[转帖]机电一体化提高实验室自动化

摘自：www.IVDtechnology.com 编译：柏芳

 

By: Leif Andersson

机电一体化已推进了许多工业领域内的进展，如机器人、半导体、航空宇宙、汽车制造、家用电子产品和医疗领域。有名的且得到确认的机械电子系统包括生产系统、协同驱动器、自动制导车辆、类似防震刹车系统的自动子系统以及常用的辅助消费产品，如自动对焦摄像机、硬盘驱动器、光碟机播放器和洗衣机。机电一体化带来的主要好处是性能和方便水平提高、能源节省、多功能性和灵活性增加。

所以，机电一体化绝不是个新鲜的事。其在精密度机械工程、控制理论、计算机科学和电子学上的最新应用是用于设计过程中来创造更多的功能和合适的产品。许多有前瞻性思想的设计者和工程师多年来一直在使用机电一体化。

日本1969年第一次使用了‘机电一体化’术语，是机械工程学和电力工程学的一个混合词（见图1）。其起源是精密度机械学，随后信息学业被作为核心领域包含在内。现在，机电一体化被定义为一种机电整合，合并了物理和逻辑过程。它体现了通过合并机械学、制动器、传感器、电子学和信息学来设计一个整体系统的多学科的努力。这些知识的结合使我们能够开发出下一代更简单、更经济、更可靠和多功能的系统，从而创造出更多的价值，而之前一个系统的独立部分创造的价值是很少的。

过去几年里，机电一体化一直是一个很重要的设计趋势，大大影响了产品的开发过程、制成品的国际竞争及机械学和电子学工程的教育。其带来了许多专业工程学和制造公司的出现，支持工作生产商通过机电一体化网络工作的合作来利用各自的知识，从而生产出更好的产品。这些专业公司经常会克服技术挑战制造出子系统、子模式或子功能的平台，制造过程中通过集成系统水平上的受控结构遵循目标操作性能，并通过控制算法达到其技术作用。

IVD行业中的自动化趋势

IVD行业的一个显著要求是提高效率，最终达到成本降低的目的。类似私人医院出现越来越多的大型医疗保健工作网站一样，实验室也加入到处理费用方面无限压力的合作之中。该合作趋势使购买能力增强，从而促使IVD制造商在直接购买甚至租赁情况下竞相提供全部一揽子交易。为了完成集团客户要求的全部仪器的整套设备，制造商需要分析他们的竞争者的分析仪，并确保其产品能够完全集合到自动化实验室中。

实验室自动化的潜在利益是样本处理过程中效率的提高和机器集成的优化。此外，自动化还应该为未来实验室分析仪的调整和升级提供一个较高的灵活性水平。然而，许多实验室仍主要依靠技术人员来处理样品和监督操作。正如涉入到实验室工作的人员逐渐增多一样，不正确的液体处理、样本污染和效率低的可能性也逐渐增多。提高效率的一种方式是借助自动化实验室仪器来处理液体，同时使用统一的分析和样本制备，从而得到可再生检测结果。

近几年来，实验室自动化增强的趋势一直是很明显的。2000年，欧洲仅有两个自动化平台；2007年，自动化平台数量几乎已经增加到600个。在费用方面，转向自动化实验室带来的平均节约费用是很大的，人员大约减少了20-40%，分析仪数量降低了40-60%，且每次检测的费用降低了17%（欧洲每次检测费用是0.376欧元）。

IVD制造商有很多理由来对他们的实验室分析仪的设计重新考虑和再检查。例如，随着样本量增加提供成本效益好的仪器的压力、缺乏接受培训的实验室工作人员、从不同公司整合仪器的需要以及样本通过分析仪运转复杂性的增加都只是理由中的一部分。IVD行业涉及机电一体化的情况和条件、IVD技术专员提供者和设计程序都已很明显且是合适的。

