Ранние закрытые реакционные системы были разработаны для пептидного синтеза, который требовал изменения температуры и разнообразного набора реагентов. Некоторые роботы закрытых реакторных систем имеют температурный диапазон 200 ° C и имеют более 150 реагентов.

Очищение

Имитационная перегонка, вид газовая хроматография Метод испытаний, используемый в нефтяной отрасли, может быть автоматизирован с помощью робототехники. В более старом методе использовалась система ORCA (Оптимизированный робот для химического анализа), которая использовалась для анализа проб нефти путем имитации дистилляции (SIMDIS). ORCA позволил сократить время анализа и снизить максимальную температуру, необходимую для элюирования соединений.[23] Одним из основных преимуществ автоматизации очистки является масштаб, в котором может быть выполнено разделение.[24] Используя микропроцессоры, ионообменное разделение можно проводить в нанолитровом масштабе за короткий период времени.

Робототехника была внедрена в жидкостно-жидкостную экстракцию (ЖЖВ), чтобы упростить процесс подготовки биологических образцов с использованием 96-луночных планшетов.[25] Это альтернативный метод твердофазной экстракции и осаждению белка, преимущество которого состоит в том, что он более воспроизводим, а роботизированная помощь сделала LLE сопоставимой по скорости с твердофазной экстракцией. Робототехника, используемая для LLE, может выполнять всю экстракцию с количествами в микролитровом масштабе и выполнять экстракцию всего за десять минут.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Одним из преимуществ автоматизации является более быстрая обработка, но она не обязательно быстрее, чем человек-оператор. Повторяемость и воспроизводимость улучшаются по мере того, как автоматизированные системы имеют меньшую вероятность отклонений в количествах реагентов и меньшую вероятность отклонений в условиях реакции. Обычно производительность увеличивается, поскольку человеческие ограничения, такие как временные ограничения, больше не являются фактором. Эффективность обычно повышается, поскольку роботы могут работать непрерывно и уменьшать количество реагентов, используемых для проведения реакции. Также снижается количество отходов материала. Автоматизация также может создать более безопасную рабочую среду, так как опасные соединения не нужно обрабатывать. Кроме того, автоматизация позволяет персоналу сосредоточиться на других задачах, которые не повторяются.

Недостатки

Обычно стоимость одного синтеза или оценки образца требует больших затрат на установку, а начальные затраты на автоматизацию могут быть высокими (но см. Выше «Недорогая лабораторная робототехника»). Многие методы автоматизации еще не разработаны. Кроме того, возникают трудности с автоматизацией случаев, когда требуется визуальный анализ, распознавание или сравнение, например изменение цвета. Это также приводит к ограничению анализа доступными сенсорными входами. Одним из потенциальных недостатков является увеличение нехватки рабочих мест, поскольку автоматизация может заменить сотрудников, которые выполняют задачи, которые легко копируются роботом. Некоторые системы требуют использования таких языков программирования, как C ++ или же Visual Basic для выполнения более сложных задач.[26]

