Кіріспе

Биология немесе химия зертханаларында роботтарды қолдану. Лабораториялық робототехника – биология, химия немесе инженерия зертханаларында роботтарды пайдалану. Мысалы, фармацевтикалық компаниялар жаңа химиялық заттарды синтездеу үшін немесе қолданыстағы химиялық заттардың фармацевтикалық құндылығын тексеру үшін биологиялық немесе химиялық үлгілерді жылжытуға роботтарды қолданады. Ғылыми процесті толық автоматтандыру үшін, мысалы, Robot Scientist жобасында, жетілдірілген зертханалық робототехниканы пайдалануға болады. Зертханалық процестер роботтық автоматтандыруға ыңғайлы, себебі процестер қайталама қозғалыстардан тұрады (мысалы, таңдау/орналастыру, сұйық/қатты қосымшалар, қыздыру/салқындату, араластыру, шайқау және сынау). Көптеген зертханалық роботтарды көбінесе автосемплерлер деп атайды, өйткені олардың басты міндеті – талдау құрылғылары үшін үздіксіз үлгілер ұсыну.

Тарих

Алғашқы ықшам компьютерлік робот қолдары 1980 жылдардың басында пайда болды және содан бері зертханаларда үздіксіз қолданылып келеді. Бұл роботтарды көптеген түрлі тапсырмаларды орындауға, соның ішінде сынамаларды дайындау және өңдеуге бағдарламалауға болады. Бірақ 1980 жылдардың басында Кочи медицина мектебінің профессоры Масахиде Сасаки басқарыған топ конвейерлік ленталармен және автоматтандырылған анализаторлармен жұмыс істейтін бірнеше робот қолдарын пайдаланатын алғашқы толық автоматтандырылған зертхананы ұсынды. Сасакидің пионерлік еңбегінің табысы әлемдегі басқа топтарды Тотальдік зертханалық автоматтандыру (TLA) тәсілін қабылдауға итермеледі. TLA-ның сөзсіз табысқа ие болғанына қарамастан, оның көп миллиондық құны көптеген зертханалардың оны пайдалануына кедергі келтірді. Сонымен қатар, әртүрлі құрылғылар арасындағы байланыс жоқтығы түрлі қолданулар үшін автоматтандыру шешімдерін әзірлеуді баяулатты, сонымен қатар шығындарды жоғары ұстауға себеп болды. Сондықтан, индустрия әртүрлі өндірушілердің құрылғылары арасында байланысты қамтамасыз ету үшін стандарттарды әзірлеуге бірнеше рет тырысты. Алайда, бұл тәсілдің табысы толық болмады, өйткені бүгінгі күні көптеген зертханалар жоғары құнына байланысты көптеген тапсырмалар үшін роботтарды қолданбайды. Жақында осы мәселенің басқа шешімі пайда болды, ол арзан құрылғыларды, соның ішінде ашық кодты жабдықты пайдалануға мүмкіндік береді, олар зертханада көптеген түрлі тапсырмаларды орындай алады. Бұл шешім – компьютерлік тышқанның қозғалысын және пернетақта енгізуін басқаратын скрипт тілдерін, мысалы AutoIt-ты қолдану болып табылады. Осылайша, егер олар компьютермен басқарылса, кез келген өндірушінің кез келген құрылғысын интеграциялауға болады, бұл көбінесе осылай болады. Робототехникадағы тағы бір маңызды жаңалық, зертханалар үшін маңызды перспективалар ұсынатын жаңалық – бұл бағдарламалау үшін арнайы оқытуды қажет етпейтін роботтардың пайда болуы, мысалы Baxter роботы.

Арзан зертханалық роботтар

Көптеген зертханалық роботтардың жоғары бағасы оларды пайдалануға кедергі келтірді. Дегенмен, қазіргі уақытта өте төмен бағалы көптеген роботтық құрылғылар бар, оларды зертханадағы кейбір жұмыстарды орындау үшін қолдануға болады. Мысалы, төмен бағалы робот қол бірнеше түрлі су талдауын жүргізу үшін пайдаланылды, бұл әлдеқайда қымбат автосамплерлерге қарағанда өнімділіктің төмендеуіне әкелмеді. Балама ретінде, бір құрылғының автосамплерін басқа құрылғымен бірге қолдануға болады.

