Capitolo 1 : Robotica di laboratorio
La robotica di laboratorio si riferisce alla pratica di impiegare robot in laboratori specializzati in ingegneria, biologia o chimica. I robot sono utilizzati dalle aziende farmaceutiche, ad esempio, per spostare campioni biologici o chimici al fine di produrre nuove entità chimiche o per analizzare il valore medicinale di sostanze chimiche esistenti. Il progetto Robot Scientist è un esempio di come i robot da laboratorio avanzati possano essere utilizzati per automatizzare completamente il processo di creazione di scoperte scientifiche.
A causa del fatto che le procedure di laboratorio consistono in movimenti ripetitivi (come il prelievo e il posizionamento, l'aggiunta di liquidi e solidi, il riscaldamento e il raffreddamento, la miscelazione, l'agitazione e il test), l'automazione robotica è adatta a queste attività. È pratica comune riferirsi a un gran numero di robot da laboratorio come autocampionatori perché la loro funzione principale è quella di fornire campioni continui agli strumenti analitici.
All'inizio degli anni '80 sono stati introdotti i primi piccoli bracci robotici controllati da computer e da allora sono stati utilizzati nei laboratori senza interruzioni. Questi robot sono in grado di essere addestrati per svolgere un'ampia varietà di compiti, tra cui la preparazione e l'elaborazione di campioni quando necessario.
Tuttavia, all'inizio degli anni '80, un gruppo di ricercatori della Kochi Medical School guidati da Masahide Sasaki produsse il primo laboratorio completamente automatizzato. Questo laboratorio ha utilizzato una serie di bracci robotici che hanno collaborato con nastri trasportatori e analizzatori automatici. Come risultato del lavoro pionieristico di Sasaki, numerose organizzazioni in tutto il mondo hanno iniziato a utilizzare la metodologia di automazione totale del laboratorio (TLA).
Sebbene non si possa negare l'efficacia della TLA, il fatto che costi diversi milioni di dollari ha precluso alla maggior parte dei laboratori di adottarla. Inoltre, l'incapacità di vari dispositivi di comunicare tra loro ha rallentato il processo di sviluppo di soluzioni di automazione per varie applicazioni, il che ha contribuito al mantenimento di costi elevati. Di conseguenza, l'industria ha fatto diversi tentativi di stabilire standard a cui i vari fornitori avrebbero aderito al fine di consentire ai loro dispositivi di comunicare tra loro. Tuttavia, questa strategia ha avuto successo solo in parte, poiché molti laboratori nell'era moderna continuano a evitare di utilizzare i robot per una varietà di lavori a causa delle elevate spese associate all'utilizzo dell'automazione.
Negli ultimi tempi si è resa disponibile una soluzione diversa al problema, che consente di utilizzare dispositivi a basso costo, come l'hardware open source, per svolgere un'ampia varietà di lavori in laboratorio. L'utilizzo di linguaggi di scripting, come AutoIt, in grado di controllare i clic del mouse e gli input da tastiera è la soluzione a questo problema. In questo modo, è possibile incorporare qualsiasi dispositivo prodotto da qualsiasi produttore, purché il dispositivo sia controllato da un computer, che in genere è il caso che viene fatto.
L'emergere di robot che non richiedono una particolare formazione per la loro programmazione, come Baxter, il robot, è un altro progresso significativo nel campo della robotica che ha il potenziale per avere ramificazioni significative per i laboratori.
L'adozione di robot da laboratorio è stata ostacolata dal costo elevato di molte di queste macchine. D'altra parte, al momento sono disponibili un gran numero di dispositivi robotici a un costo molto basso e che potrebbero essere utilizzati per eseguire determinate attività in laboratorio. Un esempio è l'utilizzo di un braccio robotico a basso costo allo scopo di eseguire diversi tipi di analisi dell'acqua senza subire alcuna riduzione delle prestazioni rispetto agli autocampionatori che sono significativamente più costosi. In alternativa, l'autocampionatore di un dispositivo può essere utilizzato con un altro dispositivo, eliminando la necessità di ottenere un autocampionatore diverso o di impiegare un tecnico per svolgere l'attività. In primo luogo, l'utilizzo di robot a basso costo, che stanno diventando sempre più diffusi, e in secondo luogo, l'utilizzo di scripting, che consente l'interoperabilità tra robot e altre apparecchiature analitiche, sono le due caratteristiche più importanti che contribuiscono al raggiungimento di una robotica di laboratorio a basso costo.
