Исследователи из Санкт-Петербурга создали и протестировали роботизированную платформу, предназначенную для автоматизации проведения химических экспериментов. Этот робот способен самостоятельно запускать реакции с органическими веществами без участия человека. В отличие от промышленных систем, разработка отличается более низкой стоимостью и универсальностью благодаря использованию деталей, отпечатанных на 3D-принтере, а также открытого программного кода. Робот-химик уже помог выявить ускорение реакции в условиях присутствия полимерных окружений, что открывает новые возможности для создания систем адресной доставки лекарств. Подробнее о разработке — в материале «Известий».
Робот-манипулятор для химической лабораторииСпециалисты в области химии и робототехники из центра инфохимии Университета ИТМО сконструировали бюджетного робота-манипулятора, созданного для изучения и автоматизации реакции химических процессов. По словам ученых, переданным «Известиям», робот собирается из элементов, напечатанных на 3D-принтере, а работает на платформе с открытым исходным кодом.
Фото: ИТМОДанный робот способен выполнять стандартные лабораторные действия: откручивать пробирочные крышки, создавать реакционные смеси, отмеряя точные объемы растворов, переносить пробирки между различными секциями и устанавливать кюветы в спектрофотометр. Для этого устройство оснащено манипулятором захвата (роборукой), дозатором, USB-камерой и контроллером, который обрабатывает видеоданные с камеры. Управляющая программа, своего рода "мозг" робота, написана инженерами ИТМО на языке Python для контроля и анализа данных.
Фото: ИТМОВ Университете ИТМО сообщили «Известиям», что при исследовании реакций химикам нередко приходится повторять однотипные операции: брать растворы, смешивать их и контролировать ход реакций с помощью различных физико-химических техник. Этот процесс может приводить к усталости и случайным ошибкам. В отличие от человека, роботизированные манипуляторы не устают и не совершают ошибки, поскольку работают строго по запрограммированному алгоритму. Это дает возможность оптимизировать параметры в рамках плана эксперимента сразу по нескольким направлениям. Кроме того, роботы подходят для работы в опасных условиях, например, при обращении с токсичными реагентами или продуктами реакции.
— Мы предлагаем широкое применение нашей платформы в образовательных и научных лабораториях: для создания такого робота необходимы лишь детали, отпечатанные на 3D-принтере, а программное обеспечение можно написать самостоятельно или воспользоваться открыто доступным кодом. Такие решения помогают эффективно автоматизировать задачи по извлечению полезных или наоборот токсичных компонентов, а также поиск стратегий ускорения органических реакций. Особенно интересно применять эти технологии для изучения сложных, многоэтапных химических реакций, — прокомментировал «Известиям» один из ведущих авторов проекта, доцент центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев.
Возможности использования робота-химикаС помощью созданного манипулятора ученые автоматизировали проведение органической реакции конденсации барбитуровой кислоты и различных альдегидов. Эта реакция имеет потенциал для применения в биологических системах при модификации биомолекул. Важным условием является быстрая протекание реакции в средах, подобных тем, что встречаются в организме человека. После проведения 45 экспериментов удалось добиться ускорения реакции — в отдельных случаях скорость возросла более чем в три раза. По мнению авторов, такое открытие открывает перспективы в медицине, например, для визуализации клеток при диагностике рака, создания целевых систем доставки лекарств в органы, а также разработки материалов с пьезоэлектрическим откликом, применяемых в микроэлектронике, вибрационных и ультразвуковых датчиках.
Фото: ИТМОПо словам директора центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана, доктора химических наук Евгения Александрова, такие роботы могут найти применение в научных институтах, университетах и отделах контроля качества на химических предприятиях.
Роботы способны улучшить автоматизацию процессов в химпроме, нефтехимии, разработке строительных материалов, фармацевтической отрасли и в химико-биологическом анализе, применяемом в медицине.
— В таких исследованиях, как синтез металл-органических координационных полимеров, требуется проверить множество вариантов условий реакции. Этот однообразный труд отнимает много времени у квалифицированных специалистов. Система с роботами позволит освободить их от рутины, улучшить воспроизводимость результатов, упростить сбор информации и сосредоточиться на прогнозах по созданию новых соединений, — отметил Евгений Александров.
Фото: ИТМОПо мнению заведующего кафедрой инжиниринга технологического оборудования Университета МИСИС Алексея Карфидова, роботизация в химической промышленности — очень перспективное направление, поскольку люди зачастую ограничены в работе из-за требований безопасности.
— Робот способен функционировать в более сложных условиях и работать с веществами, опасными для человека. Вместе с тем важно уделять внимание материалам и покрытиям конструкции, чтобы они не разрушались агрессивными химикатами, используемыми в экспериментах. Также крайне необходима высокая точность работы, особенно при работе с малыми объемами, чтобы эффективно расходовать реагенты, — подчеркнул эксперт.
Итоги исследования опубликованы в издании Materials Horizons.