Лабораторная робототехника

Лабораторная робототехника — это использование роботов в биологических , химических или инженерных лабораториях. Например, фармацевтические компании используют роботов для перемещения биологических или химических образцов с целью синтеза новых химических веществ или проверки фармацевтической ценности существующих химических веществ. [1] [2] Передовую лабораторную робототехнику можно использовать для полной автоматизации научного процесса, как в проекте Robot Scientist . [3]
Лабораторные процессы подходят для роботизированной автоматизации, поскольку процессы состоят из повторяющихся движений (например, захват/установка, добавление жидкости/твердого вещества, нагрев/охлаждение, смешивание, встряхивание и тестирование). Многие лабораторные роботы обычно называются автопробоотборниками , поскольку их основная задача — непрерывное предоставление проб для аналитических устройств.
История
[ редактировать ]Первые компактные роботы-манипуляторы с компьютерным управлением появились в начале 1980-х годов и с тех пор постоянно используются в лабораториях. [4] Эти роботы могут быть запрограммированы на выполнение множества различных задач, включая подготовку и обработку проб.
Тем не менее, в начале 1980-х годов группа под руководством Масахидэ Сасаки из Медицинской школы Кочи представила первую полностью автоматизированную лабораторию, в которой использовались несколько роботизированных манипуляторов, работающих вместе с конвейерными лентами и автоматическими анализаторами. [4] [5] Успех новаторских усилий Сасаки побудил другие группы по всему миру принять подход полной автоматизации лабораторий (TLA).
Несмотря на неоспоримый успех TLA, его многомиллионная стоимость не позволила большинству лабораторий принять его на вооружение. [6] Кроме того, отсутствие связи между различными устройствами замедлило разработку решений автоматизации для различных приложений, одновременно способствуя увеличению 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, поскольку в настоящее время многие лаборатории до сих пор не используют роботов для решения 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 происходит.
Еще одним важным достижением в робототехнике, которое имеет важные потенциальные последствия для лабораторий, является появление роботов, которые не требуют специальной подготовки для программирования, как, например , робот Бакстер .
Приложения
[ редактировать ]Недорогая лабораторная робототехника
[ редактировать ]
Высокая стоимость многих лабораторных роботов препятствует их внедрению. Однако в настоящее время существует множество роботизированных устройств, которые имеют очень низкую стоимость и могут быть использованы для выполнения некоторых работ в лаборатории. Например, недорогой роботизированный манипулятор был использован для выполнения нескольких различных видов анализа воды без потери производительности по сравнению с гораздо более дорогими автопробоотборниками. [10] В качестве альтернативы автосамплер устройства можно использовать с другим устройством. [9] таким образом можно избежать необходимости приобретать другой автосамплер или нанимать технического специалиста для выполнения этой работы. Ключевыми аспектами достижения низкой стоимости лабораторной робототехники являются 1) использование недорогих роботов, которые становятся все более распространенными, и 2) использование сценариев, которые обеспечивают совместимость между роботами и другим аналитическим оборудованием. [11]
Роботизированные операторы мобильных лабораторий и лаборатории с дистанционным управлением
[ редактировать ]В июле 2020 года ученые сообщили о разработке мобильного робота-химика и продемонстрировали, что он может помочь в экспериментальных поисках. По словам ученых, их стратегия заключалась в автоматизации исследователя, а не инструментов, что освобождало время исследователям-людям для творческого мышления, и позволяло идентифицировать смеси фотокатализаторов для производства водорода из воды, которые были в шесть раз более активными, чем первоначальные составы. Модульный робот может управлять лабораторными приборами, работать практически круглосуточно и автономно принимать решения о своих дальнейших действиях в зависимости от результатов экспериментов. [12] [13]
Продолжается разработка «лабораторий с дистанционным управлением», которые автоматически проводят множество экспериментов в области биологических наук в день и которыми можно управлять, в том числе в сотрудничестве, на расстоянии. [14]
Фармацевтическое применение
[ редактировать ]Одной из основных областей применения автоматического синтеза является определение структуры в фармацевтических исследованиях . Такие процессы, как ЯМР и ВЭЖХ - МС, теперь могут осуществляться с помощью роботизированной руки. [15] Кроме того, структурный анализ белков можно проводить автоматически, используя комбинацию ЯМР и рентгеновской кристаллографии . Кристаллизация часто требует от сотен до тысяч экспериментов для создания кристалла белка, подходящего для рентгеновской кристаллографии. [16] Автоматизированная машина для микропипеток позволяет одновременно создавать почти миллион различных кристаллов и анализировать их с помощью рентгеновской кристаллографии.
