Тело техники: роботы-химики заменят людей в лабораторных экспериментах

Ученые из Санкт-Петербурга собрали и испытали роботизированную платформу для автоматизации химических экспериментов. Робот самостоятельно, без участия человека, выполняет простые операции по запуску реакций органических соединений. Разработка доступнее и универсальнее промышленных систем, поскольку собрана из деталей, напечатанных на 3D-принтере, и имеет открытый исходный код. Робот-химик уже помог обнаружить ускорение реакции в окружении полимеров — открытие расширяет возможности в создании систем адресной доставки лекарств. Подробнее об инновации — в материале «Известий».

Робот-манипулятор для работы в химической лаборатории

Химики и робототехники центра инфохимии Университета ИТМО разработали недорогого робота-манипулятора для автоматизации и изучения реакций. Как пояснили «Известиям» ученые, собрать его можно из деталей, напечатанных на 3D-принтере. А работает устройство на платформе с открытым кодом.

Робот выполняет основные лабораторные операции: откручивает крышки пробирок, готовит реакционные смеси, отбирая нужные объемы растворов реагентов и переливая их в пробирки или кюветы, переносит пробирки между разными блоками, а также устанавливает кюветы в отсек спектрофотометра. Для этого машина использует манипулятор захвата (роборуку), дозатор, USB-камеру и контроллер, обрабатывающий информацию с камеры. «Мозг» робота — программа для управления и анализа данных, написанная инженерами ИТМО на Python.

Как пояснили «Известиям» в вузе, при исследовании химических реакций ученым приходится многократно выполнять ряд рутинных операций: отбирать растворы реагентов, смешивать их и контролировать протекание реакции физико-химическими методами. Это может приводить к накоплению усталости и появлению случайных ошибок. А роботизированные манипуляторы, в отличие от человека, не устают и не ошибаются, так как действуют строго по заданному алгоритму. Это позволяет проводить оптимизацию сразу по нескольким параметрам в рамках планирования эксперимента. Кроме того, роботов можно использовать в опасных для человека условиях, например когда реагенты или продукты реакции токсичные.

— Мы предлагаем массово использовать наше решение для учебных и исследовательских лабораторий: для сборки такого робота понадобятся только детали, напечатанные на 3D-принтере, а программный код можно написать самим либо использовать код из открытых источников. С помощью таких платформ можно успешно автоматизировать задачи извлечения полезных или, наоборот, токсичных компонентов, а также поиск новых способов ускорения органических реакций. В частности, с такими технологическими помощниками нам было бы интересно исследовать более сложные, многостадийные реакции, — рассказал «Известиям» один из главных авторов исследования, доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев.

Как можно использовать робота-химика

С помощью манипулятора ученые автоматизировали проведение органической реакции — конденсации барбитуровой кислоты с различными альдегидами. Потенциально ее можно использовать в биологических системах для модификации биомолекул. Для этого важно, чтобы реакция могла протекать быстро в средах, аналогичных тем, что находятся в организме человека. По результатам 45 экспериментов химикам удалось ускорить реакцию — в отдельных случаях она возросла более чем в три раза. По мнению авторов, открытие перспективно для медицины — например, для визуализации клеток при диагностике рака или создания систем адресной доставки лекарств в определенные органы, а также для разработки материалов с пьезоэлектрическим откликом, которые используются в микроэлектронике, датчиках вибрации и давления, ультразвуковом оборудовании.

Роботы найдут применение в научных исследованиях институтов и вузов и отделах контроля качества продукции на химических предприятиях, рассказал директор центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.х.н. Евгений Александров.

Они могут помочь автоматизировать процессы в химической промышленности, нефтехимии, разработке строительных материалов, фармацевтике, химико-биологическом анализе в медицине.

— В исследованиях, например синтезе металл-органических координационных полимеров, требуется перебрать огромное количество вариантов условий проведения реакций. Эта рутинная работа забирает очень много времени у высококвалифицированных сотрудников. Роботизированная система позволит освободить их от рутины, повысить воспроизводимость результатов, облегчить сбор данных и сфокусироваться на прогнозировании возможности получения новых соединений, — сказал ученый.

Роботы в химическом производстве — это очень перспективное направление, потому что в этой отрасли участие человека зачастую может быть сильно ограничено по ряду требований безопасности, отметил заведующий кафедрой инжиниринга технологического оборудования Университета МИСИС Алексей Карфидов.

— Робот может работать в более сложных условиях и взаимодействовать с веществами, которые для человека вредны. Но всё равно важно уделять внимание материалам и покрытиям, из которых он сделан, чтобы их не испортили едкие химикаты, с которыми должны проводиться эксперименты. И в целом необходимо обеспечение высокой точности, особенно в случае работы с небольшими объемами веществ, чтобы был максимально эффективный расход реагентов на проведение экспериментов, — отметил эксперт.

Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.