Creazione e test di un robot

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11440 (2023) Citare questo articolo

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I sistemi robotici facilitano un’interazione uomo-robot relativamente semplice per esperti non robot, fornendo la flessibilità necessaria per implementare diversi processi. In questo contesto si potrebbero ottenere tempi di processo più brevi e una maggiore qualità del prodotto e del processo. I robot abbreviano i processi che richiedono molto tempo, si assumono compiti ergonomicamente sfavorevoli e lavorano sempre in modo efficiente. Inoltre, è possibile una produzione flessibile mantenendo o addirittura aumentando la sicurezza. Questo studio descrive lo sviluppo di successo di un'infrastruttura modulare basata su robot a doppio braccio e la creazione di un processo automatizzato per la produzione riproducibile di nanoparticelle. Come prova del concetto, un protocollo di sintesi manuale per la preparazione di nanoparticelle di silice con un diametro di circa 200 nm come elementi costitutivi per i cristalli fotonici è stato tradotto in un processo completamente automatizzato. Tutti i dispositivi e i componenti del sistema automatizzato sono stati ottimizzati e adattati in base ai requisiti di sintesi. Per dimostrare il vantaggio della produzione automatizzata di nanoparticelle, sono state confrontate le sintesi manuali (sintesi eseguite da tecnici di laboratorio) e automatizzate. A questo scopo sono stati confrontati diversi parametri di lavorazione (tempo della procedura di sintesi, precisione del dosaggio, ecc.) e le proprietà delle nanoparticelle prodotte. Abbiamo dimostrato che l'uso del robot non solo ha aumentato l'accuratezza e la riproducibilità della sintesi, ma ha ridotto i tempi e i costi del personale fino al 75%.

L’automazione dei processi è una tendenza del ventunesimo secolo. I principali fattori di spinta sono la crescente pressione sui costi, gli elevati costi del personale e delle attrezzature di laboratorio (parola chiave: "liberazione delle capacità del personale"), l'accelerazione dei flussi di lavoro e la conseguente elaborazione più rapida delle analisi, una migliore gestione della qualità, elevati requisiti normativi anche nella produzione come una più ampia disponibilità di tecnologie produttive per l’utente finale. In questo modo, l’automazione può contribuire ulteriormente a contrastare la carenza di manodopera qualificata, che è cresciuta negli ultimi anni soprattutto in Europa1. Esistono diversi livelli di automazione2. Al livello più basso di automazione, il personale del laboratorio esegue tutte le fasi di lavoro. I vantaggi sono un elevato grado di flessibilità e le capacità cognitive dell'essere umano per consentire attività complesse e varie. Il livello più alto di automazione è un processo completamente automatizzato. Lo sviluppo di un simile processo comporta elevati costi di investimento e può quindi essere economicamente fattibile solo con una produttività estremamente elevata. Ciò richiede un processo di produzione completamente stabile, salvaguardato e con poche varianti, con un elevato dispendio di funzionamento, manutenzione e risoluzione dei problemi. Vari livelli di automazione parziale si trovano tra l'esecuzione manuale e l'automazione completa, in cui vengono automatizzati solo sottoprocessi specifici.

Quando ci si concentra sulle nanoparticelle (NP), si può affermare che negli ultimi anni il controllo e la riproducibilità delle sintesi di NP sono migliorati utilizzando un'automazione parziale come reattori progettati diversamente (ad esempio, reattori batch o dispositivi di gestione dei liquidi)2, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. In particolare, si sono affermate soluzioni basate sulla microfluidica, ad esempio per la fabbricazione di NP a base di oro, semiconduttori e lipidi, nonché sistemi di somministrazione di farmaci RNA/DNA basati su NP14,15,16,17,18. Nelle sintesi NP trovano applicazione anche stazioni di lavoro parzialmente automatizzate, note dalla produzione farmaceutica. Tuttavia, l'applicazione principale di tali sistemi è uno screening ad alto rendimento, in cui è possibile variare e testare diversi parametri o sostanze in breve tempo19. In questo modo è possibile determinare le condizioni di sintesi ottimali. Inoltre, possono essere fornite diverse varianti NP con le proprietà desiderate in base ai profili dei requisiti19. È interessante notare che questi sistemi non consentono né la produzione completamente automatizzata di NP né supportano un ampio dominio di applicazione.