Capítulo 1 : Robótica laboratorial
Robótica de laboratório refere-se à prática de empregar robôs em laboratórios especializados em engenharia, biologia ou química. Os robôs são utilizados por empresas farmacêuticas, por exemplo, para mover amostras biológicas ou químicas, a fim de fabricar novas entidades químicas ou analisar o valor medicinal da matéria química existente. O projeto Robot Scientist é um exemplo de como robôs de laboratório avançados podem ser utilizados para automatizar totalmente o processo de criação de descobertas científicas.
Devido ao fato de que os procedimentos laboratoriais consistem em movimentos repetitivos (como coleta e colocação, adição de líquidos e sólidos, aquecimento e resfriamento, mistura, agitação e testes), a automação robótica é uma boa opção para essas atividades. É prática comum referir-se a um grande número de robôs de laboratório como amostradores automáticos porque a sua principal função é fornecer amostras contínuas para instrumentos analíticos.
No início da década de 1980, os primeiros pequenos braços robóticos controlados por computador foram introduzidos e, desde então, têm sido usados em laboratórios sem interrupção. Estes robôs são capazes de ser treinados para realizar uma grande variedade de tarefas, incluindo a preparação e processamento de amostras quando necessário.
No entanto, no início da década de 1980, um grupo de pesquisadores da Kochi Medical School liderado por Masahide Sasaki produziu o primeiro laboratório totalmente automatizado. Este laboratório utilizou uma série de braços robóticos que colaboraram com correias transportadoras e analisadores automatizados. Como resultado do trabalho pioneiro de Sasaki, inúmeras organizações em todo o mundo começaram a usar a metodologia Total Laboratory Automation (TLA).
Embora não haja como negar a eficácia do TLA, o fato de custar vários milhões de dólares impediu a maioria dos laboratórios de adotá-lo. Além disso, a incapacidade de vários dispositivos se comunicarem entre si retardou o processo de desenvolvimento de soluções de automação para diversas aplicações, o que contribuiu para a manutenção de altos custos. Como resultado, a indústria fez várias tentativas para estabelecer padrões que vários fornecedores iriam aderir, a fim de tornar possível que seus dispositivos se comuniquem uns com os outros. No entanto, esta estratégia foi apenas parcialmente bem-sucedida, uma vez que muitos laboratórios na era moderna continuam a evitar o uso de robôs para uma variedade de trabalhos devido aos altos gastos associados ao uso da automação.
Nos últimos tempos, uma solução diferente para o problema tornou-se disponível, o que torna possível a utilização de dispositivos de baixo custo, como hardware de código aberto, para realizar uma grande variedade de trabalhos no laboratório. A utilização de linguagens de script, como o AutoIt, que são capazes de controlar cliques do mouse e entradas do teclado é a solução para esse problema. Desta forma, é viável incorporar qualquer dispositivo fabricado por qualquer fabricante, desde que o dispositivo seja controlado por um computador, o que normalmente é o caso que é feito.
O surgimento de robôs que não requerem formação específica para a sua programação, como o robô Baxter, é outro avanço significativo no campo da robótica que tem o potencial de ter ramificações significativas para os laboratórios.
A adoção de robôs de laboratório tem sido dificultada pelo custo caro de muitas dessas máquinas. Por outro lado, há um grande número de dispositivos robóticos que estão disponíveis a um custo muito baixo no momento, e estes poderiam ser utilizados para executar certas tarefas em um laboratório. Um exemplo é a utilização de um braço robótico de baixo custo com a finalidade de fazer vários tipos de análise de água sem experimentar qualquer redução no desempenho em comparação com amostradores automáticos que são significativamente mais caros. Como alternativa, o amostrador automático de um dispositivo pode ser usado com outro dispositivo, o que elimina a necessidade de obter um amostrador automático diferente ou empregar um técnico para realizar a tarefa. Em primeiro lugar, a utilização de robôs de baixo custo, que estão a tornar-se cada vez mais difundidos, e em segundo lugar, a utilização de scripting, que permite a interoperabilidade entre robôs e outros equipamentos analíticos, são as duas características mais importantes que contribuem para a obtenção de robótica laboratorial de baixo custo.