自动化是解决方案吗？

实验室仪器中拥有自动化代表性应用的是血液分析仪、自动电泳仪、微生物分析仪、生物医学分析仪、血凝分析仪和自动药剂分配器。这类应用包括调剂小剂量液体的注射器、化学品的自动分配和取样、DNA自动加工处理以及其他很多应用（见图2）。一般来说，所应用的是小孔中样本的Cartesian阵列和移动磁头上的单一或多个分配设备。可同时处理的样本数量范围是1-96。仪器的移动通常是通过步进马达机以及各种机械方法来供电的，如同步皮带和滑轮、推动螺杆和齿条与齿轮驱动方法。

随着自动化成为IVD市场需要的解决方法，出现的新的技术挑战不仅有通过信息技术方法处理样本数据的挑战，而且还有样本保持溯源性同时通过仪器链进行物理运输方面的挑战。

例如，这样的一个挑战是测量液体水平。有些实验室依然依靠技术人员来监视液体的存在和水平。这与自动监测相比，是一种不精确的、昂贵的选择方法。但，即使这一操作实现自动化，监测液体水平的简单任务看起来还是有问题的。有些设备在液体直接与开关接触时，依靠传导电极来测量其水平。当这一过程发生时，开关会将信号发送给一个调节仪器，并将该信号转换为开关信号。但因为该类传感探头直接与液体进行物理接触，所以实验室中存在样本污染和检测失败的风险。单一污染样本能导致浪费时间、降低效率、曲解结果、对患者诊断有误的影响。

为了使样本污染达到最小化，监测自动化程序的技术人员必须中断实验室操作，更换一次性探头。检测液体发生改变以及分析不同患者样本时必须更换探头。虽然这种评估液体水平的方式是有效的，但一次性探头费用昂贵，且更换探头需要消耗大量宝贵时间。

自动化实验室仪器中超声传感器的出现是为了快速、准确监测液体水平，且不会接触液体。超声传感器可被安装到调配管的顶部来读取内部液体水平。在样本试管上方移动传感器的X/Y定位平台需要能在实验室设备中快速、稳定、可重复性定位。尽管一个有标准螺丝杆或皮带传动模块的组件能够完成以上工作，但有集成机电一体化的设计方案更可能在可接受费用水平上带来令人满意的性能。

但，尽管许多专业公司正在提供所需要的工程设计及可能的生产分包服务，很多IVD制造商由于某种原因至今还未发现并完成机电一体化领域的学科合并。

机电一体化是解决方法

专门处理样本的实验室（如环境研究所或配有自动分析仪的医疗实验室）尤其能从机电一体化方法种获益。这类分析仪是用来测量大量生物样本和检测中的不同化学物质。第一批生物化学分析仪主要用于常规重复性医学实验室分析过程。不过，这些仪器在过去几年里已被离散工作系统所代替，因为离散工作系统消耗的试剂数量较少。这类系统主要检测血清或其他体液样本中的白蛋白、碱性、血尿素氮、钙、胆固醇和葡萄糖尿酸等物质的浓度水平（见图3）。

手持吸液管、自动化仪表、高工作量机器工作站及药物发现和生物技术市场中的色层分析系统一般都是由Cartesian机器设备构成的。Cartesian机器设备配置有多功能X/Y/Z底盘，能同时抓起5个工具。一般来说，这些设备使用的是高准确度电动移位系统，能高速、高精密度进行定位。电动显示定位系统提高了运行显示测量的简单性。但尽管目前自动化所需要的移动系统还不是很复杂，随着工作量需求的增加，移动将变得极其困难。悬臂式的组件易弯曲、振荡，能干扰移动的准确性或移动间需要校正时间。没有一个简单的方法能使这些系统的动力学变得更加有效。

在过去，机械工程师几乎专门处理这些仪器和产品的设计问题。机械工程师设计完仪器后，控制和软件工程师随后寻找解决有关控制和程序问题的方法。这种连续性工程方法通常会获得次优设计结果。总的来说，仪器的设计受到了微电子学、控制工程学和计算机科学进展的影响。设计出高性能仪器所需要的坚固基础是不同工程学科之间有协同、交融作用。这正是机电一体化领域想要达到的：机械设计的同步工程观点。

