Tests de laboratoire automatisés avec des robots

Un robot spécialement conçu pour l'automatisation de laboratoire est le robot à double bras Motoman CSDA10F de Yaskawa. (Source : Yaskawa)

Un robot spécialement conçu pour l'automatisation en laboratoire est le robot à double bras Motoman CSDA10F de Yaskawa. (Source : Yaskawa)

Pour l'automatisation partielle des tâches de manutention, un robot collaboratif est nécessaire. Il peut être utilisé en contact direct avec l'humain. (Source : Yaskawa)

Pour l'automatisation partielle des tâches de manutention, un robot collaboratif est nécessaire. Il peut être utilisé en contact direct avec l'humain. (Source : Yaskawa)

Dans un projet de développement en cours, une douzaine de processus pour la production entièrement automatique de nanoparticules sont en cours d'exécution avec le CSDA10F. (Source : Goldfuß Engineering GmbH)

Dans un projet de développement en cours, une douzaine de processus pour la production entièrement automatique de nanoparticules sont en cours d'exécution avec le CSDA10F. (Source : Goldfuß Engineering GmbH)

Les robots peuvent accomplir de nombreuses tâches en laboratoire et accélérer les processus. (Source : Yaskawa)

La situation actuelle montre : le secteur de la santé atteint rapidement ses limites lorsque la capacité des laboratoires fait défaut, ou lorsque les installations de test existantes ne sont pas suffisamment flexibles pour différentes variantes de tests ou de nouveaux procédés de test modifiés. Dans cette situation, les robots de laboratoire offrent une alternative précieuse à la réalisation manuelle des tests.

Dans l'industrie, les robots sont établis depuis longtemps. Mais l'automatisation fait également son entrée dans les environnements de laboratoire. Dans la recherche et le développement (pharmacie, chimie, sciences de la vie et médecine nucléaire et bio-médicale), l'analytique sanguine ou la fabrication cosmétique personnalisée, on mise depuis plusieurs années déjà sur des solutions robotiques, aussi flexibles et universelles qu'elles peuvent être adaptées pour des tests d'infection cliniques. Outre la décharge du personnel de laboratoire, le robot offre une excellente stabilité et qualité de processus récurrents.

Lorsqu'il s'agit d'automatiser un processus de laboratoire par robot, deux possibilités fondamentales s'offrent :

a) La semi-automatisation, où le robot effectue des tâches répétitives manipulatoires du personnel de laboratoire, apportant ainsi un soulagement. Le robot prend en charge les tâches de manipulation, tandis que la gestion du processus reste assurée par le personnel ou par l'automate d'analyse.
b) L'automatisation complète du processus de test, y compris la préparation des échantillons, la pipetage, la réalisation du test, y compris la manipulation de tous les appareils d'analyse par le robot. Le robot prend en charge la gestion du processus et les tâches de manipulation. Ici, on cherche à construire des cellules de travail standard aussi universelles que possible, avec un robot à deux bras comme élément central, que l'on peut reconfigurer et reprogrammer de manière flexible pour s'adapter à différents équipements de laboratoire. Une telle solution peut exécuter de manière autonome 24 heures sur 24 des processus de laboratoire avec la plus haute précision et répétabilité.

Quelle rapidité pour déployer des solutions d'automatisation robotisées ?

Dans le cas d'une semi-automatisation, c'est-à-dire lorsque le robot doit être adapté pour des tâches de manipulation, cela peut être réalisé très rapidement avec des robots collaboratifs. La conception et la réinstallation d'une cellule robotisée entièrement automatisée prennent en revanche plusieurs mois. Cependant, une fois qu'une telle cellule robotisée standard est installée, que les appareils de laboratoire et d'analyse concernés sont intégrés autour du robot, et qu'une bibliothèque de mouvements a été constituée, « alors ces cellules peuvent être rapidement et facilement reprogrammées pour de nouvelles tâches », explique Thomas Goldfuss, directeur général de Goldfuss Engineering, qui a déjà mis en œuvre plusieurs cellules de laboratoire avec des robots Yaskawa pour des clients renommés.

La solution rapide : semi-automatisation des tâches de manipulation avec un robot collaboratif

Pour une décharge à court terme du personnel de laboratoire, une semi-automatisation des tâches de manipulation sur des stations de test manuelles existantes peut aider. Le robot reprend des mouvements récurrents, soulageant ainsi le personnel qualifié. Pour cela, un robot collaboratif est adapté, pouvant être utilisé en contact direct avec l'humain et sans barrière de protection.

Un tel robot est le Motoman HC10DT compatible MRK de Yaskawa. Pour une utilisation en laboratoire, deux variantes du robot à 6 axes sont particulièrement adaptées : le HC10DT IP67, qui est à la fois étanche à la poussière et à l'eau, et le HC10DTF, conçu pour l'hygiène, dont les lubrifiants et graisses de transmission ont une homologation alimentaire.