Проверка воспроизводимости
[ редактировать ]
Диагностическое тестирование на патогены
[ редактировать ]![]() | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( май 2022 г. ) |
Например, существуют роботы, которые используются для анализа мазков пациентов для диагностики COVID-19 . [19] [20] [21] Автоматизированные роботизированные системы обработки жидкостей были созданы или создаются для анализа бокового потока . Это сводит к минимуму время практической работы, увеличивает размер эксперимента и обеспечивает улучшенную воспроизводимость. [22]
Биологическая лаборатория робототехники
[ редактировать ]
Биологические и химические образцы в жидком или твердом состоянии хранятся во флаконах, планшетах или пробирках. Часто их необходимо заморозить и/или запечатать, чтобы избежать загрязнения или сохранить их биологические и/или химические свойства. В частности, в медико-биологической отрасли стандартизирован формат планшетов, известный как микротитровальные планшеты . [23] для хранения таких образцов.
Стандарт микротитровальных планшетов был официально утвержден Обществом биомолекулярного скрининга в 1996 году. [24] Обычно он имеет 96, 384 или даже 1536 ячеек для проб, расположенных в прямоугольной матрице 2:3. Стандарт регулирует размеры лунок (например, диаметр, расстояние и глубину), а также свойства пластины (например, размеры и жесткость).
Ряд компаний разработали роботов для работы с микропланшетами SBS. Такие роботы могут быть устройствами для работы с жидкостями, которые аспирируют или распределяют образцы жидкости из этих пластин и на них, или «двигателями пластин», которые транспортируют их между инструментами.
Другие компании продвинули интеграцию еще дальше: помимо взаимодействия с конкретными расходными материалами, используемыми в биологии, некоторые роботы (Эндрю [25] Эндрю Альянсом, см. рисунок) были разработаны с возможностью взаимодействия с мерными пипетками, используемыми биологами и техническим персоналом. По сути, все ручные операции по обращению с жидкостями могут выполняться автоматически, что позволяет людям тратить свое время на более концептуальные действия.
Компании, производящие приборы, разработали считыватели планшетов , которые могут обнаруживать определенные биологические, химические или физические явления в образцах, хранящихся на этих планшетах. Эти считыватели обычно используют методы оптического и/или компьютерного зрения для оценки содержимого лунок титровального микропланшета.
Одним из первых применений робототехники в биологии стал синтез пептидов и олигонуклеотидов . Одним из первых примеров является полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая позволяет амплифицировать цепи ДНК с помощью термоциклера для микроуправления синтезом ДНК путем регулирования температуры с помощью заранее созданной компьютерной программы. С тех пор автоматизированный синтез был применен к органической химии и расширен до трех категорий: системы реакционных блоков , системы роботов-манипуляторов и нероботизированные жидкостные системы . [26] Основная цель любого автоматизированного рабочего места — высокая производительность процессов и снижение затрат. [27] Это позволяет синтетической лаборатории работать с меньшим количеством людей и более эффективно.
Синтез комбинаторной библиотеки
[ редактировать ]Робототехника находит применение в комбинаторной химии , что оказывает большое влияние на фармацевтическую промышленность. Использование робототехники позволило использовать гораздо меньшие количества реагентов и массово расширить химические библиотеки. Метод «параллельного синтеза» можно усовершенствовать за счет автоматизации. Основным недостатком «параллельного синтеза» является количество времени, необходимое для разработки библиотеки. Обычно применяется автоматизация, чтобы сделать этот процесс более эффективным.