实验室或所有机械中的一个基本特征是一个或多个机械部件的受控和协调移动。所需移动的出现和协调作用已经是其他很多应用领域内机电一体化的一个要求。传统的机制在生成大范围移动性的灵活性上受到限制。他们创造驱动器和驱动元件移动之间复杂功能关系的潜能也受到限制。另一纯粹机械驱动系统的限制是他们内部缺乏准确性，这由摩擦、间隙、运转误差、共振态、尺寸误差等因素引起。
通过消除或简化驱动器和驱动元件之间的受迫移动机制，能够减少这些限制。由驱动马达和位置传感器提供每个驱动元件。同步移动功能从易出错的硬件机制转向灵活的软件控制器。通过机电一体化的应用，可以使那些即使彼此距离很长的大量移动达到同步化。

对于外部力量来说，一定范围的次生效应能对机器部件和装备的功能性行为产生不良影响，如振动和噪音。虽然可获得被动抑制处理，但他们的适用性是有限的。机电一体化方法能够提供更有效的解决方法。例如，根据恰当感应器捕捉到的有关振动和噪音水平的信息，可以通过分布在构造里的传动装置来消除振动，然后机器部件就会变得有效、智能。

通过采用机电一体化方法，新一代工作能力逐渐增强的实验室仪器将会被开发出来。当然，这一过程需要进行研究和开发，提高硬件费用并使用上述新设计的工具。但是，实验室分析仪的移动不是最关键的任务，如与心肺机器或与其他人类生命有直接风险的系统，所以常用的移动控制仍然是可以接受的。

实验室仪器的主要强调点是检测过程中产生的数据，所以采取了很多关注来确保数据对应正确的样品。然而，IVD行业中的移动控制还不是其工程学努力的一个主要关注点。有些公司已经体验到了有关仪器硬件可以做哪些事情方面的限制。为了能达到下一个性能稳定时代，其他行业至今还在使用的传统机电一体化手册可能需要被抛弃，而翻开新的一页。随着机电一体化越来越多的应用，IVD系统为了达到更好的工作能力而不得不改变其构造设计（见图4）。但要发生什么样的改变现在还不是很清楚。

虚拟样机研究

虚拟样机能帮助IVD制造商不用在开发成本和资源上花费太多就能明白如何重新设计他们的仪器。这些已知的工程学软件工具能模拟高要求移动应用的动态行为。

虚拟样机研究是使用虚拟样机代替实物来对产品设计的特点进行检测和评价的过程。虚拟样机研究环境是多学科收集关注从理论到样机指导产品设计的模型、模拟和仿真器。在研发背景下，虚拟样机研究环境将会强调开发者的工程设计关注点、制造商的加工关注点、维修工的后勤关注点和操作者的培训和规划关注点。

进行的模拟研究能够使我们创造出各种集成运行环境。模拟样机在这样的操作环境下接受检测。一旦一种概念获得了批准，在模拟样机引导下进行设计和制造来增强生产力并消除对事物样机的需要。虚拟样机研究能够加速生产，帮助项目经理鉴定项目风险，帮助工程师设想设计的相互作用结果，允许操作检测人员进行评估。其中操作检测人员的评估将有助于产品研发各个阶段进行的检测设计。或总起来说，模拟样机研究能够为IVD企业增加一个竞争优势。

不需要构建昂贵原型机条件下进行检测、重复设计、重复构造和重复检测，模拟样机研究可通过机械学、电力、软件构建模型进行最佳优化，从而为各个IVD自动化任务找到最好的设计。在绘图板或3-D CAD模板上画出设计之前，各个学科研发团队已经了解了他们下一代仪器的性能。

模拟样机研究还能促进未来IVD应用的快速发展，使得全世界不同地区的合作人员在应用改善和提高的条件下同时工作，从而使成本效益比以前更好。与此同时，这类应用的复杂性将会被提高到一个新的水平，而这种新的水平是传统工程方法无法达到的。此外，这类样机还能被再次用于培训中或用作一个远程诊断工作，因为这些样机对最终应用功能有很好的了解。

结论

通过实验室仪器自动化增加效率、生产力和灵活性的性能要求非常明显。机电一体化已经改进了现有产品，并在其他消费行业领域和应用上开发了具有更好性能的新产品。让两个独立学科碰面的时间已经到来，机电一体化将引领实验室设备走进下一个性能水平。