Avec la méthode Direct Teach (DT), on guide simplement le bras du robot d'un point à un autre dans une séquence de mouvement. À l'aide de boutons préprogrammés sur le robot, on détermine si un préhenseur doit s'ouvrir ou se fermer à une position donnée. Cette séquence de mouvement est enregistrée dans une bibliothèque, et le robot peut répéter cette séquence autant de fois que nécessaire. Même un opérateur sans expertise en programmation robotique peut le faire.

La station de travail robotisée entièrement automatisée – avec le robot à deux bras CSDA10F

Un robot spécialement conçu pour l'automatisation de laboratoire est le robot à deux bras Motoman CSDA10F de Yaskawa. Avec sa stature humanoïde et ses deux bras capables d'effectuer des mouvements à la fois individuels et synchronisés, il est extrêmement polyvalent grâce à ses outils multifonctionnels et ses préhenseurs. Il fonctionne avec presque tous les équipements de laboratoire standard existants et peut manipuler des dispositifs courants tels que boîtes de Pétri, pipetteurs manuels, incubateurs ou flacons de réaction. Des équipements adaptés à l'automatisation, comme des pipetteurs avec des pointes coûteuses ou des stations de microplaques, peuvent améliorer le débit, mais ne sont pas indispensables.

Les appareils d'analyse existants, ainsi que leur interface logicielle, sont repris tels quels, même s'ils ne sont pas optimisés pour une automatisation classique. Par exemple, des systèmes coûteux de manipulation de liquides – avec leur consommable onéreux – ne sont pas forcément nécessaires, car le robot peut prendre en charge cette tâche directement. Dans sa station de travail, le robot peut réaliser une multitude de tâches jusqu'ici réservées à l'humain, comme ouvrir et fermer des récipients de réaction (pas forcément des microplaques), pipeter, doser des liquides ou poudres, préparer des solutions nutritives avec des spatules, insérer ou retirer des échantillons, ouvrir, remplir et fermer des récipients, ou encore manipuler des appareils comme centrifugeuses, agitateurs ou incubateurs. Le CSDA10F est idéal pour des processus de test complexes et standardisés selon des protocoles, initialement conçus pour un traitement manuel. Il constitue également une solution intéressante pour le développement de procédés, par exemple pour définir, sécuriser et optimiser des étapes de processus avant d'augmenter la capacité de production ultérieurement. Dans des installations plus grandes, il est déjà utilisé au Japon dans la synthèse biomédicale (développement de médicaments contre le cancer) et en analyse chimique (préparation d'échantillons).
Le CSDA10F repose sur un robot qui a déjà fait ses preuves dans l'automatisation industrielle. Dans cette nouvelle version, il a été spécialement conçu pour répondre aux exigences d'hygiène en laboratoire, notamment par une peinture particulièrement résistante aux substances, un design hygiénique lavable, une stérilisation à H2O2 et une compatibilité avec les salles blanches selon ISO 14644-1.

La gamme d'applications de ce robot innovant est très large grâce à sa grande flexibilité – il peut apprendre rapidement et facilement de nouveaux processus de travail. De nombreux mouvements caractéristiques (pipetage, ouverture/fermeture de « Eppi », manipulation de microplaques, ouverture/fermeture d'incubateurs, ouverture/fermeture de bouchons de bouteilles) ont déjà été standardisés et intégrés sous forme de modules dans une bibliothèque de mouvements. L'interface homme/robot, pour la commande et la visualisation, peut être réalisée via un PC ou un panneau tactile. L'interface homme-machine (HMI) peut être personnalisée ou connectée à un logiciel de planification de flux de travail existant (par ex. SAMI-EX de Beckman Coulter). Une fois que les programmes de mouvement sont enregistrés dans la bibliothèque, l'opérateur n'a pas besoin d'être un expert en robotique ; il compose et paramètre simplement les étapes du processus souhaité.

Conclusion

Jusqu'à présent, l'automatisation classique en laboratoire était souvent considérée comme trop peu flexible et trop encombrante. Mais aujourd'hui, des modèles de robots faciles à utiliser sont disponibles, capables d'effectuer une grande variété de tâches en laboratoire. Ils peuvent prendre en charge des travaux qui seraient trop dangereux ou trop monotones pour l'humain. En effet, l'utilisation de robots garantit, même lors du traitement d'un grand nombre d'échantillons, une reproductibilité précise des résultats. L'automatisation de laboratoire permet non seulement d'économiser du temps et des coûts, surtout à haut débit, mais grâce à une précision inégalée, elle crée de nouvelles conditions pour la recherche sur des substances de départ, dont la production n'était jusqu'ici pas suffisamment sûre ou reproductible.