Chapitre 1 : Robotique de laboratoire
La robotique de laboratoire fait référence à la pratique consistant à employer des robots dans des laboratoires spécialisés en ingénierie, en biologie ou en chimie. Les robots sont utilisés par les entreprises pharmaceutiques, par exemple, pour déplacer des échantillons biologiques ou chimiques afin de fabriquer de nouvelles entités chimiques ou d'analyser la valeur médicinale de matières chimiques existantes. Le projet Robot Scientist est un exemple de la façon dont des robots de laboratoire avancés peuvent être utilisés pour automatiser entièrement le processus de création de découvertes scientifiques.
Étant donné que les procédures de laboratoire consistent en des mouvements répétitifs (tels que le prélèvement et le placement, l'ajout de liquides et de solides, le chauffage et le refroidissement, le mélange, l'agitation et les tests), l'automatisation robotique est bien adaptée à ces activités. Il est d'usage de qualifier un grand nombre de robots de laboratoire d'échantillonneurs automatiques, car leur fonction principale est de fournir des échantillons continus aux instruments d'analyse.
Au début des années 1980, les premiers petits bras robotiques contrôlés par ordinateur ont été introduits, et depuis lors, ils ont été utilisés dans les laboratoires sans interruption. Ces robots peuvent être formés pour effectuer une grande variété de tâches, y compris la préparation et le traitement d'échantillons si nécessaire.
Néanmoins, au début des années 1980, un groupe de chercheurs de la faculté de médecine de Kochi dirigé par Masahide Sasaki a produit le premier laboratoire entièrement automatisé. Ce laboratoire utilisait un certain nombre de bras robotiques qui collaboraient avec des bandes transporteuses et des analyseurs automatisés. À la suite du travail de pionnier de Sasaki, de nombreuses organisations du monde entier ont commencé à utiliser la méthodologie Total Laboratory Automation (TLA).
Bien que l'on ne puisse nier l'efficacité de l'ATL, le fait qu'il coûte plusieurs millions de dollars a empêché la majorité des laboratoires de l'adopter. De plus, l'incapacité des différents appareils à communiquer entre eux a ralenti le processus de développement de solutions d'automatisation pour diverses applications, ce qui a contribué au maintien de coûts élevés. En conséquence, l'industrie a tenté à plusieurs reprises d'établir des normes auxquelles les différents fournisseurs adhéreraient afin de permettre à leurs appareils de communiquer entre eux. Néanmoins, cette stratégie n'a que partiellement réussi, car de nombreux laboratoires de l'ère moderne continuent d'éviter d'utiliser des robots pour une variété de tâches en raison des dépenses élevées associées à l'utilisation de l'automatisation.
Ces derniers temps, une solution différente au problème est devenue disponible, ce qui permet d'utiliser des appareils peu coûteux, tels que du matériel open source, pour effectuer une grande variété de travaux en laboratoire. L'utilisation de langages de script, tels que AutoIt, capables de contrôler les clics de souris et les entrées au clavier, est la solution à ce problème. De cette manière, il est possible d'incorporer n'importe quel appareil fabriqué par n'importe quel fabricant tant que l'appareil est contrôlé par un ordinateur, ce qui est généralement le cas.
L'émergence de robots qui ne nécessitent pas de formation particulière pour leur programmation, comme Baxter, le robot, est une autre avancée significative dans le domaine de la robotique qui a le potentiel d'avoir des ramifications importantes pour les laboratoires.
L'adoption des robots de laboratoire a été entravée par le coût élevé de bon nombre de ces machines. D'autre part, il existe un grand nombre d'appareils robotiques qui sont disponibles à un coût très bas à l'heure actuelle, et ceux-ci pourraient être utilisés pour effectuer certaines tâches dans un laboratoire. Par exemple, l'utilisation d'un bras robotisé à faible coût dans le but d'effectuer plusieurs types d'analyse de l'eau sans subir de réduction des performances par rapport aux échantillonneurs automatiques qui sont nettement plus chers. Comme alternative, l'échantillonneur automatique d'un appareil peut être utilisé avec un autre appareil, ce qui élimine la nécessité d'obtenir un autre échantillonneur automatique ou d'employer un technicien pour effectuer la tâche. Premièrement, l'utilisation de robots à faible coût, qui sont de plus en plus répandus, et deuxièmement, l'utilisation de scripts, qui permet l'interopérabilité entre les robots et d'autres équipements analytiques, sont les deux caractéristiques les plus importantes qui contribuent à la réalisation de la robotique de laboratoire à faible coût.
