將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)打造自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的新方案

文/Kerstin Thurow

將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)打造自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的新方案

文/Kerstin Thurow

圖1：未來全自動(dòng)的檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)室 – 可能就是這個(gè)樣子。

在德國任何一個(gè)地方，典型分析實(shí)驗(yàn)室情況如此：一群實(shí)驗(yàn)員處理盛有不同液體的試管與燒杯，稱量重量、滴定吸取、搖勻、過濾和分析。一切都由人工手動(dòng)操作。

德國任何一家工廠之中，情況如此：從輸送帶左邊或右邊伸出一只機(jī)械手，擰螺絲、噴漆、焊接——直至將裝配完好的汽車開至裝配線，所有的一切趨于自動(dòng)化。

差別如此之大，以至于許多工業(yè)分支均展現(xiàn)出較高的自動(dòng)化程度，有些甚至達(dá)到全自動(dòng)程度，生命科學(xué)領(lǐng)域之中的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩于其后。雖然移液器和試管搖勻器等的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備減輕了實(shí)驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，但是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室操作仍由手工完成。尤其是各個(gè)試驗(yàn)臺(tái)之間的傳遞始終都由仍工操作。

分析實(shí)驗(yàn)室可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化嗎？可以簡單移植工業(yè)自動(dòng)化過程中所采用策略嗎？必須開發(fā)全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室新方案嗎？六年前，羅斯托克大學(xué)生命科學(xué)自動(dòng)化中心科學(xué)家們獻(xiàn)身于研究這些問題并開發(fā)出未來實(shí)驗(yàn)室，命名為Future Lab研發(fā)項(xiàng)目。

工業(yè)VS生命科學(xué)

什么原因?qū)е路治鰧?shí)驗(yàn)室較傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化程度低？隨著分析實(shí)驗(yàn)室中需要檢驗(yàn)分析的樣本量逐漸變大，自動(dòng)化能夠顯著幫助分析實(shí)驗(yàn)室降低成本、提高效率。仔細(xì)觀察檢測(cè)分析試驗(yàn)過程，包括：樣本制備過程，不僅只需考察實(shí)驗(yàn)員操作流程，而且也需要觀察他們所使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)室工作過程以完全不同于傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化方式進(jìn)行。分析實(shí)驗(yàn)室得到的任務(wù)通常能夠運(yùn)用不同方法完成，明顯提高研發(fā)自動(dòng)化檢測(cè)分析系統(tǒng)要求。另一難題是：不同的分析實(shí)驗(yàn)過程需要在相互隔離開的不同空間里完成，例如，有些檢測(cè)分析儀需要在恒溫及純度空氣環(huán)境中進(jìn)行，樣本制備需在一般情況下能夠在常規(guī)室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行（除非有超微量環(huán)境要求）。有些分析實(shí)驗(yàn)的部分過程，例如，微波消解，因勞動(dòng)保護(hù)規(guī)定和要求必須穿戴好防護(hù)服。

生物樣本的檢測(cè)分析，必須滿足其他輔助要求，如，保證空氣濕度等。簡單將工業(yè)自動(dòng)化方案移植至分析實(shí)驗(yàn)室，例如，用傳送帶將試管、燒瓶從同一房間內(nèi)的一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)送至另一試驗(yàn)臺(tái)完全不可能。另外，將自動(dòng)化設(shè)備安裝到現(xiàn)有常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中同樣不可能，實(shí)驗(yàn)室沒有工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)車間那么大的面積可供安裝自動(dòng)化設(shè)備。

圖2：在檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)室中使用機(jī)器人技術(shù)遇到了許多挑戰(zhàn)。

全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室

為在分析實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)很高的自動(dòng)化程度，生命科學(xué)自動(dòng)化中心進(jìn)行了名為Future Lab的未來型實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目開發(fā)。這是一個(gè)分布在相互隔離空間里的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，確保分析實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟具備最佳的實(shí)驗(yàn)條件并保證在現(xiàn)有空間里能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。在樣本制備時(shí)采用基于機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)，能夠完成不同器皿中不同樣本的制備工作（稀釋、衍生化、稱重等）。為了能夠在樣本制備時(shí)盡可能利用生物自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)，制備優(yōu)質(zhì)樣本并按照微量滴定板方式運(yùn)送。

