Test di laboratorio automatizzati con robot

Un robot appositamente sviluppato per l'automazione di laboratorio è il robot dual-arm Motoman CSDA10F di Yaskawa. (Fonte: Yaskawa)

Un robot appositamente sviluppato per l'automazione di laboratorio è il robot dual-arm Motoman CSDA10F di Yaskawa. (Fonte: Yaskawa)

Per l'automazione parziale delle operazioni di movimentazione è necessario un robot collaborativo che possa essere impiegato a contatto diretto con l'uomo. (Fonte: Yaskawa) / A collaborative robot is required for partial automation of handling tasks. It can be used in direct contact with humans. (Source: Yaskawa)

Per l'automazione parziale delle operazioni di movimentazione è necessario un robot collaborativo che possa essere impiegato in contatto diretto con l'uomo. (Fonte: Yaskawa)

In un progetto di sviluppo attuale, con il CSDA10F vengono eseguiti circa una dozzina di processi in successione per la produzione completamente automatica di nanoparticelle. (Fonte: Goldfuss Engineering GmbH)

In un progetto di sviluppo attuale, con il CSDA10F vengono eseguiti circa una dozzina di processi in sequenza per la produzione completamente automatica di nanoparticelle. (Fonte: Goldfuss Engineering GmbH)

I robot possono svolgere molte mansioni in laboratorio e accelerare i processi. (Fonte: Yaskawa)

La situazione attuale mostra: il settore sanitario si scontra rapidamente con i propri limiti, quando manca la capacità di laboratorio o quando le installazioni di test esistenti non sono abbastanza flessibili da essere adattate a varianti di test o a nuovi metodi di test modificati. In questa situazione, i robot da laboratorio offrono un'alternativa preziosa all'esecuzione manuale dei test.

Nel settore industriale, i robot sono già da tempo consolidati. Tuttavia, anche negli ambienti di laboratorio si sta introducendo l'automazione. Nella ricerca e sviluppo (farmaceutica, chimica, scienze della vita e biomedicina e medicina nucleare), nell'analisi del sangue o nella produzione di cosmetici personalizzati, si fa già da alcuni anni affidamento con successo su soluzioni robotiche, che sono così flessibili e universali da essere adatte anche per test clinici di infezione. Oltre a alleggerire il personale di laboratorio, il robot garantisce un'eccellente stabilità e qualità dei processi ricorrenti e ripetibili.

Per l'automazione robotizzata di un processo di laboratorio, si possono fondamentalmente considerare due possibilità:

a) La semi-automazione, in cui il robot esegue attività di manipolazione ripetitive del personale di laboratorio, offrendo così un sollievo. Il robot si occupa delle operazioni di manipolazione, mentre la gestione del processo rimane al personale di laboratorio o all'automazione analitica.
b) L'automazione completa del processo di test, inclusa la preparazione dei campioni, la pipettatura, l'esecuzione del test, compresa la gestione di tutti gli strumenti analitici tramite il robot. Il robot si occupa della gestione del processo e delle operazioni di manipolazione. In questo caso, si cerca di creare celle di lavoro standard il più possibile universali, con un robot a due braccia come elemento centrale, che può essere riconvertito e riprogrammato con flessibilità per adattarsi a qualsiasi attrezzatura di laboratorio. Una soluzione di questo tipo può eseguire processi di laboratorio in modo autonomo 24 ore su 24, con la massima precisione e ripetibilità.

Quanto velocemente possono essere implementate soluzioni di automazione robotizzata?

Nel caso di una semi-automazione, ovvero quando il robot deve essere aggiunto per scopi di manipolazione, si può procedere molto rapidamente con robot collaborativi. La progettazione e la reinstallazione di una cella robot completamente automatizzata richiedono invece alcuni mesi. Tuttavia, una volta installata una cella robot standard, e quando i dispositivi di laboratorio e analisi pertinenti sono stati integrati attorno al robot, e nel tempo si è sviluppata una libreria di modelli di movimento, «possono essere riprogrammate rapidamente e facilmente per nuovi compiti», afferma Thomas Goldfuss, amministratore delegato di Goldfuss Engineering, che ha già realizzato diverse celle di laboratorio con robot Yaskawa per clienti di rilievo.

La soluzione rapida: semi-automazione delle operazioni di manipolazione con robot collaborativi

Per un sollievo immediato del personale di laboratorio, può essere utile una semi-automazione delle operazioni di manipolazione su postazioni di test manuali esistenti. Il robot si occuperà di movimenti ricorrenti, alleggerendo così il personale qualificato di laboratorio. A tal fine, si può utilizzare un robot collaborativo, che può operare in contatto diretto con l'uomo e senza barriere di protezione.