No mês de julho do ano de 2020, pesquisadores anunciaram a criação de um robô químico móvel e demonstraram que ele é capaz de auxiliar na busca por resultados experimentais. De acordo com os cientistas, sua estratégia consistia em automatizar o pesquisador e não os instrumentos. Isso permitiu que os pesquisadores humanos tivessem mais tempo para pensar criativamente, e eles foram capazes de identificar misturas fotocatalisadoras para a produção de hidrogênio a partir da água que eram seis vezes mais ativas do que as formulações iniciais. O robô modular é capaz de operar aparelhos de laboratório, trabalhando quase sem parar, e fazer julgamentos sobre suas ações futuras por conta própria com base nos resultados de experimentos.
O desenvolvimento de "laboratórios telecomandados" está agora em curso. Estes laboratórios são capazes de realizar autonomamente um grande número de experiências de ciências da vida numa base diária e podem ser operados remotamente, incluindo em colaboração com outras pessoas.
Uma das aplicações mais importantes da síntese automatizada é no campo da investigação farmacêutica, nomeadamente na área da determinação de estruturas. A preparação de amostras para processos como a ressonância magnética nuclear (RMN) e a cromatografia líquida de alta eficiência-espectrometria de massa (HPLC-MS) pode agora ser realizada por um braço robótico. A cristalografia de raios X e a ressonância magnética nuclear (RMN) podem ser usadas em conjunto para realizar análises estruturais de proteínas de forma automatizada. Criar um cristal de proteína que seja apropriado para cristalografia de raios-X muitas vezes requer centenas a milhares de testes a serem realizados durante o processo de cristalização. Dentro dos limites de uma máquina automatizada de micropipetas, é possível gerar cerca de um milhão de cristais distintos simultaneamente, que podem ser examinados usando cristalografia de raios-X.
Existem robôs, por exemplo, que são utilizados no processo de análise de swabs retirados de pacientes para diagnosticar a COVID-19. Para ensaios de fluxo lateral, foram criados ou estão em processo de construção dispositivos robóticos automatizados de manuseamento de líquidos. Ele reduz a quantidade de tempo gasto no trabalho prático, aumenta a escala do experimento e fornece maior reprodutibilidade.
É prática comum manter amostras biológicas e químicas em frascos, placas ou tubos, dependendo se estão no estado líquido ou sólido. É frequentemente necessário congelá-los e/ou encapsular para evitar a contaminação ou preservar as qualidades biológicas e/ou químicas que possuem. Para ser mais específico, a indústria das ciências da vida padronizou um formato de placa que é conhecido como placa de microtitulação, a fim de armazenar amostras desse tipo.
Em 1996, a Society for Biomolecular Screening foi a organização que inicialmente padronizou a especificação da placa de microtitulação. Normalmente, é composto por 96, 384 ou mesmo 1536 poços de amostra que são colocados em uma matriz retangular com uma proporção de 2:3. Tanto as dimensões do poço (como diâmetro, espaçamento e profundidade) quanto as qualidades da placa (como dimensões e rigidez) são regidas pelo padrão.
As microplacas SBS são especificamente manuseadas por robôs que foram criados por várias empresas diferentes. Entre esses robôs, existem manipuladores de líquidos que são capazes de aspirar ou distribuir amostras líquidas de e para essas placas, e também há "movedores de placas" que são capazes de transportar amostras líquidas entre dispositivos.
Outras empresas levaram a integração a um grau ainda maior: além de serem capazes de interagir com os consumíveis específicos que são utilizados no campo da biologia, certos robôs (Andrew by Andrew Alliance, ver imagem) foram criados com o potencial de integração com pipetas volumétricas que são utilizadas pela equipe técnica e outros membros da comunidade científica. Em essência, todas as ações manuais associadas ao manuseio de líquidos podem ser concluídas automaticamente, o que permite que os indivíduos dediquem seu tempo a atividades de natureza mais conceitual.
As empresas que fabricam instrumentos desenvolveram leitores de placas capazes de realizar a deteção de fenômenos biológicos, químicos ou físicos específicos que ocorrem em amostras armazenadas nessas placas. A avaliação do conteúdo dos poços da placa de microtitulação é normalmente realizada por estes leitores através da utilização de técnicas de visão ótica e/ou computacional.
A síntese de peptídeos e oligonucleótidos constitui uma das primeiras utilizações dos robôs no campo da biologia. Um dos primeiros exemplos é a reação em cadeia da polimerase (PCR), que pode amplificar cadeias de DNA utilizando um termociclador para regular a síntese de DNA alterando a temperatura usando um programa de computador pré-fabricado. Este é um exemplo de uma técnica extremamente útil. Com...
