آزمایشگاهها بهسرعت در حال تغییر هستند. هوش مصنوعی، بازوهای رباتیک، سیستمهای نمونهبرداری خودکار و تجهیزات متصل به نرمافزار دیگر فقط متعلق به آزمایشگاههای بسیار پیشرفته نیستند. یکی از مهمترین پرسشهای امروز این است که خود تجهیزات و زیرساخت فیزیکی آزمایشگاه چگونه باید طراحی شوند تا بتوانند بهراحتی با اتوماسیون و رباتیک کار کنند.
مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا NIST در ۱۱ و ۱۲ اوت ۲۰۲۶ کارگاهی تخصصی در دانشگاه Johns Hopkins برگزار کرد تا متخصصان، سازندگان تجهیزات و کاربران آزمایشگاههای خودران روی تدوین راهنمای بهترین شیوهها برای طراحی تجهیزات قابل استفاده در محیطهای خودکار کار کنند. محور اصلی این تلاش، آسانترشدن یکپارچهسازی تجهیزات علمی مختلف در سامانههای خودکار است.
آزمایشگاه آماده اتوماسیون یعنی چه؟
آزمایشگاه آماده اتوماسیون محیطی است که تجهیزات، زیرساختها و چیدمان آن از ابتدا بهگونهای انتخاب و طراحی شدهاند که اضافهکردن رباتها، سیستمهای خودکار و تجهیزات دیجیتال در آینده نیازمند بازطراحی اساسی محیط نباشد.
در یک آزمایشگاه سنتی معمولاً تجهیزات براساس دسترسی و کاربری انسان جانمایی میشوند. اما در آزمایشگاه خودکار، باید علاوه بر اپراتور انسانی به نحوه دسترسی بازوی رباتیک، سیستم حمل نمونه، تجهیزات متحرک و رابطهای دیجیتال نیز فکر کرد.
چرا طراحی فیزیکی آزمایشگاه اهمیت بیشتری پیدا میکند؟
اتوماسیون فقط به معنی اضافهکردن یک ربات روی میز نیست. اگر فضای آزمایشگاه از ابتدا برای چنین سیستمی مناسب نباشد، ممکن است محدودیتهایی در دسترسی، جابهجایی، تأمین آب، برق، گاز یا تخلیه ایجاد شود.
به همین دلیل در طراحی آزمایشگاههای آینده، ارتفاع سکوبندی، فضای آزاد اطراف تجهیزات، مسیر تأسیسات، محل نصب سینک و شیرآلات و امکان تغییر چیدمان اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
در سایت تولیدی TOP میتوانید با بخشهای مرتبط با شیرآلات آزمایشگاهی و سینک آزمایشگاهی بیشتر آشنا شوید.
۱. سکوبندی ماژولار؛ یکی از پایههای آزمایشگاه آینده
در آزمایشگاهی که قرار است طی چند سال تجهیزات آن چند بار تغییر کند، میز و کابینت ثابت و غیرقابل تغییر میتواند محدودیت ایجاد کند.
سکوبندی ماژولار اجازه میدهد جای دستگاهها تغییر کند، فضای کاری برای تجهیزات جدید آزاد شود، مسیر برق و تأسیسات راحتتر اصلاح شود و بخشهایی از آزمایشگاه بدون بازسازی کامل تغییر کنند.
برای آشنایی بیشتر میتوانید بخش سکوبندی آزمایشگاهی TOP را ببینید.
۲. محدوده حرکت ربات باید از ابتدا در طراحی میز دیده شود
ورود بازوی رباتیک یک متغیر مهم جدید ایجاد میکند: محدوده حرکتی ربات. بازو باید بتواند بدون برخورد با کابینت، شیرآلات، قفسه، سینک یا تجهیزات دیگر به نقاط موردنیاز دسترسی داشته باشد.
بنابراین هنگام جانمایی ربات، شعاع حرکت، ارتفاع دسترسی، ظرفیت بار و مسیر ابزار انتهایی باید همزمان با ابعاد و ارتفاع سکوبندی بررسی شوند. در آزمایشگاه آینده، طراحی میز فقط براساس ارگونومی انسان انجام نمیشود؛ بلکه ارگونومی انسان و فضای کاری ربات باید با هم دیده شوند.