Основные виды автоматизации классифицируются по типу твердофазных подложек, способам добавления и удаления реагентов, конструкции реакционных камер. Полимерные смолы могут быть использованы в качестве подложки для твердофазных соединений. [28] Это не настоящий комбинаторный метод в том смысле, что «разделенная смесь» , когда пептидное соединение разделяется на разные группы и подвергается реакции с разными соединениями. Затем его снова смешивают, разделяют на несколько групп, и каждая группа вступает в реакцию с различным соединением. Вместо этого метод «параллельного синтеза» не смешивает, а взаимодействует разные группы одного и того же пептида с разными соединениями и позволяет идентифицировать индивидуальное соединение на каждой твердой основе. Популярным методом является система реакционных блоков из-за ее относительной дешевизны и более высокого выхода новых соединений по сравнению с другими методами «параллельного синтеза». Параллельный синтез был разработан Марио Гейсеном и его коллегами и не является настоящим типом комбинаторного синтеза, но может быть включен в комбинаторный синтез. [29] Эта группа синтезировала 96 пептидов на пластиковых булавках, покрытых твердой подложкой для твердофазного синтеза пептидов. В этом методе используется прямоугольный блок, перемещаемый роботом, так что реагенты можно дозировать с помощью роботизированной системы пипетирования. Этот блок разделен на лунки, в которых происходят отдельные реакции. Эти соединения позже отделяются от твердой фазы лунки для дальнейшего анализа. Другой метод — закрытая реакторная система, в которой для дозирования используется полностью закрытый реакционный сосуд с рядом фиксированных соединений. Хотя при этом получается меньшее количество соединений, чем при других методах, его основным преимуществом является контроль над реагентами и условиями реакции. Ранние закрытые реакционные системы были разработаны для синтеза пептидов, который требовал изменения температуры и разнообразного набора реагентов. Некоторые роботы с закрытыми реакторными системами имеют температурный диапазон 200°C и более 150 реагентов.
Очистка
[ редактировать ]Имитация дистилляции, метод газовой хроматографии , используемый в нефти, может быть автоматизирована с помощью робототехники. В более старом методе использовалась система под названием ORCA (Оптимизированный робот для химического анализа), которая использовалась для анализа проб нефти методом имитации дистилляции (SIMDIS). ORCA позволил сократить время анализа и снизить максимальную температуру, необходимую для элюирования соединений. [30] Одним из основных преимуществ автоматизации очистки является масштаб, в котором можно проводить разделение. [31] С помощью микропроцессоров ионообменное разделение можно проводить в масштабе нанолитров за короткий период времени.
Робототехника была внедрена в жидкостно-жидкостную экстракцию (ЖЖЭ) для оптимизации процесса подготовки биологических образцов с использованием 96-луночных планшетов. [32] Это альтернативный метод твердофазной экстракции и осаждению белка, который имеет то преимущество, что он более воспроизводим, а роботизированная помощь сделала LLE сопоставимым по скорости с твердофазной экстракцией. Робототехника, используемая для LLE, может выполнить всю экстракцию с количествами в микролитрах и выполнить экстракцию всего за десять минут.
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]Одним из преимуществ автоматизации является более быстрая обработка, но она не обязательно быстрее, чем у человека-оператора. Повторяемость и воспроизводимость улучшаются благодаря автоматизированным системам, поскольку менее вероятно возникновение отклонений в количествах реагентов и менее вероятно наличие отклонений в условиях реакции. Обычно производительность увеличивается, поскольку человеческие ограничения, такие как ограничения по времени, больше не являются фактором. Эффективность обычно повышается, поскольку роботы могут работать непрерывно и сокращать количество реагентов, используемых для проведения реакции. Также происходит сокращение отходов материалов. Автоматизация также может создать более безопасную рабочую среду, поскольку не нужно работать с опасными соединениями. Кроме того, автоматизация позволяет персоналу сосредоточиться на других задачах, которые не являются повторяющимися.
Недостатки
[ редактировать ]Обычно затраты на одиночный синтез или оценку образца являются дорогостоящими в настройке, а начальные затраты на автоматизацию могут быть дорогими (но см. Выше «Недорогая лабораторная робототехника»). Многие методы автоматизации еще не разработаны. Кроме того, существует сложность автоматизации случаев, когда требуется визуальный анализ, распознавание или сравнение, например, изменение цвета. Это также приводит к тому, что анализ ограничивается доступными сенсорными входными данными. Одним из потенциальных недостатков является увеличение нехватки рабочих мест, поскольку автоматизация может заменить сотрудников, выполняющих задачи, которые легко воспроизводит робот. Некоторые системы требуют использования языков программирования, таких как C++ или Visual Basic, для выполнения более сложных задач. [33]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мортимер, Джеймс А.; Херст, В. Джеффри (1987). Лабораторная робототехника: руководство по планированию, программированию и применению . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство VCH. ISBN 978-0-89573-322-1 .
