未来实验室的“手”,盘点实验室中的机器人

作者:冉盛网 时间:2020-09-25 11:13:47

    前两个月登上Nature封面的利物浦大学机器人研究员,仅用八天时间就完成了人类需要数月才能完成的催化剂实验,这让我们似乎可以窥见未来实验室的样子——“无人、高效、智能”。此外,利物浦大学的研究人员还公开了实验室站点的设计资料和机器人工作代码,让其他实验室中“雇佣”机器人研究员成为了可能。 

 

 

    在激动兴奋之余,咱们来聊一聊实验室里的那些有趣的机器人。

    据天眼查专业版数据显示,我国2020年1-8月新增“机器人”企业数量近四万家,已接近2019年一整年的新增企业的数量。喷涌而来的新企业和新项目告诉我们一个事实,机器人被部署好指定工作后,其可靠度要远高于人类。

    机器人一般分为服务类机器人和工业机器人,服务类机器人多指用来服务人类生活需求的机器人,而工业机器人一般是用于生产需求的。本文中的机器人指工业机器人,虽然形态不同外貌各异,却都是实现实验室自动化的非常重要的工具。通常情况我们会用自由度/关节来对机器人进行标记,类同人类的手臂一样,自由度/关节越多,灵活度越好。而在国内实验室中,我们也时常可以看到机器人的身影。

    在科学仪器领域,也有多家企业推出了不同功能的机器人,本文将举例介绍并进行简要分析。

     Tecan的全自动液体处理工作站备注2中使用的液体处理机械臂,是临床中常见的三个自由度的机器人形式,其优点就是高通量移液,一次处理很多样本,甚至可以增加3个机械臂(机械抓手)来提升样品处理速度,可以大幅提高工作效率和移液准确性。
 

 

    Thermofisher的SCARA机械臂不同于上图中的机械手只有3个维度的自由度,该SCARA机械臂有4个自由度备注3。值得一提的是该机械臂上配置了视觉部分,可以进行视觉示教,这对于实验员的操作是非常友好的。

 

 

    除了少数厂商开发自有的专用机械手外,更多的企业选择使用市面上技术非常成熟的通用型机械手。像前文中提到的机器人研究员,是采用的7轴机器人,机器人的下方是可定位控制柜,该机器人有7个自由度,灵活性非常好,价格也较为昂贵。 

    岛津前不久也推出了直读/荧光仪自动化系统中使用了通用型机械手备注4。XYZ机械手有三个自由度,这对于实验室中部分流程而言已足够,且性价比较高,可以用于样品在既定位置的搬运、移动等工作。六轴机械手拥有6个自由度,因此拥有很好的灵活度和速度,应用范围也更为广泛,可以完成更为复杂的流程和工作,一般可达速度在2m/s。
 

 

 

    有些机器人已经在不同的领域大放异彩,虽还为应用于实验室,但对于未来的智能实验室拥有很大的应用前景,下面我们来简单举例介绍。 ABB的双臂机器人YuMi,是一款人机协作型机械臂,不同于普通的机器人,该机器人有14个自由度,在协作型机器人中速度很快,也非常灵活。这在未来实验室中处理一些复杂的动作较有优势。

 

   并联机器人,俗称蜘蛛手,一般会用来分拣流水线上的产品,配合视觉系统后,蜘蛛手如虎添翼,分拣速度非常快。这款机器人适用于未来第三方检测机构流水线式检测的分拣中,可以大幅减少人工成本。

 

 

    大型物流仓库中的满地奔忙的几百个AGV小车,也是当前机器人中炙手可热的类型。类似的传送式机器人已经才部分的第三方检测机构中布局,从仓储、耗材、样品到检测的流程可以全部由这类机器人来完成,准确性和效率都会有大幅提升。

 

 

     此外,还有水下机器人、倒装机器人、高/低温机器人、食品用机器人等等用于各种行业的各种特殊需求。 中国制造被提出以后,从集成商到设备厂商乃至客户,针对单体设备的自动化操作还是整套流程的自动化,都在围绕提高效率、降低廉政风险来开发机械手替代的自动化方案,这是明智之举,也是发展方向。 虽然经常会听到人类被机器人替代工作的消极声音,但是在笔者看来,机器人代替人类工作不是为了让人类下岗,而是将人类从枯燥的重复性工作中解脱,去实现更多创作性的工作。尤其是在这次新冠疫情期间,人类工作的局限性被凸显,使用机器人代替人类在极端、危害环境中工作,这才是对人类最好的呵护。 但是实现智能制造,机器人只是其中的一个工具,等有时间咱们再来聊一聊实验室中人工智能和工业物联网的那些事儿。