Роботты, мобильді зертхана операторлары және қашықтан басқарылатын зертханалар

2020 жылдың шілдесінде ғалымдар мобильді робот-химиктің жасалғанын және оның тәжірибелік іздеулерге көмектесетінін хабарлады. Ғалымдардың сөзіне сүйенсек, олардың стратегиясы құралдарды емес, зерттеушіні автоматтандыру болды – бұл адам-зерттеушілерге шығармашылықпен ойлауға уақыт босатады – және судан водород өндіруге арналған фотокатализатор қоспаларын бастапқы құралымдардан алты есе белсендірек анықтауға мүмкіндік берді. Модульді робот зертханалық құралдарды басқара алады, тәулік бойы дерлік жұмыс істейді және тәжірибелік нәтижелерге байланысты келесі әрекеттері туралы дербес шешім қабылдайды. Көптеген өмір ғылымдары эксперименттерін күніне автоматты түрде орындайтын және алыстан, оның ішінде бірлесіп жұмыс істеуге болатын "қашықтан басқарылатын зертханалардың" дамуы жалғасуда.

Фармацевтикалық қолдану

Автоматтандырылған синтез қолданылатын маңызды салалардың бірі – фармацевтикалық зерттеулердегі құрылымды анықтау. NMR және HPLC MS сияқты процестердегі үлгіні дайындау робот қол арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Сонымен қатар, құрылымдық ақуызды талдауды NMR және рентген кристаллографиясының үйлесімін пайдалану арқылы автоматты түрде жасауға болады. Кристалдану көбінесе рентген кристаллографиясы үшін жарамды ақуыз кристаллын алу үшін жүздерше немесе мыңдаған тәжірибелерді қажет етеді. Автоматтандырылған микропипеттік машина бірден шамамен миллион түрлі кристалл жасауға және оларды рентген кристаллографиясы арқылы талдауға мүмкіндік береді.

Патогендерді диагностикалық тексеру

Мысалы, COVID-19 диагностикалау үшін пациенттерден алынған мақталарды талдауға қолданылатын роботтар бар. Жандық ағын сынақтары үшін автоматтандырылған роботтық сұйықтықтарды басқару жүйелері құрылды немесе құрылуда. Бұл қолмен жұмыс істеу уақытын азайтады, эксперимент өлшемін ұлғайтады және нәтижелердің қайталануын жақсартады.