۳. سینک و شیرآلات نباید مانع حرکت تجهیزات خودکار شوند
در آزمایشگاه سنتی، محل شیر و سینک تقریباً همیشه با درنظرگرفتن دسترسی اپراتور انسانی انتخاب میشود. در یک آزمایشگاه آماده اتوماسیون، بهتر است به فضای دسترسی اطراف آنها نیز توجه شود.
برای مثال اگر یک بازوی رباتیک قرار باشد ظروف را جابهجا کند، مسیر آن نباید با شیرآلات بلند، کابلها یا تجهیزات ثابت تداخل داشته باشد. همچنین محل سینک باید بهگونهای انتخاب شود که فضای کاری اطراف آن قابل استفاده باقی بماند.
تولیدی TOP انواع شیرآلات آزمایشگاهی را برای آب، گاز، هوا و وکیوم تولید میکند و سینکهای آزمایشگاهی آن نیز در متریالهای مختلف عرضه میشوند.
۴. پریز برق آزمایشگاهی به یک زیرساخت حیاتی تبدیل میشود
هرچه تعداد تجهیزات هوشمند، سنسورها، نمایشگرها، کنترلرها، پمپها و بازوهای رباتیک بیشتر شود، وابستگی آزمایشگاه به برق نیز افزایش پیدا میکند. بنابراین طراحی پریز برق نباید به مرحله آخر پروژه موکول شود.
در یک آزمایشگاه آماده اتوماسیون بهتر است تعداد تجهیزات الکتریکی، توان مصرفی، محل پریزها، مسیر کابلها، نیاز به UPS و امکان توسعه آینده از ابتدا مشخص شود. پریزهای زیاد اما با جانمایی نامناسب الزاماً طراحی خوبی ایجاد نمیکنند؛ هدف باید تأمین برق در نقطه درست و با زیرساخت قابل توسعه باشد.
برای مشاهده تجهیزات مرتبط، بخش پریز برق آزمایشگاهی TOP را ببینید.
۵. کابلکشی و شبکه داده باید از روی میز جمع شوند
در بسیاری از آزمایشگاههای قدیمی، با اضافهشدن هر دستگاه یک کابل جدید روی میز یا کف اضافه میشود. در محیط رباتیک این وضعیت میتواند خطر برخورد، گیرکردن و اختلال در حرکت ایجاد کند.
بهتر است مسیرهای مشخص برای برق، شبکه، کابلهای کنترل و خطوط ارتباطی از داخل سازه یا کانالهای قابل دسترسی پیشبینی شوند. همچنین شبکه داده باید بهاندازه شبکه برق جدی گرفته شود؛ زیرا تجهیزات خودکار برای تبادل داده و فرمان به ارتباط پایدار نیاز دارند.
۶. تجهیزات باید بتوانند با نرمافزار و سایر دستگاهها ارتباط برقرار کنند
یکی از تفاوتهای مهم یک دستگاه سنتی با تجهیز مناسب برای آزمایشگاه خودکار، قابلیت ارتباط دیجیتال آن است. دستگاهی که بتواند وضعیت خود را گزارش کند، فرمان دریافت کند یا داده را به سیستم مرکزی ارسال کند، راحتتر وارد چرخه اتوماسیون خواهد شد.
NIST نیز یکی از اهداف کارگاه خود را بررسی استانداردهای رابط تجهیزات و ایجاد سطوح مشخص تعامل سختافزاری عنوان کرده است. بنابراین هنگام خرید تجهیزات پیشرفته، فقط مشخصات مکانیکی و عملکرد دستگاه مهم نیست؛ قابلیت اتصال و یکپارچهسازی دیجیتال نیز بهتدریج تبدیل به یک معیار مهم میشود.
