Automatyczne testy laboratoryjne z robotami

Specjalnie opracowany robot do automatyzacji laboratorium to dwuręczny robot Motoman CSDA10F firmy Yaskawa. (Źródło: Yaskawa) / Robot specjalnie opracowany do automatyzacji laboratorium to dwuręczny robot Motoman CSDA10F firmy Yaskawa. (Źródło: Yaskawa)

Specjalnie opracowany robot do automatyzacji laboratorium to dwuręczny robot Motoman CSDA10F firmy Yaskawa. (Źródło: Yaskawa)

Do częściowej automatyzacji zadań obsługi wymaga się robota współpracującego, który może być używany w bezpośrednim kontakcie z ludźmi. (Źródło: Yaskawa) / A collaborative robot is required for partial automation of handling tasks. It can be used in direct contact with humans. (Source: Yaskawa)

Do częściowej automatyzacji zadań obsługi potrzebny jest robot współpracujący, który może być używany w bezpośrednim kontakcie z człowiekiem. (Źródło: Yaskawa) / A collaborative robot is required for partial automation of handling tasks. It can be used in direct contact with humans. (Source: Yaskawa)

W aktualnym projekcie rozwojowym z użyciem CSDA10F realizowanych jest około dwunastu procesów dla w pełni automatycznej produkcji nanocząstek. (Źródło: Goldfuss Engineering GmbH)

W aktualnym projekcie rozwojowym za pomocą CSDA10F wykonywanych jest około dwunastu procesów dla w pełni automatycznej produkcji nanocząstek. (Źródło: Goldfuss Engineering GmbH)

Roboty mogą wykonywać wiele zadań w laboratorium i przyspieszać procesy. (Źródło: Yaskawa)

Obecna sytuacja pokazuje: System opieki zdrowotnej szybko osiąga swoje granice, gdy brakuje pojemności laboratoriów lub gdy istniejące instalacje testowe nie są wystarczająco elastyczne, aby dostosować się do różnych wariantów testów lub nowych, zmodyfikowanych metod testowych. W takiej sytuacji roboty laboratoryjne stanowią cenną alternatywę dla ręcznego przeprowadzania testów.

W przemyśle roboty są już od dawna powszechnie stosowane. Jednak również w środowiskach laboratoryjnych automatyzacja zyskuje na znaczeniu. W badaniach i rozwoju (farmacja, chemia, nauki o życiu oraz medycyna biologiczna i nuklearna), analizie krwi czy produkcji kosmetyków indywidualnych od kilku lat z powodzeniem korzysta się z rozwiązań robotycznych, które są tak elastyczne i uniwersalne, że nadają się również do klinicznych testów zakażeń. Oprócz odciążenia personelu laboratoryjnego, roboty zapewniają doskonałą i powtarzalną stabilność procesów oraz wysoką jakość.

W przypadku automatyzacji procesów laboratoryjnych z użyciem robotów istnieją zasadniczo dwie możliwości:

a) Częściowa automatyzacja, w której robot wykonuje powtarzalne czynności obsługowe personelu laboratoryjnego, odciążając go. Robot przejmuje zadania obsługi, podczas gdy prowadzenie procesu pozostaje w gestii personelu lub analizatora.
b) Całkowita automatyzacja procesu testowego, obejmująca przygotowanie próbek, pipetowanie, przeprowadzanie testów, w tym obsługę wszystkich urządzeń analitycznych przez robota. Robot przejmuje prowadzenie procesu i zadania obsługi. W tym celu dąży się do stworzenia jak najbardziej uniwersalnych standardowych komórek roboczych, z dwuręcznym robotem jako centralnym elementem, które można przekształcać i programować elastycznie, dostosowując do różnych wyposażeń laboratoryjnych. Takie rozwiązanie może autonomicznie wykonywać procesy laboratoryjne przez 24 godziny na dobę z najwyższą precyzją i powtarzalnością.

Jak szybko można wdrożyć rozwiązania automatyzacji wspomagane robotami?

W przypadku częściowej automatyzacji, czyli gdy robot ma być dodany do obsługi ręcznej, jest to możliwe bardzo szybko, szczególnie przy użyciu robotów współpracujących. Konfiguracja i instalacja w pełni zautomatyzowanej komórki robotycznej zajmuje jednak kilka miesięcy. Jednak po zainstalowaniu takiej standardowej komórki robotycznej, wokół której zbudowane są odpowiednie urządzenia laboratoryjne i analityczne, oraz gdy w tym czasie powstanie biblioteka wzorców ruchów, „takie komórki można szybko i łatwo przeprogramować do nowych zadań”, mówi Thomas Goldfuss, dyrektor zarządzający firmy Goldfuss Engineering, która już wdrożyła kilka komórek laboratoryjnych z robotami Yaskawa dla znanych klientów.

Szybkie rozwiązanie: częściowa automatyzacja obsługi z pomocą współpracującego robota

Na krótkoterminowe odciążenie personelu laboratoryjnego może pomóc częściowa automatyzacja obsługi na istniejących stanowiskach testowych. Robot przejmuje powtarzalne ruchy, odciążając wykwalifikowany personel. Do tego celu odpowiedni jest współpracujący robot, który może być używany bezpośrednio w kontakcie z człowiekiem i nie wymaga ogrodzenia ochronnego.

