Người bạn cùng phòng mới của bạn thực hiện gần 700 quy trình trong tám ngày ? – đó là robot lab

Một nhà hóa học rô-bốt di động đã thể hiện sức chịu đựng không thua kém đồng nghiệp là con người khi làm việc liên tục trong 8 ngày – di chuyển phòng thí nghiệm ngay cả trong bóng tối hoàn toàn – và thực hiện 688 quy trình phân tích từ chuẩn bị mẫu đến chạy máy sắc ký khí GC headspace.

Được phát minh bởi nhóm của Andrew Cooper tại Đại học Liverpool, Vương quốc Anh, robot lab này đã tiến hành các thí nghiệm để tối ưu hóa quá trình sản xuất hydro từ ánh sáng và nước. Cooper nói: “Điểm thú vị nhất là điều này có thể được áp dụng cho nhiều loại hóa chất khác nhau, không chỉ quang xúc tác – và thực sự không chỉ hóa học.

Ý tưởng nảy sinh do Cooper nhận thấy một thiếu sót trong cách mà các phòng thí nghiệm hóa học thường sử dụng tự động hóa : trong các hệ thống tĩnh với các chức năng tích hợp khác nhau. Cooper nói: “Nếu bạn muốn đưa một thiết bị mới vào một thiết lập có đã được sử dụng, có thể mất một năm và nó rất tốn kém.

Trong khi đó, các dụng cụ hóa học thường được thiết kế để con người sử dụng. ‘Chúng tôi đã đi đến kết luận rằng mặc dù khó khăn về mặt kỹ thuật, nhưng sẽ có ý nghĩa hơn nếu tự động hóa nhà nghiên cứu hơn là các công cụ. Đó dường như là một ý tưởng điên rồ vào thời điểm đó và nhiều người có lý do tại sao nó không hoạt động.’ Ngay cả nhà cung cấp robot, chuyên gia tự động hóa người Đức Kuka, cũng không chắc về ý tưởng này khi Cooper hỏi liệu nó có hoạt động hay không. ‘Họ nói “Chúng tôi không biết, tại sao bạn lại muốn làm điều đó?”‘ anh nhớ lại.

Hệ thống này có một cánh tay robot với một bộ kẹp ở cuối được gắn trên một bệ di động. Nó sử dụng chức năng quét laze để xác định vị trí các vật thể và phản hồi cảm ứng để theo dõi độ bám của nó. Như vậy, nó có thể phân phối chất lỏng và chất rắn, đồng thời di chuyển các lọ nơi quy trình chuẩn bị mẫu xảy ra giữa các dụng cụ như máy quang phổ và máy sắc ký khí.

Một cách làm việc khác của robot lab

Quét laser cũng đưa ra một giải pháp đơn giản để ánh sáng xung quanh cản trở phản ứng quang xúc tác của nhóm. Cooper nói: “Đơn giản là để tăng tốc độ, chúng tôi đã tắt đèn phòng thí nghiệm và chạy nó trong bóng tối. Máy quét laser của robot có thể hoạt động tốt như nhau trong những trường hợp này. Tuy nhiên, điều này khiến con người không thể vào được, vì vậy cuối cùng các nhà nghiên cứu đã sơn các lọ màu đen thay vào đó và cho phòng thí nghiệm hoạt động trở lại.

Cooper nhấn mạnh rằng trong những thí nghiệm này, robot đã thực hiện khoảng 6500 thao tác riêng biệt. Ông nói: “Bạn cần có tỷ lệ lỗi cực kỳ thấp trên mỗi hoạt động để có bất kỳ cơ hội nào chạy được trong thời gian dài. ‘Và điều đó rất khó thực hiện. Thành thật mà nói, một năm tham gia dự án, tôi đã nghĩ “Chúng ta sẽ không bao giờ đạt được điều này”, bởi vì điều đó dường như là không thể. Phải mất một năm để chuyển từ tình trạng thứ này bị hỏng nhiều lần trong ngày thành chạy trong nhiều ngày.’

Do đó, các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách học thích ứng robot lab . Cooper nói: “Robot sẽ học hỏi từ các sai sót và điều chỉnh chúng bằng cách thay đổi hành vi của nó. ‘Thực tế, bạn không thể loại bỏ tất cả các thất bại.’

Đối với nghiên cứu này, nhóm đã nghĩ ra một thuật toán cho phép robot tối ưu hóa dần dần hệ thống xúc tác quang dựa trên kết quả của các thí nghiệm trước đó. Để tăng hiệu suất của chất xúc tác polyme, nó đã khám phá các chất phụ gia bao gồm ba loại thuốc nhuộm, hai chất hoạt động bề mặt và ba loại muối – natri hydroxit, natri clorua và natri disilicate. Thuật toán đã sử dụng các kết quả trước đó để ước tính những thay đổi nào sẽ tạo ra những cải tiến lớn nhất. Hỗn hợp cuối cùng mà nó thu được tạo ra hydro nhanh hơn sáu lần so với hỗn hợp ban đầu.

tương lai robot lab

Lee Cronin của Đại học Glasgow nhận thấy sự phát triển này rất thú vị của robot lab Sắc ký khí (GC). Ông nói: “Nó cung cấp cho robot di động khả năng nhận thức để tương tác trong môi trường và thực hiện một loạt các nhiệm vụ khác nhau. ‘Chìa khóa cho công việc trong tương lai sẽ là tạo ra một quy trình làm việc chung có thể được nhân rộng trong nhiều phòng thí nghiệm và giảm chi phí của hệ thống được sử dụng, nhưng điều này chắc chắn sẽ sớm xảy ra.’

Nessa Carson , một nhà hóa học công nghiệp làm việc trong lĩnh vực tự động hóa để khám phá hóa chất nông nghiệp ở Anh, gọi robot là ‘rất đẹp’. Cô nói: “Việc sàng lọc thường bắt đầu bằng những phỏng đoán thông minh và vị trí xuất phát của rô-bốt với năm giả thuyết khác nhau để kiểm tra khả năng tối ưu hóa của nó cũng không khác gì. ‘Nhưng những bước đột phá này sẽ không được thực hiện trong một bộ thí nghiệm duy nhất của các nhà nghiên cứu con người. Việc chạy 688 thí nghiệm có lẽ sẽ làm chùn bước ngay cả những nhà hóa học siêng năng nhất nếu không có sự trợ giúp tự động.’

Đội Liverpool hiện muốn robot thực hiện các kỹ thuật phân tích khó hơn nữa và hành động trên dữ liệu phức tạp được tạo ra. Các ví dụ bao gồm nhiễu xạ tia X và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Cooper nói: “Đối với quang xúc tác, bạn có hai con số, sản xuất hydro và oxy. ‘Giải thích phổ NMR hoặc mẫu nhiễu xạ bột, đó là một điều hoàn toàn khác.’

Cooper cũng gợi ý rằng các hệ thống như vậy cuối cùng có thể giao tiếp với các tài liệu khoa học để xem xét các phương pháp mới. Tuy nhiên, anh ấy không thấy nó thay thế các nhà khoa học con người. ‘Có lẽ câu hỏi khó nhất đối với những người làm nghiên cứu là: chúng ta nên làm gì? Và ngay bây giờ, công nghệ này không giúp bạn ở đó.’