Au mois de juillet de l'année 2020, des chercheurs ont annoncé la création d'un robot chimiste mobile et ont démontré qu'il était capable d'aider à la recherche de résultats expérimentaux. Selon les scientifiques, leur stratégie consistait à automatiser le chercheur plutôt que les instruments. Cela a permis aux chercheurs humains d'avoir plus de temps pour penser de manière créative, et ils ont pu identifier des mélanges de photocatalyseurs pour la production d'hydrogène à partir de l'eau qui étaient six fois plus actifs que les formulations initiales. Le robot modulaire est capable de faire fonctionner des appareils de laboratoire, de travailler presque sans arrêt et de porter des jugements sur ses actions ultérieures par lui-même en fonction des résultats des expériences.
Le développement des « laboratoires télécommandés » est aujourd'hui en cours. Ces laboratoires sont capables de réaliser de manière autonome un grand nombre d'expériences en sciences de la vie au quotidien et peuvent être exploités à distance, y compris en collaboration avec d'autres personnes.
L'une des applications les plus importantes de la synthèse automatisée se trouve dans le domaine de la recherche pharmaceutique, à savoir dans le domaine de la détermination de la structure. La préparation d'échantillons pour des procédés tels que la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse (HPLC-MS) peut désormais être effectuée par un bras robotique. La cristallographie aux rayons X et la résonance magnétique nucléaire (RMN) peuvent être utilisées conjointement pour effectuer l'analyse structurale des protéines de manière automatisée. La création d'un cristal de protéine adapté à la cristallographie aux rayons X nécessite souvent des centaines à des milliers de tests à effectuer pendant le processus de cristallisation. Dans les limites d'une machine à micropipettes automatisée, il est possible de générer simultanément environ un million de cristaux distincts, qui peuvent ensuite être examinés à l'aide de la cristallographie aux rayons X.
Il existe des robots, par exemple, qui sont utilisés dans le processus d'analyse des écouvillons prélevés sur les patients afin de diagnostiquer le COVID-19. Pour les tests à flux latéral, des dispositifs automatisés de manipulation robotisée des liquides ont été créés ou sont en cours de construction. Il réduit le temps consacré aux travaux pratiques, augmente l'échelle de l'expérience et offre une reproductibilité accrue.
Il est courant de conserver les échantillons biologiques et chimiques dans des flacons, des plaques ou des tubes, selon qu'ils sont à l'état liquide ou solide. Il est fréquemment nécessaire de les congeler et/ou de les encapsuler afin d'éviter toute contamination ou de préserver les qualités biologiques et/ou chimiques qu'ils possèdent. Pour être plus précis, l'industrie des sciences de la vie a normalisé un format de plaque connu sous le nom de plaque de microtitration afin de stocker des échantillons de ce type.
En 1996, la Society for Biomolecular Screening a été l'organisation qui a initialement normalisé la spécification de la plaque de microtitration. En règle générale, il est composé de 96, 384 ou même 1536 puits d'échantillon qui sont placés dans une matrice rectangulaire avec un rapport de 2:3. Les dimensions du puits (telles que le diamètre, l'espacement et la profondeur) et les qualités de la plaque (telles que les dimensions et la rigidité) sont régies par la norme.
Les microplaques SBS sont spécifiquement manipulées par des robots qui ont été créés par un certain nombre d'entreprises différentes. Parmi ces robots, il y a des manipulateurs de liquides capables d'aspirer ou de distribuer des échantillons liquides depuis et vers ces plaques, et il y a aussi des « déménageurs de plaques » qui sont capables de transporter des échantillons de liquide entre les appareils.
D'autres entreprises ont poussé l'intégration à un degré encore plus élevé : en plus de pouvoir s'interfacer avec les consommables particuliers utilisés dans le domaine de la biologie, certains robots (Andrew d'Andrew Alliance, voir photo) ont été créés avec le potentiel de s'intégrer avec des pipettes volumétriques utilisées par le personnel technique et d'autres membres de la communauté scientifique. Essentiellement, toutes les actions manuelles associées à la manipulation des liquides peuvent être effectuées automatiquement, ce qui permet aux individus de consacrer leur temps à des activités de nature plus conceptuelle.
Les entreprises qui fabriquent des instruments ont mis au point des lecteurs de plaques capables d'effectuer la détection de phénomènes...
