Capítulo 1 : Robótica de laboratorio
La robótica de laboratorio se refiere a la práctica de emplear robots en laboratorios que se especializan en ingeniería, biología o química. Las empresas farmacéuticas utilizan robots, por ejemplo, para mover muestras biológicas o químicas con el fin de fabricar nuevas entidades químicas o analizar el valor medicinal de la materia química existente. El proyecto Robot Scientist es un ejemplo de cómo se pueden utilizar robots de laboratorio avanzados para automatizar por completo el proceso de creación de descubrimientos científicos.
Debido al hecho de que los procedimientos de laboratorio consisten en movimientos repetitivos (como recoger y colocar, agregar líquidos y sólidos, calentar y enfriar, mezclar, agitar y probar), la automatización robótica es una buena opción para estas actividades. Es una práctica habitual referirse a un gran número de robots de laboratorio como muestreadores automáticos porque su función principal es suministrar muestras continuas a los instrumentos analíticos.
A principios de la década de 1980, se introdujeron los primeros brazos robóticos diminutos controlados por computadora y, desde entonces, se han utilizado en laboratorios sin interrupción. Estos robots son capaces de ser entrenados para llevar a cabo una amplia variedad de tareas, incluida la preparación y el procesamiento de muestras cuando sea necesario.
Sin embargo, a principios de la década de 1980, un grupo de investigadores de la Escuela de Medicina de Kochi, dirigido por Masahide Sasaki, produjo el primer laboratorio totalmente automatizado. Este laboratorio utilizaba una serie de brazos robóticos que colaboraban con cintas transportadoras y analizadores automatizados. Como resultado del trabajo pionero de Sasaki, numerosas organizaciones de todo el mundo han comenzado a utilizar la metodología de Automatización Total de Laboratorio (TLA).
Aunque no se puede negar la eficacia del TLA, el hecho de que cueste varios millones de dólares impidió que la mayoría de los laboratorios lo adoptaran. Además, la incapacidad de varios dispositivos para comunicarse entre sí ralentizó el proceso de desarrollo de soluciones de automatización para diversas aplicaciones, lo que contribuyó al mantenimiento de altos costos. Como resultado, la industria hizo múltiples intentos de establecer estándares a los que se adherirían varios proveedores para hacer posible que sus dispositivos se comunicaran entre sí. Sin embargo, esta estrategia solo ha tenido un éxito parcial, ya que muchos laboratorios en la era moderna continúan evitando el uso de robots para una variedad de trabajos debido a los altos costos asociados con el uso de la automatización.
En los últimos tiempos, se ha puesto a disposición una solución diferente al problema, que permite utilizar dispositivos de bajo costo, como hardware de código abierto, para realizar una amplia variedad de trabajos en el laboratorio. La utilización de lenguajes de scripting, como AutoIt, que son capaces de controlar los clics del ratón y las entradas del teclado es la solución a este problema. De esta manera, es factible incorporar cualquier dispositivo fabricado por cualquier fabricante siempre y cuando el dispositivo esté controlado por una computadora, que es típicamente el caso que se hace.
La aparición de robots que no requieren un entrenamiento particular para su programación, como Baxter, el robot, es otro avance significativo en el campo de la robótica que tiene el potencial de tener ramificaciones significativas para los laboratorios.
La adopción de robots de laboratorio se ha visto obstaculizada por el alto costo de muchas de estas máquinas. Por otro lado, hay una gran cantidad de dispositivos robóticos que están disponibles a un costo muy bajo en este momento, y estos podrían ser utilizados para realizar ciertas tareas en un laboratorio. Un ejemplo es la utilización de un brazo robótico de bajo costo con el fin de realizar múltiples tipos de análisis de agua sin experimentar ninguna reducción en el rendimiento en comparación con los muestreadores automáticos que son significativamente más caros. Como alternativa, el muestreador automático de un dispositivo se puede utilizar con otro dispositivo, lo que elimina la necesidad de obtener un muestreador automático diferente o emplear a un técnico para llevar a cabo la tarea. En primer lugar, la utilización de robots de bajo costo, que se están generalizando cada vez más, y en segundo lugar, la utilización de scripting, que permite la interoperabilidad entre robots y otros equipos analíticos, son las dos características más importantes que contribuyen al logro de la robótica de laboratorio de bajo costo.
