В лабораторных и производственных условиях работа с жидкостями различных категорий, в том числе с опасными биологическими жидкостями и токсичными жидкими веществами, связана с рядом вопросов, связанных с забором и сливом заданного объема жидкости, например переливом жидкости в другие емкости. . Учитывая характер жидкостей, с которыми работают лаборатории, важно не допускать загрязнения проб жидкости, утилизации сбрасываемой жидкости и элементов прибора с поверхностями, соприкасающимися с ней, а также ограничивать негативное воздействие опасных жидкостей на оператор. Патентное исследование выявило наличие решений, связанных с микродозированием жидкостей [1-3], которые обеспечивают точность дозирования, но не предполагают отбора пробы жидкости из внешних (аппаратно-независимых) резервуаров; иными словами, работающие только на слив жидкости [1] или направленные на многократный забор и слив жидкости, но без обеспечения стерильности поверхностей, контактирующих с жидкостью [2]. В устройствах предлагается использовать дорогостоящие контактные элементы [3]. Также созданные решения не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к робототехнической системе [4].

Создание нового технического устройства

В данном исследовании предложено техническое устройство [5] представляющее собой роботизированную инжекционную установку с использованием сменных капилляров, принцип действия которого направлен на решение следующих задач: 1) Повышение точности микродозирования жидкостей в широком диапазоне. из затрат: ранее использовавшиеся для этой цели иглы и пипетки позволяли собирать жидкость с объемом, ограниченным их собственными объемами; 2) Предотвращение загрязнения проб жидкости; 3) Предотвращение возможного негативного воздействия опасных жидкостей на персонал, за счет ограничения контакта операторов с опасными жидкостями, включая автоматизацию резки использованного капилляра и его утилизации; 4) Повышение точности дозирования, в том числе уменьшение влияния человеческого фактора при работе с установкой [6,7]. Поставленные задачи определяют цель создания такого устройства, которая заключается в повышении производительности, снижении стоимости расходных материалов, уменьшении дополнительных операций и времени, затрачиваемого на исследования. Процесс разработки данной установки предполагает разработку и тестирование отдельных узлов системы, отвечающих за выполнение требований, сформулированных в патенте [5]. Таким образом, требуется спроектировать устройство, которое может использоваться автономно, работая на лабораторном стенде, одновременно входящее в состав комплекса иммунохроматографического анализа [8,9] для решения задачи автоматизации и, соответственно, максимально исключающее действия оператора [10]. ]. Данные требования к устройству необходимы для разработки [11] и определяют следующие характеристики: 2) Легкость переноски, 3) Устойчивость на горизонтальной поверхности, 4) Должна быть обеспечена возможность фиксации аппарата в комплексе иммунохроматографического анализа и перемещения капилляра. .

Процесс разработки устройства

Процесс проектирования устройства представляет собой итерационный процесс [12], который включает в себя: 1) определение вводимых данных в соответствии с требованиями устройства, 2) разработку концепции устройства в результате исследований и анализ используемых для этого технических решений. целях, 3) Трехмерное виртуальное проектирование, 4) Прототипирование, 5) Апробация, 6) Выявление новых требований, 7) Итерация. Сам процесс разработки концепции также можно рассматривать как итеративный [13] ход действий, поскольку при выборе концептуального решения отдельных агрегатов необходимо каждый раз пересматривать проект установки в целом, а также с учетом структурные нюансы отдельных агрегатов и принципы их взаимодействия [14]. 3.1. Базовые блоки роботизированной инъекционной установки с использованием сменных капилляров. Основные узлы роботизированной инъекционной установки со сменными капиллярами, основанной на системе капиллярного управления, схематически изображены на рисунке 2, включающие блок позиционирования (фиксации и перемещения наконечника капилляра), используемый блок обрезки капиллярных секций, блок набора проб, микродисчер и ротор подачи проб, блок дозирования, микродозатор и блок позиционирования кассет, автономная работа блока обеспечения установки и/или возможность использования ее в составе комплексного иммуноферментного анализа для решения по автоматизации. На рис. 2 показано соединение системы капиллярного контроля комплекса иммунохроматографического анализа с дозатором, блоком позиционирования лент с тест-полосками и устройством подготовки и подачи проб и реагентов.

Система контроля капилляров (блок позиционирования капилляров и блок резки)

Концептуальная конструкция рассматриваемого инжекционного узла основана на принципиальном решении задачи управления капилляром, а именно фиксации капилляра в автоматическом манипуляторе и его перемещении (узле позиционирования капилляра (рис. 2), схема перемещения которого представлена на рисунке (3). и обрезки капилляров (блок обрезки капилляров (рис. 2)), где 1 — основание, 2 — контейнер для сбора отработанных участков капилляра, 3 — устройство для точного позиционирования тест-кассеты, 4 — тест-кассета с тест-полоска; 5 — место на тест-полоске для нанесения образца; 6 — блок обрезки капилляров; 7 — колодезное дозирующее устройство; в — точка начала цикла работы устройства [15].

Блок капиллярного движения.