Takim robotem jest robot Motoman HC10DT z funkcją współpracy (MRK) od Yaskawa. Do zastosowań laboratoryjnych szczególnie nadają się dwie wersje 6-osiowego robota: HC10DT IP67, który jest odporny na kurz i wodę, oraz HC10DTF, zaprojektowany zgodnie z wymogami higienicznymi, z materiałami i smarami dopuszczonymi do kontaktu z żywnością.

Metodą Direct Teach (DT) robot porusza ramieniem od punktu do punktu w sekwencji ruchów. Za pomocą przycisków na robocie można określić, czy chwytak ma być otwarty czy zamknięty na danej pozycji. Sekwencję tych ruchów zapisuje się w bibliotece, a robot może ją powtarzać dowolną ilość razy. Także operator, który nie jest ekspertem od programowania robotów, może to zrobić.

W pełni zautomatyzowana stacja robota – z dwuręcznym robotem laboratoryjnym CSDA10F

Specjalnie opracowany robot do automatyzacji laboratoryjnej to dwuręczny robot Motoman CSDA10F od Yaskawa. Dzięki humanoidalnej budowie i dwóm ramionom, które mogą wykonywać ruchy zarówno indywidualne, jak i synchronizowane, jest niezwykle wszechstronny. Pracuje z niemal każdym standardowym wyposażeniem laboratoryjnym, takim jak: szalki Petriego, pipety ręczne, inkubatory czy naczynia reakcyjne. Wyposażenie dostosowane do automatyzacji, np. pipety z kosztownymi końcówkami czy stanowiska do mikrotarczek, może przyspieszyć proces, ale nie jest konieczne.

Istniejące urządzenia analityczne wraz z ich oprogramowaniem są wykorzystywane tak, jak są, nawet jeśli nie zostały specjalnie zoptymalizowane do automatyzacji. Na przykład drogie systemy do obsługi płynów – z kosztownym materiałem zużywalnym – nie są konieczne, ponieważ robot może przejąć te zadania bezpośrednio. W swojej stacji roboczej robot może wykonywać wiele zadań, które wcześniej były zarezerwowane dla ludzi, takich jak otwieranie i zamykanie dowolnych naczyń reakcyjnych (nie muszą to być zawsze mikrotarczki), pipetowanie, dozowanie cieczy lub proszków, przygotowywanie roztworów odżywczych za pomocą szpatułek, ustawianie i wyjmowanie próbek, a także otwieranie, napełnianie i zamykanie naczyń reakcyjnych, obsługa urządzeń takich jak wirówki, mieszadła czy inkubatory. CSDA10F doskonale nadaje się do złożonych, standaryzowanych testów według określonych protokołów, które pierwotnie były przeznaczone do ręcznego wykonywania. Również w rozwoju procesów, np. do definiowania, weryfikacji i optymalizacji kroków procesowych przed zwiększeniem wydajności w późniejszej fazie produkcji, dwuręczny robot CSDA10F stanowi interesujące rozwiązanie. W większych instalacjach jest już używany w Japonii w biotechnologii (badania nad lekami przeciwnowotworowymi) oraz w analizie chemicznej (przygotowanie próbek).
CSDA10F oparty jest na robocie, który już sprawdził się w automatyce przemysłowej. W tej nowej wersji został specjalnie zaprojektowany z myślą o wymogach higienicznych w laboratoriach, np. dzięki powłoce odpornej na substancje chemiczne, łatwemu do mycia hygienic design, sterylizacji H2O2 oraz zgodności z normą ISO 14644-1 dotyczącą czystości pomieszczeń.

Zakres zastosowań tego innowacyjnego robota jest szeroki dzięki jego wysokiej elastyczności – potrafi szybko i łatwo nauczyć się zupełnie nowych czynności. Wiele charakterystycznych ruchów (pipetowanie, otwieranie/zamykanie „Eppi”, obsługa mikrotarczek, otwieranie/zamykanie inkubatorów, odkręcanie zakrętek od butelek) zostało już zstandaryzowanych i zapisanych jako moduły w bibliotece ruchów. Interfejs człowiek/robot do obsługi i wizualizacji może być realizowany przez komputer lub panel dotykowy. HMI może być dostosowany indywidualnie lub zintegrowany z istniejącym oprogramowaniem do planowania przepływu pracy (np. SAMI-EX od Beckman Coulter). Po zapisaniu programów ruchów w bibliotece, operator nie musi być ekspertem od robotów; wystarczy, że skomponuje i parametryzuje poszczególne kroki procesu, aby wykonać zamierzony cykl pracy.

Podsumowanie

Dotychczas klasyczna automatyzacja w laboratoriach często była postrzegana jako zbyt mało elastyczna i zbyt sztywna. Jednak dziś dostępne są proste w obsłudze modele robotów, które potrafią wykonywać szeroki zakres różnych czynności laboratoryjnych. Mogą przejąć prace, które są zbyt niebezpieczne lub zbyt monotonne dla człowieka. Wykorzystanie robotów gwarantuje także przy dużej liczbie próbek dokładną powtarzalność wyników. Automatyzacja laboratorium pozwala nie tylko oszczędzać czas i koszty, szczególnie przy wysokich wydajnościach. Dzięki niespotykanej precyzji tworzy nowe możliwości badań nad substancjami wyjściowymi, których produkcja do tej pory była nie do końca bezpieczna lub powtarzalna.