En el mes de julio del año 2020, los investigadores anunciaron la creación de un robot químico móvil y demostraron que es capaz de ayudar en la búsqueda de resultados experimentales. Según los científicos, su estrategia consistió en automatizar al investigador en lugar de los instrumentos. Esto permitió a los investigadores humanos tener más tiempo para pensar creativamente, y pudieron identificar mezclas de fotocatalizadores para la producción de hidrógeno a partir de agua que eran seis veces más activas que las formulaciones iniciales. El robot modular es capaz de operar aparatos de laboratorio, trabajar casi sin parar y emitir juicios sobre sus acciones posteriores por sí mismo en función de los hallazgos de los experimentos.
El desarrollo de los "laboratorios telecontrolados" ya está en marcha. Estos laboratorios son capaces de llevar a cabo de forma autónoma un gran número de experimentos de ciencias de la vida a diario y pueden funcionar a distancia, incluso en colaboración con otras personas.
Una de las aplicaciones más importantes de la síntesis automatizada es en el campo de la investigación farmacéutica, concretamente en el área de la determinación de la estructura. La preparación de muestras para procesos como la resonancia magnética nuclear (RMN) y la cromatografía líquida-espectrometría de masas de alta resolución (HPLC-MS) ahora se puede realizar mediante un brazo robótico. La cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear (RMN) se pueden utilizar conjuntamente para realizar análisis de proteínas estructurales de forma automatizada. La creación de un cristal de proteína que sea apropiado para la cristalografía de rayos X a menudo requiere que se realicen cientos o miles de pruebas durante el proceso de cristalización. Dentro de los límites de una máquina de micropipetas automatizada, es posible generar aproximadamente un millón de cristales distintos simultáneamente, que luego pueden examinarse mediante cristalografía de rayos X.
Hay robots, por ejemplo, que se utilizan en el proceso de análisis de hisopos tomados de pacientes para diagnosticar COVID-19. Para los ensayos de flujo lateral, se han creado o están en proceso de construcción dispositivos robóticos automatizados de manejo de líquidos. Reduce la cantidad de tiempo dedicado al trabajo manual, aumenta la escala del experimento y proporciona una mayor reproducibilidad.
Es una práctica común mantener muestras biológicas y químicas en viales, placas o tubos, dependiendo de si están en estado líquido o sólido. Con frecuencia es necesario congelarlos y/o encapsularlos para evitar su contaminación o para preservar las cualidades biológicas y/o químicas que poseen. En concreto, la industria de las ciencias de la vida se ha estandarizado en un formato de placa que se conoce como placa de microtitulación para almacenar muestras de este tipo.
En 1996, la Society for Biomolecular Screening fue la organización que inicialmente estandarizó la especificación de la placa de microtitulación. Por lo general, se compone de 96, 384 o incluso 1536 pocillos de muestra que se colocan en una matriz rectangular con una proporción de 2:3. Tanto las dimensiones del pozo (como el diámetro, el espaciado y la profundidad) como las cualidades de la placa (como las dimensiones y la rigidez) se rigen por la norma.
Las microplacas SBS son manipuladas específicamente por robots que han sido creados por varias empresas diferentes. Entre estos robots, hay manipuladores de líquidos que son capaces de aspirar o dispensar muestras líquidas desde y hacia estas placas, y también hay "motores de placas" que son capaces de transportar muestras líquidas entre dispositivos.
Otras empresas han llevado la integración a un grado aún mayor: además de poder interactuar con los consumibles particulares que se utilizan en el campo de la biología, se han creado ciertos robots (Andrew by Andrew Alliance, ver imagen) con el potencial de integrarse con pipetas volumétricas que son utilizadas por el personal técnico y otros miembros de la comunidad científica. En esencia, todas las acciones manuales asociadas con el manejo de líquidos se pueden completar automáticamente, lo que permite a las personas dedicar su tiempo a actividades de naturaleza más conceptual.
Las empresas que fabrican instrumentos han desarrollado lectores de placas que son capaces de llevar a cabo la detección de fenómenos biológicos, químicos o físicos particulares que ocurren en las muestras que se almacenan en estas placas. La evaluación del contenido de los pocillos de placas de microtitulación normalmente se realiza mediante la utilización de técnicas ópticas y/o de visión por computadora.
La síntesis de péptidos y oligonucleótidos constituye uno de los primeros usos de los robots en el campo de la biología. Uno de los primeros ejemplos es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que puede...