На данном этапе исследования и формулирования концепции в качестве прототипа принципа и конструкции движения манипулятора было выбрано техническое решение, реализованное в 3D-принтерах. Данное технологическое решение обеспечивает перемещение рабочей головки по 3 осям. Минимум, достаточный на данном этапе разработки, — это перемещение манипулятора по двум осям. В результате концепция блока позиционирования капилляра, обеспечивающего его питание, представляет собой двухкоординатную систему, позволяющую перемещать капилляр по 2 осям [Рисунок 3]. Перемещение осуществляется в направлении вверх-вниз для обеспечения забора и слива жидкости непосредственно в контейнер, а также перемещения капилляра от емкости для сбора проб к тест-полоске и к блоку обрезки и утилизации капилляров. Конструкция установки предполагает наличие двух стоек. Одна из которых имеет две ножки и нишу между ними (высотой около 3 см), размеры которой позволяют разместить автоматическое устройство подачи проб. Использование направляющих и механизма капиллярного перемещения, а также наличие двигателей имеют решающее значение, определяющее размеры установки.

Целевое использование установки в качестве автономного оборудования также предъявляет требования к ее прочностным характеристикам, и, соответственно, требования к материалу элементов установки [17] и технологии их изготовления определяют определенные конструктивные решения, например наличие ребер жесткости. В данной конструкции предусмотрено наличие усиливающих элементов для предотвращения деформации и разрушения мест крепления направляющих [18]. Созданная в результате прототипирования система дозирования жидкости на примере роботизированной системы введения и съемных капилляров [19] представлена на рис. 4. Принцип фиксации капилляров на манипуляторе разработан с учетом возможности использования широкого спектра капилляров, которые могут быть разными по диаметру и материалу. В настоящее время выпускаются капилляры с внешним диаметром от 350 до 400 микрон, а внутренний диаметр варьируется от 10 до 200 микрон. Капилляр зажимается прижатием его роликом к подающему механизму, как это видно на рисунке 4. Управление капилляром осуществляется вручную с помощью подпружиненного рычага.

Блок обрезки капилляров

Концептуальный проект узла обрезки капилляров предполагает решение следующих задач: обеспечение надежности обрезки использованного конца капилляра, включая силовое пятно точки среза, и обеспечение надежной фиксации элементов конструкции с использованием доступного надежного и хорошо зарекомендовавшего себя расходного материала. При этом обрезка осуществляется автоматически и двигатель обеспечивает выполнение около 100 000 операций; желательно использовать сменные режущие ножи. В качестве ножей можно использовать хорошо зарекомендовавшие себя канцелярские ножи, лезвие которых обновляется путем обламывания использованной кромки ножа. Учитывая возможные усилия при резке, необходимо обеспечить надежное крепление ножей и элементов, обеспечивающих перемещение ножей к основанию. На данный момент разработана концептуальная конструкция движения ножа в момент перерезания капилляров. Шестерня, установленная на неподвижной базовой части конструкции, снабжена подвижной частью с зубьями, находящимися внутри отверстия.

Нож закрепляется на неподвижной части конструкции. Подвижная часть крепится к основанию на шарикоподшипнике с фланцем, что позволяет прочно закрепить подвижную часть к основанию, предотвращая вылет подшипника. Принцип работы этого узла предполагает, что на неподвижной базовой части закреплена шестерня, передающая движение от двигателя на внутренние зубья подвижной части, которая, в свою очередь, перемещает капилляр, нажимая его на лезвие ножа. Расстояние от зубьев подвижной части до точки крепления относится к расстоянию от точки крепления до точки реза как 1:5. Таким образом, данная конструкция работает по принципу рычага, увеличивая усилие, прикладываемое двигателем, обеспечивая запас мощности до точек отсечки капилляров. Цикл использования ножа включает в себя облом лезвия ножа и перестановку нового лезвия. Утилизацию мусора от использованного лезвия ножа следует собирать в те же контейнеры, что и обрезки капилляра. В стадии разработки находится концептуальный проект системы фиксации лезвия ножа, отламывающей его использованную кромку и ее утилизацию, фиксирующую новую кромку, позволяющую заменить лезвие ножа целиком.

Заключение

Процесс разработки концепции можно рассматривать как итеративный ход действий, поскольку каждый раз при выборе концептуального решения отдельных агрегатов необходимо пересматривать проект установки в целом, учитывая конструктивные нюансы отдельных агрегатов и принципы их взаимодействия. Таким образом, в процессе разработки такой подход позволяет учесть тесную связь системы капиллярного контроля комплекса иммунохроматографического анализа с дозатором, блоком позиционирования кассет с тест-полосками, устройством подготовки и подачи проб и реагентов. Как показала практика, разработка дизайна усложнилась и переместилась в область информационных технологий [22]. В настоящий момент времени это информационная система, которая связывает функциональность будущих устройств, взаимозависимость геометрических форм элементов и их сочетание в одном устройстве [ 23 ]. Также стоит отметить тот факт, что инновационные средства промышленного дизайна не упрощают работу дизайнера [24], а лишь обеспечивают новые форматы подачи идей, более адаптированные к производству [25]. Благодаря этому средства быстрого прототипирования (технологии быстрого прототипирования) позволяют получать действительные прототипы, а также тестировать и корректировать проектные решения в кратчайшие сроки.