- ^ Уорд, КБ; Пероццо, Массачусетс; Зук, WM (1988). «Автоматическое приготовление кристаллов белка с использованием лабораторной робототехники и автоматизированного визуального контроля». Журнал роста кристаллов . 90 (1–3): 325–339. Бибкод : 1988JCrGr..90..325W . дои : 10.1016/0022-0248(88)90328-4 .
- ^ Кинг, РД ; Уилан, Кентукки; Джонс, FM; Райзер, ПГК; Брайант, Швейцария; Магглтон, SH ; Келл, Д.Б .; Оливер, СГ (2004). «Генерация функциональных геномных гипотез и экспериментирование ученым-роботом» . Природа . 427 (6971): 247–252. Бибкод : 2004Natur.427..247K . дои : 10.1038/nature02236 . ПМИД 14724639 . S2CID 4428725 .
- ^ Перейти обратно: а б Бойд, Джеймс (18 января 2002 г.). «Роботизированная автоматизация лабораторий». Наука . 295 (5554): 517–518. дои : 10.1126/science.295.5554.517 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 11799250 . S2CID 108766687 .
- ^ Фелдер, Робин А. (1 апреля 2006 г.). «Клинический химик: Масахидэ Сасаки, доктор медицинских наук, 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 .
- ^ Перейти обратно: а б Фелдер, Робин А. (1 декабря 1998 г.). «Модульные рабочие места: современные методы автоматизации лабораторий». Клиника Химика Акта . 278 (2): 257–267. дои : 10.1016/S0009-8981(98)00151-X . ПМИД 10023832 .
- ^ Медведь, Хеннинг; Хохштрассер, Ремо; Папенфусс, Бернд (1 апреля 2012 г.). «Базовые стандарты SiLA для быстрой интеграции в автоматизации лабораторий» . Журнал автоматизации лабораторий . 17 (2): 86–95. дои : 10.1177/2211068211424550 . ISSN 2211-0682 . ПМИД 22357556 .
- ^ Пирс, Джошуа М. (1 января 2014 г.). «Введение в аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом для науки». Глава 1. Введение в аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом для науки . Бостон: Эльзевир. стр. 1–11. дои : 10.1016/b978-0-12-410462-4.00001-9 . ISBN 9780124104624 .
- ^ Перейти обратно: а б Карвалью, Матеус К. (01 августа 2013 г.). «Интеграция аналитических инструментов с компьютерными сценариями» . Журнал автоматизации лабораторий . 18 (4): 328–333. дои : 10.1177/2211068213476288 . ISSN 2211-0682 . ПМИД 23413273 .
- ^ Карвалью, Матеус К.; Эйр, Брэдли Д. (1 декабря 2013 г.). «Недорогой, простой в сборке, портативный и универсальный автопробоотборник для жидкостей». Методы океанографии . 8 : 23–32. дои : 10.1016/j.mio.2014.06.001 .
- ^ Карвальо, Матеус (2017). Практическая автоматизация лабораторий: стало проще с AutoIt . Вайли ВЧ.
- ^ «Исследователи создают робота-ученого, который уже открыл новый катализатор» . физ.орг . Проверено 16 августа 2020 г. .
- ^ Бургер, Бенджамин; Маффеттоне, Филипп М.; Гусев Владимир Владимирович; Эйчисон, Кэтрин М.; Бай, Ян; Ван, Сяоянь; Ли, Сяобо; Олстон, Бен М.; Ли, Буйи; Клоуз, Роб; Рэнкин, Никола; Харрис, Брэндон; Сприк, Райнер Себастьян; Купер, Эндрю И. (июль 2020 г.). «Мобильный робот-химик» (PDF) . Природа . 583 (7815): 237–241. Бибкод : 2020Natur.583..237B . дои : 10.1038/s41586-020-2442-2 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 32641813 . S2CID 256820162 . Проверено 16 августа 2020 г. .
- ^ «Роботы готовятся к перемещению по клиническим лабораториям | AACC.org» . www.aacc.org . Проверено 25 мая 2022 г.
- ^ Гэри А. Маккласки, Брайан Тобиас. «Автоматизация структурного анализа в фармацевтических исследованиях и разработках». Журнал управления информационными системами (1996).
- ^ Хайнеманн, Удо, Герд Иллинг и Хартмут Ошкинат. «Высокопроизводительное определение трехмерной структуры белка». Текущее мнение в области биотехнологии 12.4 (2001): 348-54.
- ^ Кембриджский университет (апрель 2022 г.). « Робот-ученый Ева обнаружила, что менее трети научных результатов воспроизводимы» . Техэксплор . Проверено 15 мая 2022 г.
