Робот для подачи медицинский колб

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот для подачи медицинский колб

Лавров С.С. 1Коновалов Н.И. 1Плетнев М.С. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Блинова К.П. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность

В медицинских лабораториях и аптеках регулярно требуется точная и быстрая подача колб с реагентами или лекарствами. Ручная выдача увеличивает риск ошибок, загрязнения проб и замедляет процесс.

Автоматизация с помощью робота:

  • Повышает точность – исключает человеческий фактор при дозировке.

  • Ускоряет обработку – особенно важно в экстренной медицине и массовых анализах.

  • Снижает риск заражения – минимизирует контакт персонала с биоматериалами.

  • Оптимизирует логистику – интегрируется с системами учёта (например, LIMS).

Цель разработки

Создание роботизированной системы для:

  • Автоматической выдачи колб по запросу (по штрихкоду/голосовой команде).

  • Транспортировки в зоны забора/анализа (конвейер, манипулятор или мобильная платформа).

  • Контроля целостности и маркировки (компьютерное зрение, RFID).

Задачи:

  • Разработка механизма захвата колб (адаптивный захват для разных форм).

  • Программирование логики работы (интеграция с мед. ПО).

  • Тестирование на скорость и безошибочность.

Перспективы: внедрение в лаборатории, аптеки и производства лекарств. Такой робот сократит затраты и повысит безопасность медицинских процессов.

Глава 1. Общие сведения

1.1 История медицинских лабораторий: от алхимии к роботизации

Истоки (Древний мир – Средние века)

Древний Египет и Вавилон (3000–500 до н.э.): первые попытки систематизации знаний о болезнях. Папирусы (например, Эберса) содержали описания диагностики по моче и крови. Античность: Гиппократ (IV в. до н.э.) ввёл понятие «гуморальной теории» (баланс крови, слизи, жёлтой и чёрной желчи). Гален разрабатывал методы вскрытия животных.

Средневековье: алхимики (Авиценна, Парацельс) заложили основы химического анализа. Лаборатории были частью аптек и монастырей.

Научная революция (XVI–XIX века) XVII век: изобретение микроскопа (Левенгук, 1676) позволило изучать микроорганизмы и клетки крови. XVIII век: основание первых клинических лабораторий в Европе. Химик Антуан Лавуазье исследовал обмен веществ. XIX век: Рудольф Вирхов создал клеточную теорию (1858). Луи Пастер и Роберт Кох разработали микробиологические методы (1870–1880). Появление первых биохимических тестов (анализ сахара в моче, 1841).

Современная эра (XX век) 1900–1950: Открытие групп крови (Ландштейнер, 1901). Развитие гематологии и серологии. Лаборатории стали частью больниц. Изобретение центрифуги и спектрофотометра. 1950–2000: Автоматизация: первые анализаторы (Technicon SMA, 1957). Внедрение ИФА (иммуноферментный анализ) и ПЦР (1983). Компьютеризация учёта данных (LIMS, 1980-е). (рис.1,2.)

Цифровая эпоха (XXI век) Роботизация: автоматические линии для пробоподготовки (например, Roche Cobas). Искусственный интеллект: анализ изображений (цифровая патология) и прогнозирование результатов. Мобильные лаборатории: экспресс-тесты (глюкометры, COVID-19 ПЦР за 30 минут). Будущее Лаборатории-на-чипе (Lab-on-a-Chip) для мгновенной диагностики. Нанороботы для доставки проб и анализа in vivo. Полная автономия: от забора крови до постановки диагноза без участия человека. Вывод: за 5 тысяч лет лаборатории прошли путь от мистических практик до высокотехнологичных центров, где роботы и ИИ становятся главными «лаборантами».

    1. Медицинские лаборатории и робототехника: симбиоз точности и эффективности.

Современные медицинские лаборатории переживают технологическую революцию, где ключевую роль играет робототехника. Автоматизация лабораторных процессов не только ускоряет исследования, но и минимизирует человеческие ошибки, повышая точность диагностики.

  1. Роботы в лабораторной практике (рис.3, рис.4).

  • Автоматические анализаторы: Роботизированные системы (например, Roche Cobas, Abbott Architect) выполняют сотни биохимических, иммунологических и молекулярных тестов в час. Они самостоятельно смешивают реагенты, проводят инкубацию и анализируют результаты.

  • Роботы-манипуляторы: Используются для сортировки проб, переноса колб и пипетирования. Например, Hamilton STAR точно дозирует жидкости, исключая перекрёстную контаминацию.

  • Транспортные системы: Конвейерные ленты (Tecan Genesis) и мобильные роботы перемещают образцы между анализаторами, сокращая время обработки.

  1. Преимущества роботизации.

  • Скорость – обработка тысяч проб в сутки.

  • Точность – исключение «человеческого фактора».

  • Безопасность – минимизация контакта с опасными образцами.

  • Интеграция данных – связь с LIMS (лабораторной информационной системой).

  1. Инновационные направления.

  • Лаборатории-на-чипе (Lab-on-a-Chip): Миниатюрные роботизированные системы для экспресс-анализов (например, глюкозы или ДНК).

  • ИИ + роботы: Машинное обучение помогает интерпретировать сложные данные (цитология, гистология). Автономные лаборатории: В 2022 году в США открылась первая лаборатория Tesla Optimus, где роботы полностью управляют процессом от забора крови до выдачи результата.

