未來實驗室的「手」,盤點那些實驗室中的機器人

2020-12-08 儀器信息網

前兩個月登上Nature封面的利物浦大學機器人研究員，僅用八天時間就完成了人類需要數月才能完成的催化劑實驗，這讓我們似乎可以窺見未來實驗室的樣子——「無人、高效、智能」。此外，利物浦大學的研究人員還公開了實驗室站點的設計資料和機器人工作代碼，讓其他實驗室中「僱傭」機器人研究員成為了可能備註1。

在激動興奮之餘，咱們來聊一聊實驗室裡的那些有趣的機器人。

據天眼查專業版數據顯示，我國2020年1-8月新增「機器人」企業數量近四萬家，已接近2019年一整年的新增企業的數量。噴湧而來的新企業和新項目告訴我們一個事實，機器人被部署好指定工作後，其可靠度要遠高於人類。

機器人一般分為服務類機器人和工業機器人，服務類機器人多指用來服務人類生活需求的機器人，而工業機器人一般是用於生產需求的。本文中的機器人指工業機器人，雖然形態不同外貌各異，卻都是實現實驗室自動化的非常重要的工具。通常情況我們會用自由度/關節來對機器人進行標記，類同人類的手臂一樣，自由度/關節越多，靈活度越好。而在國內實驗室中，我們也時常可以看到機器人的身影。

在科學儀器領域，也有多家企業推出了不同功能的機器人，本文將舉例介紹並進行簡要分析。

Tecan的全自動液體處理工作站備註2中使用的液體處理機械臂，是臨床中常見的三個自由度的機器人形式，其優點就是高通量移液，一次處理很多樣本，甚至可以增加3個機械臂（機械抓手）來提升樣品處理速度，可以大幅提高工作效率和移液準確性。

移液機械臂 圖片來自：Tecan官網

Thermofisher的SCARA機械臂不同於上圖中的機械手只有3個維度的自由度，該SCARA機械臂有4個自由度備註3。值得一提的是該機械臂上配置了視覺部分，可以進行視覺示教，這對於實驗員的操作是非常友好的。


Spinnaker 圖片來自：Thermofisher官網

除了少數廠商開發自有的專用機械手外，更多的企業選擇使用市面上技術非常成熟的通用型機械手。像前文中提到的機器人研究員，是採用的7軸機器人，機器人的下方是可定位控制櫃，該機器人有7個自由度，靈活性非常好，價格也較為昂貴。

島津前不久也推出了直讀/螢光儀自動化系統中使用了通用型機械手備註4。XYZ機械手有三個自由度，這對於實驗室中部分流程而言已足夠，且性價比較高，可以用於樣品在既定位置的搬運、移動等工作。六軸機械手擁有6個自由度，因此擁有很好的靈活度和速度，應用範圍也更為廣泛，可以完成更為複雜的流程和工作，一般可達速度在2m/s。

六軸機械手 圖片來自：島津官網 


XYZ機械手 圖片來自：島津官網

除了分析儀器企業，很多設備集成商也在積極布局實驗室機械手。例如去年艾法史密斯在海螺水泥集成的智能實驗室備註5，使用六軸機械手完成樣品的傳送過程，最終完成樣品的檢測。

海螺水泥智能水泥工廠 圖片來自：安徽新聞聯播

Instron的試驗機也使用了六軸機械手來組建全自動測試系統備註6。


Instron 的機械臂測試系統 圖片來自：Instron 官網

有些機器人已經在不同的領域大放異彩，雖還為應用於實驗室，但對於未來的智能實驗室擁有很大的應用前景，下面我們來簡單舉例介紹。

ABB的雙臂機器人YuMi，是一款人機協作型機械臂，不同於普通的機器人，該機器人有14個自由度，在協作型機器人中速度很快，也非常靈活。這在未來實驗室中處理一些複雜的動作較有優勢。

ABB的YuMi 圖片來自：ABB官網

並聯機器人，俗稱蜘蛛手，一般會用來分揀流水線上的產品，配合視覺系統後，蜘蛛手如虎添翼，分揀速度非常快。這款機器人適用於未來第三方檢測機構流水線式檢測的分揀中，可以大幅減少人工成本。

Fanuc的並聯機器人 圖片來自：Fanuc官網

大型物流倉庫中的滿地奔忙的幾百個AGV小車，也是當前機器人中炙手可熱的類型。類似的傳送式機器人已經才部分的第三方檢測機構中布局，從倉儲、耗材、樣品到檢測的流程可以全部由這類機器人來完成，準確性和效率都會有大幅提升。

京東物流倉庫 圖片來源：CGTN

此外，還有水下機器人、倒裝機器人、高/低溫機器人、食品用機器人等等用於各種行業的各種特殊需求。

中國製造被提出以後，從集成商到設備廠商乃至客戶，針對單體設備的自動化操作還是整套流程的自動化，都在圍繞提高效率、降低廉政風險來開發機械手替代的自動化方案，這是明智之舉，也是發展方向。

雖然經常會聽到人類被機器人替代工作的消極聲音，但是在筆者看來，機器人代替人類工作不是為了讓人類下崗，而是將人類從枯燥的重複性工作中解脫，去實現更多創作性的工作。尤其是在這次新冠疫情期間，人類工作的局限性被凸顯，使用機器人代替人類在極端、危害環境中工作，這才是對人類最好的呵護。

但是實現智能製造，機器人只是其中的一個工具，等有時間咱們再來聊一聊實驗室中人工智慧和工業物聯網的那些事兒。


（投稿人：芭蕉扇）


備註中涉及的文章連結如下：

1.     機器人研究員

https://www.instrument.com.cn/news/20200807/556003.shtml

2.     Tecan的移液機械手

https://lifesciences.tecan.cn/freedom-evo-platform

3.     Thermo的SCARA機械手

https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/SPK0001#/SPK0001

4.     島津的機械手

https://www.instrument.com.cn/news/20200824/557532.shtml

5.     海螺水泥

http://www.conch.cn/gsyw/info.aspx?itemid=318134

6.     Instron機械臂測試

https://www.instron.cn/zh-cn/products/testing-systems/universal-testing-systems/custom/automation

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