Nieustannie rośnie zapotrzebowanie na roboty w biotechnologii i farmacji, szczególnie w odniesieniu do procesów wymagających wysokiej precyzji oraz wykraczających poza proste, powtarzalne czynności. Zasadniczym celem robotyzacji jest realizacja rutynowych zadań manualnych, przetwarzanie dużych ilości próbek, a także eliminacja ludzkich błędów, przy jednoczesnym dostarczaniu wysokiej jakości wyników eksperymentalnych. Szczególną uwagę zwraca ich wielofunkcyjność, możliwość dostosowania do różnych konfiguracji oraz elastyczność przestrzenna.

Konfigurowalne platformy robotyczne

W dynamicznie rozwijającym się świecie badań naukowych koncepcja łatwo adaptowalnych i zautomatyzowanych platform robotycznych nabiera dużego znaczenia. Modułowy system demonstruje możliwość wykonania całego procesu eksperymentalnego za pomocą jednego lub więcej ramion robota, będących centralnym elementem platformy. Wokół rozmieszczone są niezbędne aparaty i urządzenia laboratoryjne. Większość z nich to powszechnie wykorzystywane instrumenty, takie jak inkubatory, wirówki czy wytrząsarki. Dodatkowo, w zależności od potrzeb, umieszczane jest uzupełniające wyposażenie: pipety wielokanałowe, szalki Petriego, probówki stożkowe, płytki wielodołkowe itp.

Transport różnych przedmiotów to jedno z podstawowych zadań zrobotyzowanych platform. Obiekty te różnią się rozmiarem, dlatego dla każdego z nich potrzebna jest inna szerokość chwytania. Jednym z rozwiązań są tzw. uniwersalne chwytaki, które mają możliwość nawet całkowitego zamknięcia, dzięki czemu radzą sobie z obejmowaniem cienkich obiektów. Do najczęściej wykorzystywanych należą tzw. szczękowe, posiadające dwa lub więcej „palców”. Chętnie wybieranym rozwiązaniem, np. do podnoszenia obiektów o gładkich powierzchniach, są chwytaki próżniowe, które wykorzystują siłę ssania. Istnieją także chwytaki posiadające wydrukowany w technologii 3D czubek „palca”, który rozszerza zakres jego ruchu. Taka konstrukcja pozwala efektorowi końcowemu na manipulowanie przedmiotami o różnych rozmiarach, przy zachowaniu precyzyjnej kontroli. Dodatkowo wbudowany w czubek „palca” niewielki magnes, po kontakcie z magnesem umieszczonym na uchwycie obudowy, np. pipety, zapewnia precyzyjny i mocniejszy chwyt tego narzędzia.

O skuteczności stanowiska do badań w znacznej mierze decyduje zdolność do dokładnego lokalizowania obiektów w przestrzeni. Najczęściej stosowanym podejściem jest wykorzystanie systemu wizyjnego, w tym laserowego, połączonego ze sprzężeniem zwrotnym. Do wykrycia położenia nośników względem robota montowane są znaczniki optyczne. Przytoczone rozwiązania techniczne wspomagają procesy, np. klonowania bakterii – technologia wizyjna umożliwia robotowi rozpoznanie i przenoszenie wybranych kolonii na szalki Petriego, a także identyfikację fragmentów kolonii przeznaczonych do usunięcia lub dalszych prac.

Od koncepcji do realizacji

Modułowe platformy robotyczne zyskują coraz szersze znaczenie w realnych zastosowaniach przemysłowych i naukowych, udowadniając swoją wszechstronność i adaptowalność w różnych zadaniach. Poniżej krótko scharakteryzowano wybrane przykłady.

Zadaniem systemu CellPROi jest hodowla komórkowa. Głównym elementem jest izolator z umieszczonym wewnątrz dwuramiennym robotem, obsługującym dedykowane instrumenty. Wykonuje on wszystkie niezbędne manipulacje podczas hodowli komórek, zastępując w pracy człowieka. Ludzie, główne źródło zanieczyszczeń, są całkowicie oddzieleni od środowiska hodowli. CellPROi zapewnia optymalne warunki środowiskowe, dostarcza komórkom niezbędnych składników odżywczych, usuwa produkty przemiany materii, śledzi wzrost i ogólną kondycję komórek, a także zapisuje parametry hodowli.

Modułowa platforma inSPIRE posiada ramię robotyczne, do którego zadań należą przede wszystkim: przenoszenie elementów pomiędzy instrumentami, otwieranie/zamykanie pojemników, odczyt kodów kreskowych itp. Dzięki modułowości i elastyczności inSPIRE zapewnia skalowalne rozwiązanie dla laboratoriów. Szeroki katalog konfigurowalnych komponentów umożliwia zbudowanie systemu do bieżących potrzeb. Komplementarne oprogramowanie gwarantuje dostęp do zwrotnych informacji z urządzenia, w czasie rzeczywistym. Platforma dedykowana jest do prac z obszaru: badań nad nowymi lekami, biologii syntetycznej, przesiewania wysokoprzepustowego, obsługi kwasów nukleinowych itp.

Ciekawym przykładem jest rozwiązanie wprowadzone przez jednego z chińskich producentów szczepionek. Ramie robota TX200 Stericlean otoczone jest szeregiem stojaków, na których umieszczone są tacki wypełnione medium do wzrostu komórek. Robot ostrożnie podnosi i potrząsa każdym ze stojaków, aby równomiernie rozprowadzić płyn, co jest jego jedynym zadaniem. Następnie odkłada go w wyznaczone miejsce przechowywania. Podczas procesu hodowli, który trwa co najmniej dziesięć dni, robot wielokrotnie podnosi poszczególne stojaki i wykonuje swój ustalony program ruchów potrząsania i przechylania.