Сегодня становится всё больше полностью автоматизированных производств, которые демонстрируют эффективность как с точки зрения стабильности обеспечиваемых процессов (снижается влияние человеческого фактора), так и гибкости перенастройки робототехнических систем на новые технологические рельсы. Область химической промышленности, а именно исследование и тестирование новых материалов, представлена преимущественно лабораториями, в которых эксперименты проводятся вручную. 

Поговорим о проекте специалистов ИТМО — роботизированном комплексе — который умеет не только выполнять простые рутинные операции, но и предлагать новые научные решения.

Зачем это нужно?

Роботизированная лабораторная платформа — это высокоточное оборудование для синтеза новых материалов и анализа химических веществ. В качестве ее «мозга» выступает ИИ, который, опираясь на прошлые результаты научных исследований и известные теоретические знания, самостоятельно подбирает оптимальные параметры для нового научного эксперимента. 

Так, «робот-химик» может не только автономно выполнять функции лаборанта: откручивать крышки, добавлять реагенты, перемешивать растворы и перемещать пробирки, но и помогать в сборе данных, корректировке параметров экспериментов, разработанных людьми.

Проведение безлюдных экспериментов без остановки на перерывы и выходные позволит масштабировать задачи на несколько роботов в рамках лаборатории или исследовательского центра и ускорить все процессы. Это открывает новые возможности для экспериментов в сфере химической промышленности и не только. 

Чтобы проверить концепт в ИТМО разработали киберфизический комплекс с использованием промышленного коллаборативного робота ABB Yumi для синтеза мембран с настраиваемыми свойствами проницаемости при изменении параметров процесса синтеза. 

В ходе реализации была сформирована платформа, в рамках которой можно выстраивать технологический процесс для робототехнической системы с использованием лабораторного оборудования. Для классов оборудования прописаны как алгоритмы взаимодействия, так и изготовлена оснастка для возможности физического взаимодействия с захватными устройствами робота.

Несколько слов о команде

В проекте принимают участие сотрудники и аспиранты факультета систем управления и робототехники и научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО. Химики формулируют технологический процесс синтеза новых материалов, определяют переменные параметры и необходимые инструменты, влияющие на конечный результат. К переменным параметрам могут относиться пропорции смешиваемых веществ, длительность операций центрифугирования, необходимые температуры и т.д. На этапе экспериментального исследования чаще всего используется то же самое оборудование, которое используется лаборантами-людьми в классических экспериментах. Такой подход позволяет быстро проверить теорию на робототехнической системе без необходимости ожидания поставок специализированных инструментов, хотя и требует разработки дополнительной оснастки для робота.

Робототехники занимаются проектированием и изготовлением необходимой оснастки для робототехнического комплекса, а также написанием программного обеспечения для проведения экспериментов по химическому синтезу новых материалов с возможностью настройки переменных параметров. С использованием разработанного программного обеспечения возможно проведение большой серии автоматизированных экспериментов, в ходе которых будут изменяться переменные параметры и отслеживаться изменения свойств конечных материалов, которые тоже проверяются в автоматическом режиме.

Как все устроено

Роботизированная платформа представляет собой комплекс промышленного коллаборативного робота, лабораторного химического оборудования и оснастки. Такой набор позволяет реализовать серии химических экспериментов с новыми материалами как на проверку повторяемости получаемых свойств, так и на отслеживание изменений при корректировке параметров эксперимента. Полученные результаты формируются в базы знаний, которые можно использовать при дальнейшем анализе или подготовке материалов уже к внедрению и промышленному производству.

Программное обеспечение агрегирует данные датчиков для отслеживания переменных параметров эксперимента. Кроме того, применяется система технического зрения для отслеживания положения инструментов и определения текущего состояния. Например, лабораторная центрифуга после завершения работы может остановиться в любом положении, и для дальнейшего взаимодействия с ней необходимо определить угол поворота положения остановки.

На данный момент в рамках платформы реализованы все необходимые операции с химическим оборудованием (центрифуга, вакуумная фильтровальная установка, аналитические весы, рН-метр, титратор, сушильный шкаф, автоматический дозатор) и веществами, необходимыми для процесса синтеза мембран и проведения автоматизированных экспериментов. В дальнейшем эти операции можно использовать для построения новых экспериментов.

Проект длится больше полугода. За это время были сформированы классы лабораторного оборудования для взаимодействия, изготовлена необходимая оснастка и составлены классы производимых операций. На данный момент полностью сформирован и отлажен процесс синтеза мембран. Аналогичная работа над новыми технологическими процессами займет уже намного меньше времени.

­«В последние год-два растет число публикаций в мире, посвященных использованию робототехнических решений в химических лабораториях. Основная фокусировка таких подходов — автоматизация рутинных операций. Мы также реализуем системы комплексирования датчиков и сбора данных для дальнейшего исследования и разработки системы принятия решений для возможности контроля за ходом экспериментов и корректировки плана исследований в зависимости от полученных результатов. Кроме того, мы планируем разработать универсальное платформенное решение, с помощью которого можно будет увеличивать количество задействованных роботов для решения задач, распределяя нагрузку между ними», — отмечает доцент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО, к.т.н. Владислав Громов.

Работа в полях и планы на будущее

В данный момент платформа используется для проведения автоматизированных экспериментов и сбора данных о различных условиях синтеза и полученных свойствах. Это необходимо для анализа новых материалов, разрабатываемых в лабораториях Университета ИТМО. 

Однако сугубо внутренними задачами использование роботизированного комплекса не ограничивается. В применении таких систем заинтересованы крупнейшие национальные институты, например Национальный Университет Сингапура, Университет Вейцмана (Израиль), Массачусетский технологический институт, Гарвардский университет и другие. 

Именно роботизация химических лабораторий позволяет добиться гибкости при автоматизации проводимых исследований, несмотря на то, что на рынке уже существуют отдельные автоматические решения, предназначенные только для определенных операций.

«Крупные российские компании уже интересовались особенностями реализации проекта. Однако о непосредственном внедрении на предприятия пока речи не идет, так как требуется пересмотреть существующие процессы для интеграции нового решения. Кроме того, это скорее всего повлечет за собой изменение некоторых принципов уже нашей платформы, чтобы соответствовать потребностям компании. Все необходимые изменения осуществимы, для этого необходимо немного времени», — добавляет Владислав Громов.

По словам разработчиков, в ближайшее время планируется расширять базу химических экспериментов, чтобы анализировать в автоматическом режиме деятельность лабораторий ИТМО. Кроме того, возможно решение задач внешних партнеров университета, заинтересованных в проведении автоматизированных экспериментов. Система будет дорабатываться в сторону большей универсальности и возможности адаптироваться под изменения в рабочем пространстве робота.

Каждый, кто заинтересовался роботизированным комплексом, может связаться с руководителями проекта: Екатериной Скорб, директором НОЦ Инфохимии Университета ИТМО (skorb@itmo.ru) и Владиславом Громовым, доцентом факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО (gromov@itmo.ru).