Это было долгое и тайное поглощение, но роботы теперь доминируют над многими ведущими лабораториями биологической науки, делая в только часы, что однажды заняло дни или недели. Теперь сходимость автоматизации с нанотехнологиями, биомедиками и передовыми алгоритмами обещает взять автоматизацию медицинского исследования гораздо дальше.В мае этого года Росс Кинг, преподаватель машинной аналитики в Манчестерском университете Великобритании, путешествовал на восток, чтобы говорить со студентами в университете Ноттингемского кампуса в Нинбо, Китай.
Его статья «Ученые робота: Автоматизация биологии и химии» была защитой теорий, которые он и коллеги сначала предложили почти десятилетие назад.В письме 2004 года в журнал Nature они спросили, могло ли бы быть возможно автоматизировать фактический процесс «открытия» наблюдения, вычитания и заключения. Это использовало бы физически осуществленную автоматизированную систему, применившую методы от искусственного интеллекта (AI), чтобы выполнить циклы научного экспериментирования.
Встретьте Адама и Еву, ученых роботаВ Китае, поскольку он имел ранее в Брунельском университете в Лондоне, профессор Кинг назвал двух «ученых робота» Адамом и Евой, построенным в университете Аберистуита в Уэльсе. Эти роботы формируют гипотезы, выбирают эффективные эксперименты, чтобы различить между ними, запустить оборудование автоматизации лаборатории использования экспериментов, и затем проанализировать результаты.
Оба Адама и Евы сделал фактические открытия.Адам был развит, чтобы исследовать функциональную геномику дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) и робот, в котором преуспевают, автономно идентифицировав гены, кодирующие локально «сиротские» ферменты в дрожжах.Профессор Росс Кинг в контрольных группах для Адама робот, университет Аберистуита
Библейским способом Адам сопровождался Ив, использующей подобные методы, чтобы создать машину, которой задают работу к автоматизации и интеграции изобретения лекарства: показ, структура хита и развитие количественного отношения активности структуры (QSAR). Ив использует новые синтетические экраны биологии, объединяющие преимущества вычислительных, основанных на цели, и основанных на клетке проб.Профессор Росс Кинг говорит:«Наш центр был на заброшенной тропической болезни и использовании Ив, мы обнаружили свинцовые соединения для малярии, Chagas, африканской сонной болезни и других условий».Скромное происхождение
Аналитические роботы как Адам, Канун или более продвинутые продукты, теперь развиваемые в центрах передового опыта – таком как в Институте Фраунгофера Фабричной Операции и Автоматизации (IFF) в Магдебурге, Германия – находятся на далеком расстоянии от автоматизированных систем, сначала вошедших в лабораторию приблизительно три десятилетия назад.История ведущей компании в области – Робототехнике Гамильтона – демонстрирует прогрессию:От точности впрыскивает в 1940-хЧерез первый полуавтоматический разбавитель в 1970
К первому полностью автоматизированному автоматизированному рабочему месту для подготовки пробы в 1980.Такие автоматизированные рабочие места, механически обращающиеся с образцами под полным контролем компьютера, выполняют основное определение словаря робота как «машина, способная к выполнению сложного ряда действий автоматически». Их фактический механический или физический компонент «работы» также удовлетворяет оригинальное определение «принудительного труда» Карела Чапека в его игре 1920 года R.U.R.. Это – игра, введшая слово «робот» миру.
Роботы на работеЖидкая обработка является одним из этих четырех базовых приложений для робототехники в лаборатории.
Другие:Обработка микропластины: использование роботов, чтобы переместить пластины вокруг workcell, между стеками и другими устройствами (жидкие укладчики, читатели, инкубаторы, и т.д.). Современные роботы микропластины объединяются со сторонними инструментами, чтобы создать клетки работы, автоматизирующие заявления и протоколы к почти любому уровню сложности.Автоматизированные биологические системы исследования: роботы обеспечивают автоматизированную обработку и чтение для различных аспектов биологического и биохимического исследования, в пределах от счетных камер потока к определенным приложениям молекулярной биологии, таким как подготовка к PCR и очистка, выбор колонии или развитие клеточной культуры.
Показ изобретения лекарства: новое господствующее применение робототехники позволяет исследователям управлять широким спектром основанных на клетке, основанных на рецепторе и основанных на ферменте проб, как правило, используемых в высоком показе пропускной способности (HTS).Роботы предлагают преимущество?Лабораторные преимущества использования робототехники кажутся очевидными, начиная с эргономических преимуществ автоматизации задач, которые были бы утомительными, повторяющимися, вредными или даже опасными для человека.Робот не делает различие между изнурительной низкой кремальерой несколькими сантиметрами от пола и один высокий, который человек должен был бы поддержать на стуле.
Роботы могут также безопасно обращаться с токсинами, биологическими опасностями или прооперировать в изолированных или областях с контролируемой атмосферой, которые мы нашли бы невыносимым.Лаборатории первоначально охватили робототехнику, потому что это, казалось, предложило побег из «количества или качества» дилемма – постоянная потребность обменять скорость на точность.
В отличие от этого, казалось, что роботы могли выполнить бесконечно повторенные операции до высшей степени точности, которая никогда не изменилась и была бесконечно управляема.Однако на практике, и особенно с высоким показом пропускной способности, некоторые ограничения начали появляться.