Un esempio di robot di questo tipo è il Motoman HC10DT compatibile con la tecnologia MRK di Yaskawa. Per l'uso in laboratorio, sono particolarmente adatte due varianti del robot a 6 assi: l'HC10DT IP67, resistente a polvere e acqua, e l'HC10DTF, progettato per l'igiene, con materiali e lubrificanti approvati per l'uso alimentare.

Con il metodo Direct Teach (DT), si guida semplicemente il braccio robotico da punto a punto di una sequenza di movimento. Utilizzando pulsanti preimpostati sul robot, si decide se afferrare o rilasciare un gripper in una determinata posizione. Questa sequenza di movimento viene salvata in una libreria, e il robot può ripeterla tutte le volte che si desidera. Anche un operatore senza esperienza di programmazione robotica può farlo.

La stazione di lavoro robotizzata completamente automatizzata – con il robot a due braccia CSDA10F

Un robot appositamente sviluppato per l'automazione di laboratorio è il robot a due braccia Motoman CSDA10F di Yaskawa. Con la sua statura umana e i due bracci, che possono eseguire movimenti sia singolarmente che sincronizzati, è estremamente versatile grazie a strumenti multifunzione e gripper. Lavora con quasi tutte le attrezzature di laboratorio standard esistenti e può gestire strumenti come piastre Petri, pipette manuali, incubatori o recipienti di reazione. Attrezzature specifiche per l'automazione, come pipettatori con punte di consumo costose o stazioni di piastre microtiter, sono utili per aumentare il throughput, ma non sono indispensabili.

Le apparecchiature analitiche esistenti vengono integrate con il loro collegamento software così come sono, anche se non sono ottimizzate per l'automazione classica. Per esempio, sistemi di gestione liquidi costosi – con materiali di consumo costosi – non sono necessariamente richiesti, poiché il robot può svolgere direttamente questo compito. Nella sua postazione di lavoro di laboratorio, il robot può eseguire molte attività finora riservate all'uomo, come aprire e chiudere recipienti di reazione (non sempre piastre microtiter), pipettare e dosare liquidi o polveri, preparare soluzioni nutritive con spatole, impostare e rimuovere campioni, aprire, riempire e chiudere recipienti di reazione, e gestire dispositivi come centrifughe, agitatori o incubatori. Il CSDA10F è particolarmente adatto per processi di test complessi e standardizzati, secondo protocolli predefiniti, anche se originariamente progettati per l'esecuzione manuale. È anche una soluzione interessante in fase di sviluppo di processi, ad esempio per la definizione, validazione e ottimizzazione di passaggi di processo prima di aumentare il throughput in una fase di produzione successiva. In installazioni più grandi, è già impiegato in Giappone nella sintesi biomedica (sviluppo di farmaci contro il cancro) e nell'analisi chimica (preparazione di campioni).
Il CSDA10F si basa su un robot che ha già dimostrato le sue capacità nell'automazione industriale. In questa nuova versione, è stato progettato specificamente per soddisfare le esigenze di igiene in laboratorio, ad esempio con una verniciatura resistente ai materiali, un design igienico lavabile, sterilizzazione con H2O2 e compatibilità con le camere bianche secondo ISO 14644-1.

La gamma di applicazioni di questo robot innovativo è molto ampia grazie alla sua elevata flessibilità – può imparare rapidamente e facilmente nuovi flussi di lavoro. Molti movimenti caratteristici (pipettare, aprire/chiudere "Eppi", maneggiare piastre microtiter, aprire/chiudere incubatori, aprire/chiudere tappi di bottiglie) sono già stati standardizzati e memorizzati come moduli in una libreria di movimenti. L'interfaccia uomo/robot, per la gestione e la visualizzazione, può essere realizzata tramite PC o pannello touch. L'HMI può essere personalizzato o collegato a software di pianificazione del flusso di lavoro esistenti (ad esempio, SAMI-EX di Beckman Coulter). Una volta che i programmi di movimento sono memorizzati nella libreria, l'operatore non deve essere un esperto di robot; può semplicemente comporre e parametrizzare i singoli passaggi del processo desiderato.

Conclusioni

Finora, l'automazione classica nei laboratori era spesso considerata troppo poco flessibile e troppo ingombrante. Tuttavia, oggi sono disponibili modelli di robot facili da usare, in grado di eseguire una vasta gamma di attività di laboratorio. Possono assumersi compiti che sarebbero troppo pericolosi o troppo monotoni per l'uomo. L'impiego di robot garantisce anche una riproducibilità precisa dei risultati, anche con un grande numero di campioni. Con l'automazione di laboratorio, si possono risparmiare non solo tempo e costi, soprattutto in presenza di elevati volumi di lavoro. Grazie all'eccezionale precisione, crea nuove condizioni per la ricerca su sostanze di partenza, la cui produzione finora non era sufficientemente sicura o riproducibile.