Nel mese di luglio dell'anno 2020, i ricercatori hanno annunciato la creazione di un chimico robot mobile e hanno dimostrato che è in grado di assistere nella ricerca di risultati sperimentali. Secondo gli scienziati, la loro strategia consisteva nell'automatizzare il ricercatore piuttosto che gli strumenti. Ciò ha permesso ai ricercatori umani di avere più tempo per pensare in modo creativo e sono stati in grado di identificare miscele di fotocatalizzatori per la produzione di idrogeno dall'acqua che erano sei volte più attive rispetto alle formulazioni iniziali. Il robot modulare è in grado di far funzionare apparecchiature di laboratorio, lavorare quasi senza sosta e di esprimere giudizi sulle sue ulteriori azioni da solo sulla base dei risultati degli esperimenti.
Lo sviluppo di "laboratori telecomandati" è ora in corso. Questi laboratori sono in grado di svolgere in modo autonomo un gran numero di esperimenti nel campo delle scienze della vita su base giornaliera e possono essere gestiti da remoto, anche in collaborazione con altre persone.
Una delle applicazioni più importanti della sintesi automatizzata è nel campo della ricerca farmaceutica, in particolare nell'area della determinazione della struttura. La preparazione del campione per processi come la risonanza magnetica nucleare (NMR) e la cromatografia liquida ad alte prestazioni e la spettrometria di massa (HPLC-MS) può ora essere eseguita da un braccio robotico. La cristallografia a raggi X e la risonanza magnetica nucleare (NMR) possono essere utilizzate insieme per eseguire analisi strutturali delle proteine in modo automatizzato. La creazione di un cristallo proteico appropriato per la cristallografia a raggi X richiede spesso l'esecuzione di centinaia o migliaia di test durante il processo di cristallizzazione. All'interno dei confini di una macchina per micropipette automatizzata, è possibile generare contemporaneamente circa un milione di cristalli distinti, che possono poi essere esaminati utilizzando la cristallografia a raggi X.
Ci sono robot, ad esempio, che vengono utilizzati nel processo di analisi dei tamponi prelevati dai pazienti al fine di diagnosticare il COVID-19. Per i saggi a flusso laterale, sono stati creati o sono in fase di costruzione dispositivi robotici automatizzati per la manipolazione dei liquidi. Riduce la quantità di tempo dedicato al lavoro pratico, aumenta la scala dell'esperimento e fornisce una maggiore riproducibilità.
È pratica comune conservare i campioni biologici e chimici in fiale, piastre o provette, a seconda che siano allo stato liquido o solido. È frequentemente necessario congelarli e/o incapsularli per evitare contaminazioni o per preservare le qualità biologiche e/o chimiche che possiedono. Per essere più precisi, l'industria delle scienze della vita ha standardizzato un formato di piastra noto come piastra per microtitolazione per conservare campioni di questo tipo.
Nel 1996, la Society for Biomolecular Screening è stata l'organizzazione che ha inizialmente standardizzato la specifica della piastra per microtitolazione. Tipicamente, è composto da 96, 384 o anche 1536 pozzetti campione che sono posti in una matrice rettangolare con un rapporto di 2:3. Sia le dimensioni del pozzetto (come diametro, spaziatura e profondità) che le qualità della piastra (come dimensioni e rigidità) sono regolate dalla norma.
Le micropiastre SBS sono gestite in modo specifico da robot creati da diverse aziende. Tra questi robot, ci sono manipolatori di liquidi in grado di aspirare o erogare campioni liquidi da e verso queste piastre, e ci sono anche "plate movers" in grado di trasportare campioni liquidi tra i dispositivi.
Altre aziende hanno portato l'integrazione in misura ancora maggiore: oltre a poter interfacciarsi con i particolari materiali di consumo che vengono utilizzati nel campo della biologia, sono stati creati alcuni robot (Andrew by Andrew Alliance, vedi foto) con la potenzialità di integrarsi con le pipette volumetriche che vengono utilizzate dal personale tecnico e da altri membri della comunità scientifica. In sostanza, tutte le azioni manuali associate alla manipolazione dei liquidi possono essere completate automaticamente, il che consente alle persone di dedicare il proprio tempo ad attività di natura più concettuale.
Le aziende produttrici di strumenti hanno sviluppato lettori di piastre in grado di effettuare la rilevazione di particolari fenomeni biologici, chimici o fisici che si verificano nei campioni che vengono conservati in queste piastre. La valutazione del contenuto dei pozzetti della piastra per microtitolazione viene normalmente effettuata da questi lettori attraverso l'utilizzo di tecniche ottiche e/o di visione artificiale.
La sintesi di peptidi e oligonucleotidi costituisce uno dei primi usi dei robot nel campo della biologia. Uno dei primi esempi è la reazione a catena della polimerasi (PCR), che può amplificare i filamenti di DNA utilizzando un termociclatore per regolare la sintesi del DNA alterando la temperatura utilizzando un programma per computer prefabbricato. Questo è un esempio di una tecnica estremamente...