Биологиялық зертханалық робототехника

Сұйық немесе қатты күйдегі биологиялық және химиялық үлгілер құтылар, пластиналар немесе түтіктерде сақталады. Көбінесе оларды ластанудан сақтау үшін немесе биологиялық және/немесе химиялық қасиеттерін сақтап қалу үшін тоңдыру және/немесе герметтеу қажет. Атап айтқанда, биотехнология саласы мұндай үлгілерді сақтау үшін микротитрлік пластина деп аталатын стандартталған форматты пайдаланады. Микротитрлік пластина стандарты 1996 жылы Биомолекулалық скрининг қоғамымен бекітілді. Ол әдетте 2:3 тікбұрышты матрицада орналасқан 96, 384 немесе тіпті 1536 үлгілік ұяшықтан тұрады. Стандарт ұяшықтардың өлшемдерін (мысалы, диаметрі, арақашықтығы және тереңдігі), сондай-ақ пластинаның қасиеттерін (мысалы, өлшемдері мен беріктігі) анықтайды. Бірнеше компания SBS микропластиналарын өңдеуге арналған роботтарды жасады. Мұндай роботтар сұйық үлгілерді осы пластиналардан сорып алуға немесе оларға таратуға арналған сұйықтарды өңдеушілер немесе оларды құралдар арасында тасымалдайтын "пластина жылжытқыштар" болуы мүмкін. Басқа компаниялар интеграцияны одан әрі дамытты: биологияда қолданылатын нақтылай тұтыну материалдарымен байланыс орнатудан өзге, кейбір роботтар (мысалы, Andrew Alliance-тің Andrew роботы, суретті қараңыз) биологтар мен техникалық персонал пайдаланатын көлемдік пипеткалармен де жұмыс істей алады. Іс жүзінде, сұйықтарды өңдеудің барлық қолмен атқарылатын жұмыстарын автоматтандыруға болады, бұл адамдарға көбірек ой-пікір қажетті жұмыстарға уақыт бөлуге мүмкіндік береді. Құрал жасаушы компаниялар осы пластиналарда сақталған үлгілердегі белгілі бір биологиялық, химиялық немесе физикалық өзгерістерді анықтай алатын пластина оқығыштарын жасады. Бұл оқығыштар микротитрлік пластиналардың ұяшықтарындағы мазмұнды бағалау үшін оптикалық және/немесе компьютерлік көру технологияларын қолданады. Биологияда роботтарды қолданудың алғашқы мысалдарының бірі пептидтер мен олигонуклеотидтерді синтездеу болды. Осыған байланысты алғашқы мысалдардың бірі – полимераза тізбектік реакциясы (ПТР), ол алдын ала дайындалған компьютерлік бағдарламаны пайдаланып, температураны реттеу арқылы ДНК синтезін микродеңгейде басқару үшін термоциклді қолдану арқылы ДНК тізбектерін көбейтуге қабілетті. Содан бері автоматтандырылған синтез органикалық химияға қолданылып, үш бағытқа бөлінді: реакциялық блок жүйелері, роботтық манипуляторлар және роботсыз сұйықтық жүйелері. Кез келген автоматтандырылған зертхананың басты мақсаты – жоғары өнімділік пен шығындарды азайту. Бұл синтетикалық зертханаға аз қызметкерлермен, бірақ тиімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Комбинаторлық кітапхана синтезі

Робототехника комбинаторлық химияда қолданылады, бұл фармацевтикалық өнеркәсіпке зор әсер етеді. Робототехниканы пайдалану реактивтер мөлшерін едәуір азайтуға және химиялық кітапханаларды кеңейтуге мүмкіндік берді. "Параллель синтез" әдісін автоматтандыру арқылы жақсартуға болады. "Параллель синтездің" басты кемшілігі – кітапхананы дамытуға кететін уақыт, сондықтан бұл процесті тиімді ету үшін көбінесе автоматтандыру қолданылады. Автоматтандырудың негізгі түрлері қатты фазалық субстраттардың түрі, реагенттерді қосу және алу әдістері, сондай-ақ реакциялық камералардың құрылысы бойынша жіктеледі. Полимер шайырлары қатты фаза үшін субстрат ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл пептидтік қосылысты әртүрлі топтарға бөліп, әртүрлі қосылыстармен реакцияға түсетін "бөлу және араластыру" (split mix) әдісі сияқты нағыз комбинаторлық әдіс емес. Содан кейін олар қайта араластырылып, тағы да топтарға бөлінеді, әр топ басқа қосылыстармен реакцияға түседі. Ал "параллель синтез" әдісі араластырмайды, бірақ бір пептидтің әртүрлі топтарын әртүрлі қосылыстармен реакцияға түсіріп, әрбір қатты тіректегі жеке қосылысты анықтауға мүмкіндік береді. Реакциялық блок жүйесі басқа "параллель синтез" әдістерімен салыстырғанда төмен құн мен жоғары өнімділігі үшін танымал әдіс болып табылады. Параллель синтезді Марио Гейзен және оның әріптестері жасаған, ол комбинаторлық синтездің толыққанды түрі емес, бірақ оны комбинаторлық синтезге енгізуге болады. Бұл топ қатты фазалық пептид синтезі үшін қатты тірекпен жабылған пластикалық штифттерде 96 пептидті синтездеді. Бұл әдіс роботпен қозғалатын тіктөртбұрышты блокты пайдаланады, сонда реагенттерді роботтық пипеттеу жүйесімен пипеттеуге болады. Бұл блок жеке реакциялар өтетін ұяларға бөлінген. Бұл қосылыстар кейіннен талдау үшін ұяның қатты фазасынан бөлінеді. Тағы бір әдіс – жабық реакторлық жүйе, ол толық жабық реакциялық ыдысты және дозалау үшін бірнеше бекітілген қосылымдарды пайдаланады. Бұл әдіс басқа әдістерге қарағанда аз мөлшерде қосылыстар шығарады, бірақ оның басты артықшылығы – реагенттер мен реакция жағдайларын бақылау. Пептид синтезі үшін температураның өзгеруін және әртүрлі реагенттерді қажет ететін алғашқы жабық реакциялық жүйелер жасалған. Кейбір жабық реакторлық роботтардың температура диапазоны 200°C-қа жетеді және 150-ден астам реагентті қамтиды.

