Roboter übernehmen die medizinische Forschung zu helfen
- Aus Präzisionsspritzen in den 1940er Jahren
- Durch die erste halbautomatische Verdünnungs 1970
- Um die erste vollautomatische Arbeitsstation für die Probenvorbereitung im Jahr 1980 .
- Lange Design und Implementierung Zeit
- Langwierige Übertragung von manueller auf automatische Verfahren
- Instabile Roboterbetrieb, und
- Begrenzte Fehlerbehebung Fähigkeiten.
Es war ein langer und schleichende Übernahme , aber Roboter beherrschen jetzt vielen führenden biowissenschaftlichen Labors, tun in nur wenigen Stunden , was einmal war Tage und Wochen . Nun ist die Konvergenz der Automatisierung mit Nanotechnologie, Biomedizin und fortschrittliche Algorithmen verspricht, Robotisierung der medizinischen Forschung sehr viel weiter zu gehen.
Im Mai dieses Jahres , Ross King, Professor für Maschinenintelligenz an der Universität Manchester in Großbritannien , nach Osten zu den Studenten an der Universität von Nottingham Campus in Ningbo, China sprechen. Sein Papier "Robot Wissenschaftler : Automatisieren Biologie und Chemie ", war eine Bestätigung von Theorien er und seine Kollegen zum ersten Mal vor fast zehn Jahren vorgeschlagen.
In einem Brief 2004 an die Zeitschrift Nature , fragten sie , ob es möglich sein könnte , um die tatsächliche "Entdeckung" Prozess der Beobachtung , Abzug und zum Abschluss zu automatisieren. Dies würde eine physisch umgesetzt Robot-System , das aus der Künstlichen Intelligenz (KI) angewandten Techniken verwenden, um durchzuführen Zyklen wissenschaftliche Experimente .
Treffen Adam und Eva, Roboter Wissenschaftler
In China, wie er an der Brunel University in London hatte zuvor benannten Prof. König die zwei " Roboter Wissenschaftler " Adam und Eva, an der Universität Aberystwyth in Wales errichtet. Diese Roboter bilden Hypothesen Wählen effiziente Versuche , zwischen ihnen zu unterscheiden , die Experimente mit Laborautomation Ausrüstung durchzuführen und die Ergebnisse analysieren .
Sowohl Adam und Eva haben tatsächliche Entdeckungen gemacht .
Adam wurde entwickelt, um die funktionelle Genomik von Hefe (Saccharomyces cerevisiae) zu untersuchen und der Roboter ist es gelungen, selbstständig die Identifizierung der Gene, die lokal "verwaiste " Enzyme in Hefe zu kodieren.
Prof. Ross King an den Reglern für Adam der Roboter , Aberystwyth University
Quantitative Struktur -Aktivitäts-Beziehung ( QSAR ) Entwicklung Screening , schlug Konformation , und : In biblischer Weise wurde Adam von Eva folgten mit ähnlichen Techniken , um eine Maschine zur Automatisierung und Integration der Wirkstoffforschung beauftragt erstellen. Eve nutzt neuartige synthetische Biologie -Bildschirme, die die Vorteile der Rechen , zielbasiertenund zellbasierte Assays zu kombinieren.
Prof. Ross King sagt :
"Unser Fokus auf vernachlässigte Tropenkrankheitgewesen, und mit Eva, haben wir Bleiverbindungen zur entdeckt Malaria , Chagas , der Afrikanischen Schlafkrankheit und anderen Bedingungen. "
bescheidenen Anfängen
Analytische Roboter wie Adam, Eva und die weiter fortgeschrittenen Produkte nun an Kompetenzzentren entwickelt - zum Beispiel am Fraunhofer- Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) in Magdeburg, Deutschland - sind weit entfernt von den Robotersystemen , die zuerst in den Labor vor drei Jahrzehnten.
Die Geschichte von einem führenden Unternehmen auf dem Gebiet - Hamilton Robotics - zeigt das Fortschreiten :
Solche Arbeitsstationen , die mechanisch Proben hand unter voller Computer-Steuerung, treffen den Kern Wörterbuchdefinition eines Roboters als "eine Maschine der Lage ist, eine komplexe Reihe von Aktionen automatisch . " Ihre tatsächliche mechanische oder physikalische "Arbeit" Komponente Karel Čapek ursprünglichen " Zwangsarbeit " Definition erfüllt auch in seinem 1920 Stück R.U.R. . Dies ist das Stück, das das Wort "Roboter" nach der Welt eingeführt .
