«Собери сам»: в ИТМО предложили использовать роботов-химиков для лабораторных экспериментов

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. Кроме того, оптимизация процесса в химических лабораториях во многом основана на интуиции ученого: для экономии времени одновременно варьируется не более одного параметра.

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. Обычно на промышленных предприятиях для автоматизации используют традиционные роботизированные системы, но они дороги, имеют закрытое программное обеспечение и способны решать лишь ограниченный круг задач.

Исследователи из Центра инфохимии Университета ИТМО предложили использовать для автоматизации и изучения химических реакций недорогого робота-манипулятора — 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 кюветный отсек спектрофотометра. Для этого робот использует манипулятор захвата (роборуку), пипет-дозатор, USB-камеру и контроллер, обрабатывающий информацию с камеры. «Мозг» робота — программа для управления и анализа данных, написанная инженерами ИТМО на Python.

С помощью робота 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 среде из полиэлектролитных комплексов — в отдельных случаях скорость реакции возросла более чем в три раза. По мнению авторов, открытие нового способа катализа для таких реакций 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 — диэлектриков, которые используются в микроэлектронике, датчиках вибрации и давления, ультразвуковом оборудовании.

В перспективе сочетание доступной робототехники с открытым кодом и 3D-печати открывает путь к массовому внедрению таких решений и создает основу для высокопроизводительной оптимизации химических процессов.

«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 роботизированных 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 химические реакции», — рассказал один из главных авторов исследования, доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев.