Nová generace VUT laboratorního robota uspěla v testování ve FN Brno

Robotické pracoviště openTube2 (foto: Ústav automatizace a informatiky FSI) Robotické pracoviště openTube2 (foto: Ústav automatizace a informatiky FSI)

Vzít libovolnou zkumavku, registrovat její čárový kód, odšroubovat, odebrat a přemístit vzorek, odhodit špičku… Automatizované řešení prvotní manipulace se vzorky, například covidu-19, které před dvěma lety představili výzkumníci ze strojní fakulty VUT s podporou týmu FN Brno, se dočkalo druhé generace označené jako openTube2. Podle vědců nový systém svého předchůdce podstatným způsobem překonal. Veřejnost robota měla možnost „v akci“ vidět na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně.

Systém openTube2 byl přes dva měsíce testován v ostrém provozu laboratoře Centra molekulární biologie a genetiky při Interní hematologické a onkologické klinice FN Brno. V laboratoři robot manipuloval se skutečnými potenciálně infekčními vzorky testovanými na covid-19. Zkušená laborantka, která proces zpracování vzorků dozorovala, se tak současně podílela na validaci systému openTube2, aby proces splnil požadované standardy.

Už na první pohled je robot jiný, než jeho předchůdce. „I když jsme systém logicky pojmenovali jako openTube2, jedná se o zcela nové řešení. Předně jsme respektovali základní požadavek, a to umístění celého zařízení do standardního typu lamilárního boxu, který Fakultní nemocnice Brno používá. Díky tomu je zajištěna úroveň bezpečnosti pro práci s biohazard vzorky třídy II podle standardů nemocnice. Také jsme zvolili konstrukčně zcela jiný typ robota,“ vysvětluje vedoucí výzkumného týmu a ředitel Ústavu automatizace a informatiky strojní fakulty VUT Radomil Matoušek.

Místo sedmiosého kolaborativního robotického ramene se ústředním bodem systému stal robot typu SCARA. Oproti předchůdci zvládne s velkou dynamikou manipulovat i s těžšími předměty do váhy tří kilogramů, což vědci vyhodnotili jako optimální. Při výpočtech vzali do úvahy například síly nutné k otevření či zavření zkumavek a nasazení či sundání pipetovacích špiček, ale i síly, které se pohybem robota přenáší do lamilárního boxu. Systém nově obsahuje i bezpečnostní a adaptivní funkce, které původní openTube, který vznikal rychle během první vlny pandemie, neměl.

Obluzna aplikace pro openTube2 foto Ustav automatizace a informatiky FSIProstředí obslužné aplikace pro openTube2 (foto: ÚAI FSI)

„Už samotná příprava pracoviště je usnadněna prostřednictvím obslužné aplikace. Bez založení základní instrumentace, jako jsou například špičky, držáky vzorků a PCR zkumavek, se systém vůbec nespustí. Před samotným spuštěním proběhnou i další automatické kontroly. Proces začíná identifikací vzorků, tedy zkumavek, jejichž obsahem je slizniční stěr pacienta. Systém s využitím metod zpracování obrazu zkumavky sám najde a zahájí jejich zpracování. Během něj probíhá mnoho kontrol typu úspěšné otevření zkumavky, nasazení špičky, ale i zásoba instrumentace. Pokud by například došly špičky, systém se zastaví a počká na doplnění laborantkou. Registraci vzorků zajišťujeme pomocí čárového kódu. Za zmínku stojí i náš vlastní návrh elektronické pipety postavené na technologii Pipetman, díky které jsme schopni dávkovat vzorky s rozlišením dva mikrolitry. Celý systém openTube2 je navržen tak, aby mohl spolupracovat s laboratorním informačním systémem nemocnice, takže kromě samotného robota je za tím i hodně IT práce,“ popisuje Matoušek.

Vývoj zařízení by nebyl možný bez intenzivní spolupráce a konzultací s odborníky z brněnské fakultní nemocnice. „Ladění protokolu manipulace, charakteristika a parametrizace robota vzhledem k instrumentaci a povaze vzorků, vlastní kalibrace systému, laboratorní protokoly, ale i pochopení bezpečnostních standardů probíhaly v těsné spolupráci s námi,“ dodává za laboratoř vedoucí Sekce oportunních infekcí docentka Martina Lengerová z FN Brno.

Roboticke pracoviste openTube2 foto Ustav automatizace a informatiky FSI 4Systém byl testován v ostrém provozu laboratoře FN Brno (foto: ÚAI FSI)

První verze systému openTube byla veřejnosti představena v květnu 2020. Další vývoj a testování systému openTube2 si nakonec vyžádal dva roky práce. „Řada dílčích prvků možná vypadá podobně, ale je za nimi zcela nový přístup a technologie, a tedy i intenzivní výzkum a vývoj. Problémem bylo také financování. Nakonec se nám podařilo získat peníze díky projektu ministerstva průmyslu, což velmi pomohlo,“ konstatuje Matoušek.

Zpracovat jeden vzorek trvá robotu méně než minutu. Podobně rychle pracuje i laborant, systém se ovšem neunaví a může odbornému personálu uvolnit ruce pro jinou práci. Celé robotické pracoviště má své digitální dvojče, díky němuž lze drobné úpravy v nastavení systému dělat i na dálku. Výzkumníci z VUT systém instalovali v laboratoři FN Brno v prostorách Dětské nemocnice letos v červnu, přičemž test i ostrý provoz v pilotním režimu probíhal až do začátku září. „Systém opentTube2 pochopitelně není vázán pouze na covid-19, typově může zpracovávat obdobné vzorky pro následné PCR, kde při primární manipulaci je ve zkumavce vzorek, médium a třeba výtěrová štětička,“ dodává Lengerová.

„V kontextu zpracování vzorků jde o poměrně univerzální řešení pro biohazard laboratoře třídy II. Díky uplynulým dvěma rokům vývoje i intenzivní spolupráci s nemocnicí se nebojím říct, že openTube2 je připraven na laboratorní manipulaci se vzorky v podobě, která má potenciál uspět i na trhu. Je to logická symbióza člověka, IT technologií, kybernetiky, robotiky a umělé inteligence. Zájemci náš systém uvidí naživo od 4. do 7. října na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně, kde bude součástí expozice VUT,“ uzavírá pozvánkou na veletrh Matoušek.

Vývoj systému openTube 2 byl možný díky finanční podpoře z projektu Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. Vývoji pomohla i spolupráce s firmami SMC (automatizace), opticontrol (robotika), Sipoch (laboratorní instrumentace), KRD (lamilární boxy), MANN+HUMMEL (speciální konstrukce) a ABB Robotika.