在樣本制備、微波消解、分析檢驗(yàn)及必要的生物測(cè)試過程之間運(yùn)送樣本采用的是移動(dòng)式機(jī)器人。移動(dòng)式機(jī)器人從上級(jí)工作流管理系統(tǒng)中獲得運(yùn)送任務(wù)指令，工作流管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室全部過程管理。

本刊提示：Future Lab實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化解決方案

Future Lab方案為分布于相互隔離空間里的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。在樣本制備過程中利用機(jī)器人系統(tǒng)，由移動(dòng)式機(jī)器人將放置在微量滴定板中制備好的樣本運(yùn)送至下一分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)處。

運(yùn)送途中的移動(dòng)式機(jī)器人

分析實(shí)驗(yàn)室中，運(yùn)用移動(dòng)式機(jī)器同樣面臨挑戰(zhàn)。一方面，所有的機(jī)器人應(yīng)能獨(dú)立確定位置、尋找到屬于自己的運(yùn)動(dòng)途徑，需要使用不同的技術(shù)。其中，最復(fù)雜的技術(shù)便是基于攝像技術(shù)的環(huán)境識(shí)別。

一種簡單的替代方案為將顏色標(biāo)記或基于感應(yīng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)路線設(shè)置于地面之上。機(jī)器人能夠根據(jù)規(guī)定的路線運(yùn)動(dòng)，一旦實(shí)驗(yàn)室環(huán)境發(fā)生變化，這些色標(biāo)、感應(yīng)路線便不能再次運(yùn)用，必須重新設(shè)置色標(biāo)、編寫感應(yīng)程序。使用海軍、空軍中的地面標(biāo)志是一種將高靈活性及低成本擴(kuò)展性結(jié)合到一起最佳辦法，地面標(biāo)志為安裝于天花板上的“上方標(biāo)志”。該種標(biāo)志運(yùn)用反射紅外線材料制作，結(jié)合編碼技術(shù)可指示大量路標(biāo)，與上方標(biāo)志配套使用的是所謂的“占星系統(tǒng)”，“眼睛”設(shè)置于“額頭”之上，觀察上方標(biāo)志系統(tǒng)，從而確定機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)位置。為減少外部光線的影響、避免上方標(biāo)志探測(cè)出錯(cuò)，占星系統(tǒng)鏡頭采用卡爾曼濾波器。所有上方標(biāo)志標(biāo)注編碼位置均應(yīng)保存于機(jī)器人室內(nèi)地圖之中，使機(jī)器人能夠根據(jù)設(shè)定的起點(diǎn)與終點(diǎn)計(jì)算行走路線并通過理論位置及當(dāng)前實(shí)際位置比較，對(duì)補(bǔ)償校正路徑進(jìn)行監(jiān)控。

若在移動(dòng)式機(jī)器人行走路線上設(shè)置像房間門一樣的障礙物時(shí)，機(jī)器人的傳感器首先會(huì)確定障礙物狀態(tài)（開啟還是關(guān)閉），然后，機(jī)器人會(huì)向門控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，將原來關(guān)閉的房間門打開。為了避免與房間門發(fā)生碰撞，只有當(dāng)機(jī)器人傳感器確認(rèn)房間門已打開后才會(huì)讓機(jī)器人通過。

各分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)在室內(nèi)分布上往往包含樓層變化。在此種情況下機(jī)器人會(huì)召喚實(shí)驗(yàn)員打開電梯門、駛?cè)腚娞荨⑦x擇合適樓層、到達(dá)目的樓層后駛出電梯。目的樓層可通過樓層號(hào)識(shí)別，也可通過合適傳感器對(duì)高度進(jìn)行檢測(cè)（通過大氣壓檢測(cè)）確定樓層。后一種情況，需要有內(nèi)置氣壓波動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。