Тазарту

Симуляциялық дистилляция – мұнай өнеркәсібінде қолданылатын газ хроматографиясының бір түрі. Бұрынғы әдіс, мұнай үлгілерін симуляциялық дистилляция (SIMDIS) арқылы талдау үшін ORCA (Химиялық талдау үшін оңтайланған робот) деп аталатын жүйені пайдаланған. ORCA талдау уақытын қысқартып, қосылыстарды элюциялау үшін қажетті максималды температураны төмендетті. Тазартуды автоматтандырудың басты артықшылығы – бөліп алу процесін үлкен масштабта жүргізу мүмкіндігі. Микропроцессорларды қолдану арқылы иондық алмасуды қысқа мерзім ішінде нанолитрлік масштабта жүргізуге болады. Сұйық-сұйық экстракциясы (LLE) технологиясына роботтарды енгізу 96 ұңғымалық пластиналарды пайдалану арқылы биологиялық үлгілерді дайындау процесін жеңілдетті. Бұл әдіс қатты фазалық экстракция және белоктарды тұндыру әдістеріне балама болып табылады, оның артықшылығы – жоғары дәлдік деңгейі. Роботтардың көмегімен LLE жылдамдығы қатты фазалық экстракциямен салыстырылады. LLE үшін қолданылатын роботтар микролитрлік көлемдегі заттарды толық экстракциялай алады және бұл процесті он минут ішінде аяқтауға мүмкіндік береді.

Артықшылықтар

Автоматтандырудың бір артықшылығы – жылдам өңдеу, бірақ ол әрқашан адам операторынан жылдам бола бермейді. Автоматтандырылған жүйелердің қайталамалығы мен үлестіру мүмкіндігі жақсарады, себебі реагент мөлшері мен реакция жағдайларындағы айырмашылықтар азаяды. Әдетте, өнімділік артады, өйткені уақыт шектеулері сияқты адам факторының шектеулері енді маңызды емес. Роботтар үздіксіз жұмыс істей алатындықтан және реакцияны жүзеге асыру үшін қолданылатын реагенттер мөлшерін азайта алатындықтан тиімділік жақсарады. Сонымен қатар, материалдық қалдықтар азаяды. Автоматтандыру қауіпті заттарды қолмен өңдеу қажеттілігін жойғандықтан, жұмыс ортасын қауіпсіздендіреді. Бұған қоса, автоматтандыру қызметкерлерге қайталанатын емес басқа да жұмыстарға назар аударуға мүмкіндік береді.

Кемшіліктер

Әдетте, бір синтез жасау немесе үлгіні бағалаудың құны жоғары болады, ал автоматтандыруды орнату мен бастауға кететін шығын да қымбат болуы мүмкін (бірақ жоғарыдағы "Төмен құнды зертханалық робот техникасы" бөлімін қараңыз). Көптеген әдістер әлі автоматтандыруға бейімделмеген. Сонымен қатар, визуалды талдау, тану немесе салыстыру қажет болатын жағдайларды, мысалы, түс өзгерістерін автоматтандыру қиын. Бұл талдаудың қолданылатын сенсорлық деректермен шектелуіне де алып келеді. Бір мүмкін кемшілігі – автоматтандыру роботтар оңай орындай алатын жұмыстарды атқаратын қызметкерлерді алмастыру арқасында жұмыс орындарының азаюы. Кейбір жүйелер күрделі тапсырмаларды орындау үшін C++ немесе Visual Basic сияқты бағдарламалау тілдерін пайдалануды талап етеді.