Они включали:Долгое время разработки и реализации
Длительная передача от руководства до автоматизированных методовНестабильная автоматизированная операция, иОграниченные способности устранения ошибки.
Кроме того, потребность уменьшить шаги в автоматизированных процессах имела тенденцию поощрять использование менее точных гомогенных проб по неоднородным, которые предпочтет большинство компаний.Увеличение масштабаВ начале принятия 21-го века Аллегро и других технологий на основе сборочного конвейера методы преодолели многие из этих проблем мимолетными микропластинами вниз линия к последовательным модулям обработки, каждое выполнение всего один шаг пробы. Скорость могла быть умножена в процесс путем создания каждого шага больше с 96 – хорошо микропластины, уступающей 384 и теперь 1,536 – хорошо пластины.
Новая способность роботов показать такие огромные безнадзорные пластины проложила путь к парадигме количественного показа высокой пропускной способности (qHTS), которая может проверить каждый состав библиотеки при многократных концентрациях.Максимальная производительность и миниатюризация дали qHTS теоретическую возможность выполнить основанные на клетке и биохимические пробы через библиотеки больше чем 100 000 составов, проверяющих между 700 000 и 2 миллионами типовых скважин в течение нескольких часов.Однако немного компаний фактически должны показать это много составов, внутренних каждый день, со связанными затратами на предметы потребления, такими как реактивы пробы, клеточные культуры, микропластины, и чаевые пипетки, а также стоимость времени обработки и анализа данных.Когда Вы добавляете в инвестиционных накладных расходах для связанной инфраструктуры, робототехника может походить на игрушку богатого ребенка.
Роботы для наймаВ течение первого десятилетия 21-го века растущее число компаний контракта, делающих показ высокой пропускной способности (HTS), предложило развитие пробы и показ, анализ данных и другую поддержку библиотеки.Использование таких лабораторий робототехники контракта стало намного более популярным после того, как они прекратили требовать уплату роялти по любому открытию. Такие лаборатории торгуют на способности предложить сверхбыстрые оборотные времена, бегая 24/7 на высокой производительности HTS автоматизированные автоматизированные рабочие места.
Некоторый pharma и компании биотехнологии начали производить основной показ на стороне, храня более высокое значение, больше составляющего собственность вторичного показа внутренний, позволять более высокие коэффициенты эффективности для их команд. Однако даже эти подходы становятся избыточными с новой технологией.Винтовка по сравнению с подходом ружья
По существу показ высокой пропускной способности является подходом ружья к исследованию – использование робототехники, чтобы бросить много тысяч химических соединений против целевого инфекционного агента, чтобы видеть, ускоряется ли его рост клеток, останавливается или устраняется. Способность является потрясающей, но затраты высоки, и отношение единицы к успеху является низким.
Более сложная позволенная робототехникой парадигма является высоко-довольным показом (HCS) – подход «винтовки», применяющий молекулярную специфичность на основе флуоресценции и использующий в своих интересах более сложные классы реактива.Высоко-довольный показ имеет способность к мультиплексу, наряду с анализом изображения, соединенным с управлением данными, сбором данных и визуализацией данных. Все эти исследователи помощи сосредотачиваются на биологической и геномной информации и принимают намного более предназначенные решения о который пробы бежать.
Последняя технология берет это планирование еще далее. Hudson Robotics недавно объявил о том, что он называет высокоэффективным показом (HES) для маленьких молекул и антител.Высокоэффективный показ использует патентованный алгоритм, чтобы собрать короткий список образцов библиотеки, которые будут показаны. Это тогда передается автоматизированному автоматизированному рабочему месту, где молекулы отобраны и показаны в адекватной пробе.
Любые молекулы, которые, как находят, были активны, используются, чтобы улучшить модель, и процесс повторяется, пока у пользователя нет обоих список активных молекул, а также заключительная модель, которая может использоваться, чтобы искать дополнительные составные накопления и синтез гида оптимизированных аналогов.В предварительном тестировании против известных составных баз данных Хадсон говорит, что его высокая эффективность, показывающая последовательно, идентифицировала большинство известных ингибиторов десяти различных биологических целей после экранирующих менее чем 10% библиотеки, содержащей приблизительно 80 000 разнообразных молекул.
Будущие тенденции роботаТри десятилетия в от первого лабораторного использования робототехники, это кажется ясным, что технология находится все еще в ее грудном возрасте.
Роботы могут казаться распространяющимися в сегодняшнем биомедицинском исследовании, но у них есть длинный путь, чтобы развиться.С одной стороны, роботы не могут легко сосуществовать с людьми, будучи должен работать в безопасно закрытых областях.
Институт Фраунгофера изучал этот аспект и развил LISA, прототип мобильный ассистент лаборатории с сенсорной «кожей» и тепловыми датчиками, чтобы остановить ее врезание в людей и наоборот.Встретьте LISA. Она – та слева…Но даже LISA, вероятно, будет выглядеть столь же неуклюжим как Флаер Мастера однажды биомедики, 3D печать и нанотехнологии действительно играют роль.
Проблеск возможностей предлагается автоматизированным inchworm, введенным впервые Колумбийским университетом.Биоличинки как они или паукообразные гемангиомы ДНК, заболевшие в Нью-Йоркском университете и Мичиганском университете, являются немного более, чем захватывающими, если довольно страшный, игрушки в данный момент.
Но они указывают на будущее, куда робототехника движется вне научно-исследовательской лаборатории в операционную – или даже вниз в молекулярную область.