從抓取到放置

為使移動(dòng)式機(jī)器人能夠運(yùn)送樣本及實(shí)驗(yàn)器皿，它們必須能夠讓移動(dòng)式機(jī)器拿于手中。原則上有兩種可能：固定式檢測(cè)分析試驗(yàn)臺(tái)把樣本/器皿交到機(jī)器人手中，或者移動(dòng)式機(jī)器人具有識(shí)別檢測(cè)樣本/器皿的能力，能夠主動(dòng)將它們拿于手中。人手非常簡單的動(dòng)作對(duì)于機(jī)器人來講是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。在交接位置處，機(jī)器人首先需要識(shí)別需要拿走的器皿。在最簡單的情況下，需要拿走的器皿需放置于規(guī)定位置處；在比較復(fù)雜的情況下，需要依靠機(jī)器人配置的攝像系統(tǒng)尋找與識(shí)別需要被拿走的樣本及器皿。除去識(shí)別功能，仍需要準(zhǔn)確放置位置。準(zhǔn)確位置包括：樣本、器皿放置的坐標(biāo)點(diǎn)及移動(dòng)式機(jī)器人坐標(biāo)點(diǎn)；在此兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)搞清楚后，機(jī)器才能用人手臂抓取物體，需要對(duì)機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)具有非常深厚的認(rèn)識(shí)，需要具備手臂運(yùn)動(dòng)軟件編程技術(shù)技巧，擁有這些技巧才能準(zhǔn)確落實(shí)機(jī)器人手臂抓取。機(jī)器人在目標(biāo)位置處放置樣本/器皿的方法與此相同。

機(jī)器人同事

移動(dòng)式機(jī)器人工作環(huán)境與實(shí)驗(yàn)員相同，因此，除要求實(shí)驗(yàn)員與移動(dòng)式機(jī)器人之間的互動(dòng)外，仍需避免實(shí)驗(yàn)員與機(jī)器人之間主動(dòng)或被動(dòng)的相互碰撞。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)員靠近機(jī)器人行走路線時(shí)，要求他與移動(dòng)式機(jī)器人之間進(jìn)行互動(dòng)。該種互動(dòng)方式是基于手勢(shì)的互動(dòng)，也可以是類似于點(diǎn)頭、搖頭等頭部運(yùn)動(dòng)互動(dòng)。在手勢(shì)互動(dòng)過程中，實(shí)驗(yàn)員抬起右臂表示：他是機(jī)器人的主人，需要繼續(xù)向機(jī)器人下達(dá)命令。不同的手臂位置、姿勢(shì)可以表示“向前”、“向后”、“向左”或者“向右”的命令，機(jī)器人接收到這些命令后會(huì)重新計(jì)算行走路線，也可以利用頭部運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同樣的控制。語音控制方式同樣正在開發(fā)之中，這里遇到的最大挑戰(zhàn)就是實(shí)驗(yàn)室中的噪音問題。

若在機(jī)器人與實(shí)驗(yàn)員之間不存在互動(dòng)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)測(cè)定并繞開實(shí)驗(yàn)員的行走環(huán)境，最終計(jì)算出避免碰撞的最短途徑以及退回去的路線。若沒有足夠空間繞開，機(jī)器人會(huì)退避到安全之處，實(shí)驗(yàn)員離開其行走路線后再繼續(xù)前進(jìn)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全自動(dòng)分析夢(mèng)想

利用Future Lab研發(fā)項(xiàng)目方案可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)室夢(mèng)想，該方案與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室工作情況及要求相符。該自動(dòng)化項(xiàng)目的首要目標(biāo)：利用移動(dòng)式機(jī)器人解決實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部物品運(yùn)送問題及將實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析時(shí)間擴(kuò)展至每周7天、每天24小時(shí)，明顯提高實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析能力，從而明顯節(jié)約成本費(fèi)用。

現(xiàn)如今，全自動(dòng)檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)室仍處于初級(jí)階段。羅斯托克大學(xué)生命科學(xué)自動(dòng)化中心正在研發(fā)未來型實(shí)驗(yàn)室方案并進(jìn)行著不斷嘗試與摸索 。

本文作者系Rostock市，羅斯托克大學(xué)生命科學(xué)自動(dòng)化中心科研人員。