27/05/2024
Door Ad Spijkers
Om het tempo van wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen, worden steeds vaker robots gebruikt.
Instrumenten voor neutronenverstrooiing (neutron scattering) zijn krachtige microscopen die neutronenbundels gebruiken om materialen op atomaire schaal te bestuderen. Een daarvan is het Bio-Sans-instrument in de High Flux Isotope Reactor (HFIR) van het Oak Ridge National Laboratory. Dit onderzoeksinstituut in het oosten van Tennessee is onderdeel van het Department of Energy in Washington DC. Dit neutronenverstrooiingsinstrument is nu voorzien van de modernste robotica en aangepaste software.
Retrofit
De geavanceerde retrofitverviervoudigt het aantal monsters dat het instrument automatisch kan meten. Het vermindert de behoefte aan menselijke hulp aanzienlijk. Bio-Sans is gespecialiseerd in het bestuderen van het gedrag, de vorm en de grootte van complexe biologische materialen. De gebruikers spreken van een opmerkelijke stap voorwaarts in capaciteiten.
Door meer monsters te kunnen analyseren, behalen onderzoekers betere resultaten De automatisering biedt ook een beter tijdmanagement, waardoor ze in een experiment meer metingen kunnen doen dan voorheen. Met de robotupgrade meet Bio-Sans monsters nu efficiënter. De robot wisselt automatisch van monster, waardoor minder menselijke actie nodig is.
Robot plaatst monsters
Op Bio-Sans is een Universal Robot UR5E geïnstalleerd, een lichtgewicht mechanische arm met vijf scharnierende gewrichten. De robot is aan het plafond bevestigd in een aluminium frame dat een platform bevat voor het opslaan van experimentele monsters. Grijpers aan het uiteinde van de arm werken als vingers die monsters pakken. Dat zijn poeders of vloeibare oplossingen die zijn opgeslagen in kleine metalen bussen van een paar kubieke centimeter groot.
De robot verplaatst monsters van en naar een bak er direct onder en plaatst ze in een straal neutronen voor analyse. Er kunnen ongeveer 84 monsters tegelijk in de monsterbehuizing worden opgeslagen. De robot kan non-stop werken zolang de monsterbak vol is, wat een van de weinige onderdelen van het experiment vergt waarvoor menselijke hulp nodig is zodra het experiment begint. Onderzoekers kunnen hun gegevens verzamelen en hun experiment volgen vanuit hun kantoor of thuis.
Ontwikkelng
Toen de COVID-19-pandemie toesloeg, wisten de onderzoekers dat ze een manier nodig hadden om experimenten te automatiseren, zodat ze op afstand konden worden uitgevoerd. Ze installeerden een prototype robot die duidelijk de waarde van de integratie van robotica en het potentieel ervan aantoonde. Helaas kreeg het prototype te kampen met betrouwbaarheidsproblemen. De nieuwe industriële robot is in hoge mate aanpasbaar, waardoor de onderzoekers verbeteringen aan de software en mogelijkheden kunnen blijven aanbrengen.”
Er zijn plannen in ontwikkeling om de robot uit te rusten met kunstmatige intelligentie die de tijd die nodig is voor elk experiment zal helpen verkorten door onnodige metingen te elimineren. Op hun beurt zullen toekomstige upgrades Bio-Sans in staat stellen om complexere experimenten mogelijk te maken en de wetenschappelijke productiviteit te verhogen.
Op basis van het succes van de robot is het team van plan andere instrumenten te upgraden, zoals GP-Sans bij HFIR en de Mandi diffractometer bij de Spallation Neutron Source (SNS).
Foto: Jeremy Rumsey/ORNL, U.S. Dept. of Energy