- ^ Ропер К., Абдель-Рехим А., Хаббард С., Карпентер М., Ржецкий А., Солдатова Л., Кинг Р.Д. (апрель 2022 г.). «Проверка воспроизводимости и надежности литературы по биологии рака с помощью робота» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 19 (189): 20210821. doi : 10.1098/rsif.2021.0821 . ПМЦ 8984295 . ПМИД 35382578 .
- ^ Сандерс, Роберт (30 марта 2020 г.). «Ученые Калифорнийского университета в Беркли создают роботизированную лабораторию по тестированию на COVID-19» . Новости Беркли . Проверено 25 мая 2022 г.
- ^ «Робот автоматизирует тестирование на COVID-19» . health-in-europe.com . Проверено 25 мая 2022 г.
- ^ «CDC B-Roll | Центр новостей CDC Online | CDC» . www.cdc.gov . 30 марта 2022 г. Проверено 25 мая 2022 г.
В этом обзоре изображена лабораторная работа, связанная с серологическим тестированием. Этот лабораторный робот выполняет все этапы теста на антитела к SARS-CoV-2, от загрузки образцов до обнаружения антител, за один рабочий процесс и может тестировать более 3600 образцов в день. Ученый в области общественного здравоохранения может вручную проверять около 400 образцов в день. Использование автоматизированных лабораторных роботов улучшит возможности тестирования на антитела, что приведет к получению большего количества данных, которые помогут отслеживать пандемию COVID-19 и реагировать на нее.
- ^ Андерсон, Кейтлин Э.; Хюинь, Тоан; Гасперино, Дэвид Дж.; Алонсо, Луис Ф.; Кантера, Джейсон Л.; Харстон, Стивен П.; Се, Хелен В.; Марзан, Розмишель; Макгуайр, Шон К.; Уиллифорд, Джон Р.; Ончина, Сиела И.; Глухова Вероника А.; Епископ Джошуа Д.; Кейт, Дэвид М.; Грант, Бенджамин Д.; Николс, Кевин П.; Вейгль, Бернхард Х. (1 марта 2022 г.). «Автоматизированный робот для обработки жидкостей для разработки быстрого анализа бокового потока» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 414 (8): 2607–2618. дои : 10.1007/s00216-022-03897-9 . ISSN 1618-2650 . ПМЦ 8799445 . ПМИД 35091761 .
- ^ Барсум, Исландия; Авад, AY (1972). «Микротитровальный тест-агглютинация на антитела к сальмонелле» . Прикладная микробиология . 23 (2): 425–426. дои : 10.1128/АЕМ.23.2.425-426.1972 . ПМЦ 380357 . ПМИД 5017681 .
- ^ «Стандартизация микропланшетов, отчет 3»представлено Т. Астлом Журналом биомолекулярного скрининга (1996). Том. 1 № 4, стр. 163-168.
- ^ использование пипеток без помощи рук , октябрь 2012 г. , дата обращения 30 сентября 2012 г.
- ^ Николас В. Хирд «Открытие наркотиков сегодня» , том 4, выпуск 6, стр.265-274 (1999) [1]
- ^ Дэвид Корк, Тору Сугавара. Автоматизация лабораторий в химической промышленности. ЦРК Пресс, 2002.
- ^ Хардин, Дж.; Смитана Ф. Автоматизация комбинаторной химии: введение в настольные роботизированные системы. Мол Дайверс 1996, 1 (4), 270–274.
- ^ HM Geysen, RH Meloen, SJ Barteling Proc. Натл. акад. наук. США 1984, 81, 3998.
- ^ Уильям Ф. Берри, VG, Автоматизированная имитация дистилляции с использованием шарнирно-сочлененной лабораторной роботизированной системы. Журнал автоматической химии 1994, 16 (6), 205–209.
- ^ Пейгель, Брайан М., Стефани Х.И. Юнг и Ричард А. Мэтис. «Микрочип-биопроцессор для комплексной очистки нанообъемных образцов и секвенирования ДНК». Аналитическая химия 74.19 (2002): 5092-98.
- ^ Пэн, SX; Филиал, ТМ; 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.
- ^ Каргилл, Дж. Ф.; Лебл М. Новые методы в комбинаторной химии — робототехника и параллельный синтез. Текущее мнение по химической биологии 1997, 1 (1), 67-71.