Diseño de un dispositivo automatizado de intercambio de placas entre un robot de manejo de líquidos y un lector de fluorescencia

Abstract

[ES] La automatización de protocolos en biología sintética es clave para mejorar el rendimiento de los experimentos y permitir la reproducibilidad y la estandarización. Los robots de manipulación de líquidos y los lectores de placas son los dos dispositivos centrales para la implementación automatizada de protocolos de biología molecular. Los lectores de placas son los dispositivos estándar que se utilizan para medir la fluorescencia y la absorbancia de cultivos biológicos utilizando microplacas estandarizadas con un número determinado de pocillos. Por otro lado, los robots de manipulación de líquidos gestionan el proceso de mezcla y dilución de reactivos en cultivos celulares ubicados en microplacas. La mayoría de las veces, el robot de manejo de líquidos y el lector de placas no están integrados. Esto dificulta la implementación de protocolos que integren operaciones secuenciales repetidas entre ambos dispositivos. En consecuencia, el operador humano debe intervenir para transferir las microplacas entre ellas.

En este TFG, el alumno diseñará un sistema robótico automatizado destinado a gestionar la transferencia de microplacas entre un robot de manipulación de líquidos (Opentrons OT) y un lector de placas (Agilent BioTek Cytation). Dada la complejidad del problema, este TFG se centrará en el diseño del hardware necesario, incluyendo el diseño mecánico de la estructura necesaria para conectar ambos dispositivos, el de las pinzas paralelas robóticas necesarias para manipular las placas y sus tapas, y el de actuadores y sensores de posición para el traslado automatizado de las placas entre ambos dispositivos. El estudiante utilizará el modelado e impresión 3D para la estructura mecánica y las pinzas paralelas. Además, se seleccionarán los actuadores y sensores necesarios (por ejemplo, motores paso a paso). Como objetivo asociado, el alumno diseñará el software básico necesario para gestionar el sistema. Este se programará en un microcontrolador local (por ejemplo, Arduino) preparado para conectarse al software maestro ubicado en una computadora. El programa máster queda fuera del alcance de este TFG. Finalmente, el estudiante evaluará el coste del sistema, con el objetivo de lograr un dispositivo de código abierto de bajo coste.

[EN] Automation of protocols in synthetic biology is key for improving the throughput of experiments and allowing for reproducibility and standardization. Liquid-handling robots and plate readers are the two central devices for the automated implementation of molecular biology protocols. Plate readers are the standard devices used to measure fluorescence and absorbance of biological cultures using standardized microplates with a given number of wells. On the other hand, liquid-handling robots manage the process of mixing and diluting reagents in cell cultures located in microplates. Most often, the liquid-handling robot and the plate reader are not integrated. This hampers the implementation of protocols integrating repeated sequential operations between both devices. Consequently, the human operator must intervene to transfer the microplates between them.

In this TFG, the student will design an automated robotic system aimed at managing the transfer of microplates between a liquid-handling robot (Opentrons OT) and a plate reader (Agilent BioTek Cytation). Given the complexity of the problem, this TFG will be centered on the design of the required hardware, including the mechanical design of the required structure to connect both devices, that of the required robotic parallel grippers to handle the plates and their lids, and the actuators and position sensors for the automated transfer of the plates between both devices. The student will use 3D modeling and printing for the mechanical structure and parallel grippers. Also, the required actuators and sensors (eg, step-motors) will be selected. As an associated goal, the student will design the basic software required to manage the system. This will be programmed in a local micro-controller (eg Arduino) prepared to be connected to the master software located in a computer. The master program is out of the scope of this TFG. Finally, the student will evaluate the cost of the system, with the goal of achieving a low-cost open-source device.

[CAT] En aquest TFG, es dissenyarà un sistema robòtic automatitzat destinat a gestionar la transferència de microplaques entre el robot de manipulació de líquids (Opentrons OT) i el lector de plaques (Agilent BioTek Cytation). És important saber que posteriorment es muntarà el robot que s'haja dissenyat en aquest TFG, no obstant això, per la complexitat, el projecte es centrarà en el disseny del “Hardware” necessari, juntament amb el disseny mecànic de l'estructura necessària per a connectar els dos dispositius, el de les pinces paral·leles robòtiques necessàries per a manipular les plaques i les seues tapes, i el d'actuadors i sensors de posició per al trasllat automatitzat de les plaques entre tots dos dispositius. Per a l'estructura mecànica i pinces paral·leles utilitzarà el modelatge i la impressió 3D. A més, es seleccionaran els actuadors i sensors necessaris. Com a objectiu associat, l'alumne dissenyarà el programa bàsic necessari per gestionar el sistema. El programa es programarà en un microcontrolador local preparat per connectar-se al “software” ubicat en un ordinador. El programa màster queda fora d'aquest TFG. Finalment, s'evaluarà el cost del sistema, amb l'objectiu de conseguir un dispositiu de codi obert de baix cost.