۷. ایمنی در آزمایشگاه رباتیک پیچیدهتر میشود
ورود ربات به آزمایشگاه به معنی حذف الزامات ایمنی نیست. مواد شیمیایی، گازها، تجهیزات برقی، مواد خورنده و خطرات فیزیکی همچنان وجود دارند. علاوه بر این، حرکت مکانیکی، برخورد، گیرکردن، خطای نرمافزاری و شروع ناخواسته فرآیند نیز باید در ارزیابی ریسک دیده شوند.
مسیر حرکت تجهیزات خودکار نباید دسترسی به تجهیزات اضطراری را مسدود کند. برای نمونه، دوش و چشمشوی اضطراری باید همچنان در محل مناسب و قابل دسترس باقی بمانند.
۸. آیا باید همین امروز یک آزمایشگاه کاملاً رباتیک بسازیم؟
برای بیشتر مراکز تحقیقاتی پاسخ خیر است. اما این به معنی نادیده گرفتن آینده نیست. یک آزمایشگاه جدید میتواند امروز به شکل معمولی کار کند ولی زیرساخت آن طوری طراحی شود که چند سال آینده بتوان تجهیزات خودکار بیشتری به آن اضافه کرد.
این رویکرد را میتوان آزمایشگاه آماده اتوماسیون نامید. برای چنین فضایی لازم نیست از روز اول چندین ربات خریداری شود؛ کافی است طراحی اولیه مانع توسعه آینده نشود.
ویژگیهای یک آزمایشگاه آماده اتوماسیون
- سکوبندی ماژولار و قابل تغییر
- فضای کافی اطراف تجهیزات
- مسیرهای قابل دسترسی برای برق و شبکه
- مدیریت منظم کابل و شیلنگ
- جانمایی صحیح سینک و شیرآلات
- پیشبینی ظرفیت برق و پریزهای توسعهپذیر
- امکان جابهجایی یا تعویض تجهیزات
- حفظ دسترسی آزاد به تجهیزات ایمنی
یک مثال ساده
دو آزمایشگاه را تصور کنید. در آزمایشگاه اول، میزها کاملاً ثابتاند، کابلها روی سطح میز حرکت میکنند، پریزها فقط برای تجهیزات فعلی طراحی شدهاند و تأسیسات امکان جابهجایی ندارند.
در آزمایشگاه دوم، میزها ماژولار هستند، مسیر کابل و شبکه از ابتدا مشخص شده، ظرفیت برق اضافه در نظر گرفته شده و محل سینک و شیرآلات طوری انتخاب شده که فضای مرکزی قابل تغییر باقی بماند.
هر دو آزمایشگاه امروز میتوانند کار مشابهی انجام دهند؛ اما اگر سه سال بعد قرار باشد یک بازوی رباتیک اضافه شود، آزمایشگاه دوم با هزینه و زمان کمتری قابل ارتقا خواهد بود.
آینده طراحی تجهیزات آزمایشگاهی
تحولات جدید نشان میدهند صنعت آزمایشگاهی بهسمت ایجاد تجهیزات و رابطهایی حرکت میکند که بتوانند راحتتر در سامانههای خودکار و خودران ادغام شوند. برای تولیدکنندگان تجهیزات آزمایشگاهی نیز این تحول یک پیام روشن دارد: طراحی آینده فقط درباره دوام و ظاهر محصول نیست؛ قابلیت یکپارچهشدن با محیط هوشمند و قابل تغییر آزمایشگاه نیز اهمیت بیشتری خواهد یافت.
جمعبندی
آزمایشگاه آینده فقط به تجهیزات هوشمند نیاز ندارد؛ به زیرساخت هوشمند هم نیاز دارد. رباتیک و هوش مصنوعی در حال تغییر روش انجام آزمایش هستند و این تغییر دیر یا زود به طراحی فیزیکی آزمایشگاه نیز منتقل خواهد شد.
مهمترین درس این نیست که همه آزمایشگاهها باید فوراً رباتیک شوند؛ بلکه آزمایشگاهی که امروز ساخته میشود، نباید مانع فناوری فردا باشد.
منابع
Nature Reviews Chemistry — The past, present and future of self-driving laboratories