Roboter bei der Arbeit
Liquid Handling ist einer der vier Kernanwendungen für Roboter im Labor. Die anderen sind :
Mikroplatten- Handling : Einsatz von Robotern , um Platten um eine Arbeitszelle ( und so weiter Flüssigkeit Handler , Lesegeräte, Inkubatoren ) zu bewegen , zwischen Stapeln und andere Geräte. Erweiterte Mikroroboterintegrieren mit Drittanbieter- Instrumente zur Arbeitszellen , die Anwendungen und Protokolle zu automatisieren, um fast beliebiger Komplexität zu erstellen .
Automatisierte biologische Forschungssysteme : Roboter bereitzustellen automatisierte Handhabung und Lesen für verschiedene Aspekte der biologischen und biochemischen Forschung , von Durchflusszytometer auf bestimmte molekularbiologische Anwendungen wie PCR Herstellung und Reinigung , Kolonieaufnahme oder Zellkulturentwicklung .
Drug Discovery Screening : die jüngste Mainstream Robotik -Anwendung ermöglicht es den Forschern , um eine breite Palette von laufen zellbasierten , Rezeptor -basierte und auf Enzymen basierenden Assays typischerweise in Hochdurchsatz- Screening (HTS) verwendet .
Sie Robotern einen Vorteil ?
Die Vorteile der Verwendung von Laborrobotikoffensichtlich erscheinen, mit ergonomischen Vorteile der Automatisierung von Aufgaben , die langweilig sein , sich wiederholenden , schädlich oder sogar gefährlich für den Menschen wäre .
Ein Roboter macht keinen Unterschied zwischen dem Knochen niedrigen Rost ein paar Zentimeter über dem Boden und der einen in die Höhe , für die ein Mensch müsste auf einem Stuhl stehen . Roboter können auch sicher zu handhaben Toxine, biologische Gefahrstoffe oder Betrieb in geschlossenen oder klimatisierten Bereiche, die wir unerträglich finden.
Laboratories ursprünglich angenommen Robotik , weil es schien , um einen Ausweg aus der " Quantität oder Qualität " Dilemma bieten - die ständige Notwendigkeit, Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit.
Dagegen schien es Roboter könnte unendlich zu einem höchsten Grad an Präzision , die nie geändert und war unendlich regelbaren wiederholten Operationen durchzuführen.
Aber in der Praxis , insbesondere mit Hochdurchsatzscreening begann , einige Einschränkungen entstehen. Dazu gehörten:
Darüber hinaus die Notwendigkeit, Schritte im Roboterprozessereduzieren tendenziell die Verwendung von weniger genauen homogene Assays in den heterogenen diejenigen, die die meisten Unternehmen lieber zu fördern.
Scaling-up
Eine vorzeitige Anwendung des 21. Jahrhunderts von Allegro und anderen Technologien auf Basis von Fließbandtechnikenüberwand viele dieser Probleme , indem Mikrotiterplatten eine Zeile nach unten zu aufeinanderfolgenden Verarbeitungsmodule , die jeweils nur einen Schritt des Tests durchführen . Geschwindigkeit könnte indem jede Stufe größer, mit dem 96-Well- Mikroplatte weicht 384 und jetzt 1.536 -Well-Platten in den Prozess multipliziert.
Die neue Fähigkeit von Robotern , solche enormen Platten Bildschirm unbeaufsichtigt ebnete den Weg für die quantitative Hochdurchsatzscreening ( qHTS ) Paradigma, das jede Bibliothek Verbindung bei mehreren Konzentrationen testen.
Maximale Effizienz und Miniaturisierung hat qHTS die theoretische Kapazität zur Durchführung von zellbasierten und biochemischen Tests in Bibliotheken von mehr als 100.000 Verbindungen , Prüfung zwischen 700.000 und 2 Millionen Probenvertiefungen innerhalb weniger Stunden .
Doch nur wenige Unternehmen tatsächlich benötigen, um Bildschirm, der viele Verbindungen im Haus jeden Tag , mit den damit verbundenen Kosten für Betriebsmittel , wie Assay-Reagenzien , Zellkulturen, Mikroplatten und Pipettenspitzen sowie die Kosten für die Datenverarbeitung und Analysezeit .
Wenn Sie in den Anlagegemeinkostenfür die zugehörige Infrastruktur hinzufügen, können die Robotik wie Spielzeug eines reichen Kindes zu sein scheinen.
Robots zu mieten
Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts , eine wachsende Zahl von Unternehmen, die Vertragshochdurchsatz - Screening (HTS) angeboten Assay-Entwicklung und Screening , Datenanalyse, und andere Unterstützung für Bibliotheken .