Рекомендации

  1. ^ Мортимер, Джеймс А .; Херст, У. Джеффри (1987). Лабораторная робототехника: руководство по планированию, программированию и применению. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство VCH. ISBN  978-0-89573-322-1.
  2. ^ Ward, K. B .; Perozzo, M. A .; Зук, В. М. (1988). «Автоматическая подготовка кристаллов белка с использованием лабораторной робототехники и автоматизированного визуального контроля». Журнал роста кристаллов. 90 (1–3): 325–339. Bibcode:1988JCrGr..90..325W. Дои:10.1016/0022-0248(88)90328-4.
  3. ^ Кинг, Р. Д.; Уилан, К. Э .; Джонс, Ф. М .; Рейзер, П. Г. К .; Bryant, C.H .; Магглетон, С.; Келл, Д. Б.; Оливер, С.Г. (2004). «Создание функциональной геномной гипотезы и экспериментирование ученым-роботом». Природа. 427 (6971): 247–252. Bibcode:2004Натура 427..247K. Дои:10.1038 / природа02236. PMID  14724639.
  4. ^ а б Бойд, Джеймс (18 января 2002). «Автоматизация роботизированных лабораторий». Наука. 295 (5554): 517–518. Дои:10.1126 / science.295.5554.517. ISSN  0036-8075. PMID  11799250.
  5. ^ Фелдер, Робин А. (01.04.2006). «Клинический химик: Масахиде Сасаки, доктор медицины, доктор философии (27 августа 1933 г. - 23 сентября 2005 г.)». Клиническая химия. 52 (4): 791–792. Дои:10.1373 / Clinchem.2006.067686. ISSN  0009-9147.
  6. ^ а б Фелдер, Робин А. (1998-12-01). «Модульные рабочие места: современные методы автоматизации лабораторий». Clinica Chimica Acta. 278 (2): 257–267. Дои:10.1016 / S0009-8981 (98) 00151-X. PMID  10023832.
  7. ^ Бэр, Хеннинг; Хохштрассер, Ремо; Папенфус, Бернд (01.04.2012). «Основные стандарты SiLA для быстрой интеграции в лабораторную автоматизацию». Журнал автоматизации лабораторий. 17 (2): 86–95. Дои:10.1177/2211068211424550. ISSN  2211-0682. PMID  22357556.
  8. ^ Пирс, Джошуа М. (01.01.2014). «Введение в оборудование с открытым исходным кодом для науки». Глава 1 - Введение в оборудование с открытым исходным кодом для науки. Бостон: Эльзевир. С. 1–11. Дои:10.1016 / b978-0-12-410462-4.00001-9. ISBN  9780124104624.
  9. ^ а б Карвалью, Матеус К. (1 августа 2013 г.). «Интеграция аналитических приборов с компьютерным скриптингом». Журнал автоматизации лабораторий. 18 (4): 328–333. Дои:10.1177/2211068213476288. ISSN  2211-0682. PMID  23413273.
  10. ^ Carvalho, Matheus C .; Эйр, Брэдли Д. (01.12.2013). «Недорогой, простой в сборке, портативный и универсальный автосамплер для жидкостей». Методы океанографии. 8: 23–32. Дои:10.1016 / j.mio.2014.06.001.
  11. ^ Карвалью, Матеус (2017). Практическая автоматизация лаборатории: стало проще с AutoIt. Wiley VCH.
  12. ^ «Исследователи создают робота-ученого, который уже открыл новый катализатор». Phys.org. Получено 16 августа 2020.
  13. ^ Бургер, Бенджамин; Maffettone, Phillip M .; Гусев Владимир В .; Aitchison, Catherine M .; Бай, Ян; Ван, Сяоянь; Ли, Сяобо; Олстон, Бен М .; Ли, Буй; Клоуз, Роб; Ранкин, Никола; Харрис, Брэндон; Сприк, Райнер Себастьян; Купер, Эндрю И. (июль 2020 г.). «Мобильный робот-химик». Природа. 583 (7815): 237–241. Дои:10.1038 / с41586-020-2442-2. ISSN  1476-4687. Получено 16 августа 2020.
  14. ^ Barsoum, I. S .; Авад, А. Ю. (1972). «Тест агглютинации микротитрационного планшета на антитела к сальмонелле». Прикладная микробиология. 23 (2): 425–426. Дои:10.1128 / AEM.23.2.425-426.1972. ЧВК  380357. PMID  5017681.
  15. ^ «Стандартизация микропланшетов, отчет 3», представленный T. Astle Journal of Biomolecular Screening (1996). Vol. 1 No. 4, pp 163-168.
  16. ^ использование пипеток без помощи рук, Октябрь 2012 г., получено 30 сентября, 2012
  17. ^ Николас Вирд Открытие наркотиков сегодня, Том 4, Выпуск 6, стр.265-274 (1999) [1]
  18. ^ Дэвид Корк, Тору Сугавара. Лабораторная автоматизация в химической промышленности. CRC Press, 2002.
  19. ^ Гэри А. МакКласки, Брайан Тобиас. «Автоматизация структурного анализа в фармацевтических исследованиях и разработках». Журнал управления информационными системами (1996).
  20. ^ Хайнеманн, Удо, Герд Иллинг и Хартмут Ошкинат. «Высокопроизводительное определение трехмерной структуры белка». Текущее мнение в области биотехнологии 12.4 (2001): 348-54.
  21. ^ Hardin, J .; Смиетана Ф., Автоматизация комбинаторной химии: учебник по настольным робототехническим системам. Мол Диверс 1996, 1 ​​(4), 270-274.
  22. ^ Х. М. Гейзен, Р. Х. Мелоен, С. Дж. Бартелинг Proc. Natl. Акад. Sci. США 1984, 81, 3998.
  23. ^ Уильям Ф. Берри, В. Г., Автоматизированная имитация дистилляции с использованием шарнирной лабораторной роботизированной системы. Журнал автоматической химии 1994, 16 (6), 205-209.
  24. ^ Пегель, Брайан М., Стефани Х. И. Йунг и Ричард А. Мэтис. «Микрочип биопроцессор для интегрированной очистки нановобъемных образцов и секвенирования ДНК». Аналитическая химия 74.19 (2002): 5092-98.
  25. ^ Peng, S. X .; Филиал, Т. М .; Кинг, С. Л., Полностью автоматизированная 96-луночная жидкостно-жидкостная экстракция для анализа биологических образцов методом жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией. Аналитическая химия 2000, 73 (3), 708-714.
  26. ^ Cargill, J. F .; Лебль М. Новые методы комбинаторной химии - робототехника и параллельный синтез. Current Opinion in Chemical Biology 1997, 1 (1), 67-71.