[论文解读] Modular, Multi-Robot Integration of Laboratories: An Autonomous Solid-State Workflow for Powder X-Ray Diffraction

A. Lunt, Hatem Fakhruldeen+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation被引用 6

一句话总结

本文提出了一种完全自主的、模块化的多机器人系统，可执行粉末X射线衍射（PXRD）的12步固态工作流程，性能达到或超过人工方法。该系统利用三台多用途机器人，在灵活、可扩展的实验室自动化框架中集成样品制备、处理和PXRD数据采集，专为材料与药物研究而设计。

ABSTRACT

Automation can transform productivity in research activities that use liquid handling, such as organic synthesis, but it has made less impact in materials laboratories, which require sample preparation steps and a range of solid-state characterization techniques. For example, powder X-ray diffraction (PXRD) is a key method in materials and pharmaceutical chemistry, but its end-to-end automation is challenging because it involves solid powder handling and sample processing. Here we present a fully autonomous solid-state workflow for PXRD experiments that can match or even surpass manual data quality. The workflow involves 12 steps performed by a team of three multipurpose robots, illustrating the power of flexible, modular automation to integrate complex, multitask laboratories.

研究动机与目标

• 为解决固态材料实验室中端到端自动化缺乏的问题，特别是粉末X射线衍射（PXRD）领域，该领域涉及复杂的样品处理和制备。
• 开发一种灵活、模块化的机器人系统，能够在无人干预的情况下在实验室环境中集成多种任务。
• 证明自主PXRD工作流程可实现与人工方法相当或更优的数据质量，用于材料表征。
• 实现可扩展、可重构的实验室自动化，支持除PXRD外的多种固态表征技术。

提出的方法

• 该系统采用三台多用途机器人执行PXRD工作流程中的12个连续步骤，包括粉末处理、样品安装和仪器操作。
• 通过模块化控制架构协调机器人任务，支持跨机器人动态重构和任务分配。
• 工作流程将样品制备（如粉末转移、对准）与使用标准衍射仪的数据采集相结合。
• 集中式软件框架负责任务排序、机器人协调和错误恢复，确保执行的稳健性。
• 系统采用基于视觉的反馈和力传感，以实现对易碎固体样品的精确处理和精确定位。
• 整个工作流程设计具有可扩展性，支持集成额外的表征技术或机器人功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 多机器人系统是否能够在无人干预的情况下实现固态PXRD工作流程的完全自主？
• RQ2 自主PXRD工作流程的数据质量与人工操作相比如何？
• RQ3 模块化、灵活的机器人在多任务实验室过程中集成复杂流程方面可实现的程度如何？
• RQ4 在跨多样化固态表征任务扩展自主工作流程时，面临的关键技术和架构挑战是什么？

主要发现

• 自主PXRD工作流程在多次运行中一致地完成了12个步骤，表现出稳健性和可靠性。
• 通过标准参考物质验证，自主系统的数据质量达到或超过人工方法。
• 模块化机器人架构实现了样品制备与PXRD测量的无缝集成，无需为每项任务定制硬件。
• 系统通过重新配置任务序列和处理多种样品类型，表现出良好的适应性，且仅需极少重新编程。
• 视觉和力反馈的使用显著提高了粉末处理和样品对准的精度。
• 该框架支持未来扩展至其他固态表征技术，推动更广泛的实验室自动化。