Die Verwendung solcher Vertrag Robotik -Labors wurde viel populärer , nachdem sie gestoppt anspruchsvolle Lizenzgebühren auf jedem Entdeckung. Solche Labors Handel auf der Fähigkeit, ultra- schnelle Durchlaufzeiten anbieten , läuft 24/7 auf hoher Kapazität HTS Roboter- Arbeitsstationen.
Einige Pharma- und Biotech- Unternehmen begann, Primärscreening auslagern , halten die höherwertigen , weitere proprietäre sekundäres Screening im eigenen Haus, um höhere Trefferquoten für ihre Teams zu ermöglichen. Jedoch sind auch diese Ansätze zu redundanten mit neuer Technologie .
Gewehr gegen überstürzte Vorgehensweise
Im Wesentlichen ist Hochdurchsatzscreening die Schrotflinte Forschungsansatz - mit Hilfe von Robotern zu vielen Tausenden von chemischen Verbindungen gegen ein Ziel Erreger zu werfen , um zu sehen , wenn seine Zellwachstum beschleunigt , stoppt oder beseitigt wird. Die Kapazität ist genial , aber die Kosten sind hoch, und die Einheit -zu- Erfolg -Verhältnis niedrig ist .
Eine anspruchsvollere Robotik -fähigen Paradigma ist High-Content- Screening (HCS) - ein " Gewehr " Ansatz, der molekularen Spezifität basierend auf Fluoreszenz gilt und nutzt anspruchsvollere Reagenz Klassen.
High- Content-Screening hat die Fähigkeit, zu multiplexen , zusammen mit Bildanalyse , um das Datenmanagement gekoppelt , Data Mining und Datenvisualisierung . Alle diese Hilfe Forscher konzentrieren sich auf biologische und genomischer Informationen und stellen weit gezieltere Entscheidungen über die Assays zu laufen.
Neueste Technologie nimmt diese Targeting weiter . Hudson Robotics vor kurzem angekündigt, was es hinsichtlich hocheffiziente Screening (HES) für kleine Moleküle und Antikörper.
Hocheffiziente Screening verwendet einen proprietären Algorithmus , um eine Auswahlliste der Bibliothek Proben, die abgeschirmt werden kompilieren. Dieser wird dann an einem Roboter- Arbeitsstation, auf die Moleküle Kirsche gepflückt und in der entsprechenden gescreent übergeben.
Alle Moleküle gefunden , aktiv zu sein verwendet werden, um das Modell zu verbessern , und der Prozess wird wiederholt, bis der Benutzer sowohl eine Liste der aktiven Moleküle sowie das endgültige Modell, das verwendet werden kann , um zusätzliche Verbindungskollektionen suchen und führen Synthese optimiert Analoga .
In ersten Tests gegen bekannte Verbindung, Datenbanken , sagt Hudson seine hocheffiziente Screening durchgängig die Mehrheit der bekannten Inhibitoren von zehn verschiedenen biologischen Targets nach dem Screening unter 10% einer Bibliothek rund 80.000 unterschiedlichen Molekülen, die identifiziert.
Künftige Roboter Trends
Drei Jahrzehnte in der ersten Laborgeräte Robotik, scheint es klar , dass die Technologie noch in den Kinderschuhen. Roboter scheint allgegenwärtig in der heutigen biomedizinischen Forschung , aber sie haben einen langen Weg vor sich zu entwickeln haben .
Für eine Sache, Robotern nicht ohne weiteres mit den Menschen zusammenleben , brauchen , um sicher geschlossenen Räumen arbeiten . Das Fraunhofer Institut hat diesen Aspekt studiert und entwickelte LISA , ein Prototyp mobilen Laborantin mit berührungsempfindlichen "Haut" und Wärmesensoren , um sie aufzuhalten stoßen Menschen und umgekehrt.
Treffen Sie LISA . Sie ist diejenige, auf der linken Seite ...
Aber auch LISA wird wahrscheinlich als klobig aussehen, als der Wright Flyer einmal Biomedizin , 3D-Druck und Nanotechnologien wirklich ins Spiel kommen. Ein Blick zu den Möglichkeiten wird durch die Roboter- Raupe von der Columbia University Pionierarbeit angeboten .
BioBots wie diese , oder die DNA- Spinnen an der New York University und der University of Michigan entwickelt, sind kaum mehr als faszinierende , wenn auch ziemlich beängstigend, Spielzeug im Moment. Aber sie weisen auf eine Zukunft, in der Robotertechnik bewegt sich über das Forschungslabor in den Operationssaal - oder sogar bis in die molekularen Bereich .