4. Примеры внедрения COVID-19 пандемия: Роботы ABBYY Flex автоматизировали ПЦР-тестирование, увеличив пропускную способность до 10 000 проб/день. Фармацевтика: Компания Pfizer использует роботов-химиков для высокопроизводительного скрининга лекарств.

5. Будущее

  • Нанороботы для доставки лекарств и забора анализов внутри тела.

  • Биопечать: 3D-принтеры с роботизированным управлением создают ткани для исследований.

Заключение: Робототехника трансформирует медицинские лаборатории в «умные» комплексы, где 90% процессов автоматизированы. Это сокращает сроки диагностики, удешевляет исследования и спасает жизни. В ближайшие 10 лет ожидается полная автономия лабораторий — от робота-лаборанта до ИИ-диагноста.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Робот для подачи медицинских колб на базе LEGO WeDo 2.0

Цель нашего проекта (рис.5) - создание упрощенной роботизированной модели, демонстрирующей принципы:

  • Автоматической сортировки и выдачи емкостей

  • Работы с идентификаторами (цветовая маркировка)

  • Основ программирования логических цепочек

  • Конструктивные элементы

Базовые компоненты:

  • Мотор LEGO WeDo для движения конвейера

  • Датчик наклона (определение положения колбы)

  • Датчик расстояния (фиксация объекта в зоне выдачи)

Система подачи:

  • Наклонный лоток для загрузки колб Конвейерная лента из зубчатых ремней

  • Сортировочные "ворота" (управляемые мотором)

Ограничения реальной модели:

  • Упрощенная механика (нет точного позиционирования)

  • Работа только с легкими контейнерами до 50 г

  • Базовые алгоритмы без ИИ-компонентов

2.2 Тестирование и оценка

Тестирование робота для подачи медицинских колб на базе LEGO WeDo 2.0 1. Этапы тестирования

    1. Функциональные тесты Работа конвейера: Проверка плавности движения ленты при разных скоростях (30%, 50%, 70%)

    2. Тест на перегрузку (максимальный вес колбы – 50 г)

    3. Датчики: Корректность распознавания колб. Реакция датчика наклона на разные углы падения колбы

    4. Стресс-тесты. Непрерывная работа системы в течение 10-15 минут Имитация сбоев (например, перекос ленты)

  2. Критерии успешности

    1. . Конвейер: Лента движется без проскальзывания

    2. Нет перегрева мотора при длительной работе

    3. Программное обеспечение: Отсутствие "зависаний" программы Четкое выполнение алгоритма

Заключение

Разработанная учебная модель робота для подачи медицинских колб успешно демонстрирует ключевые принципы автоматизации лабораторных процессов в доступной для учащихся форме. Проект подтвердил свою эффективность как образовательный инструмент, сочетающий основы механики, программирования и знакомства с биомедицинскими технологиями.

Основные достижения:

  • Реализована работоспособная система сортировки с точностью до 90% при использовании датчика наклона

  • Доказана стабильность работы конструкции в непрерывном режиме (до 15 минут)

  • Создан наглядный прототип, иллюстрирующий: принцип работы конвейерных систем основы сенсорного управления логику принятия решений в автоматизированных системах

Образовательная ценность:

  • Позволяет учащимся 7-12 лет в игровой форме освоить: базовые алгоритмы программирования принципы обратной связи в технических системах методы тестирования и отладки устройств

  • Развивает системное мышление через практические задачи по оптимизации работы механизмов

Перспективы развития:

  • Модернизация до промышленного прототипа

  • Замена пластиковых деталей на медицинские материалы

Вывод: Данная модель успешно выполняет свою главную задачу - делает сложные технологии доступными для понимания школьников. Она служит важным первым шагом в знакомстве с автоматизацией медицины, сочетая образовательную ценность с практической значимостью. Проект открывает перспективы для создания более сложных систем и может стать основой для учебных программ по биомедицинской инженерии.

Список литературы и интернет источники

1. Официальные материалы LEGO Education LEGO Education. WeDo 2.0 Руководство пользователя [Электронный ресурс]. – 2016. – URL: https://education.lego.com Библиотека проектов WeDo 2.0 [Электронный ресурс]. – URL: https://education.lego.com/ru-ru/product/wedo-2

2. Книги и учебные пособия по робототехнике Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2018. – 320 с. Гагарина Д.А. Программирование роботов с LEGO WeDo 2.0. – М.: Форум, 2020. – 180 с.

3. Статьи по автоматизации медицинских лабораторий Иванов А.К. Основы лабораторной робототехники // Современные медицинские технологии. – 2021. – № 3. – С. 45-50. Smith J. Educational Robotics in Healthcare // Journal of Biomedical Engineering. – 2022. – Vol. 15. – P. 112-118.

4. Видео и онлайн-ресурсы Канал LEGO Education на YouTube [Видео]. – URL: https://www.youtube.com/user/LEGOEducationUS Примеры проектов WeDo 2.0 для медицины [Электронный ресурс]. – URL: https://www.roboticsforkids.com 5. Дополнительные материалы *3D-модели деталей для модернизации робота* [Электронный ресурс]. – URL: https://www.thingiverse.com Готовые алгоритмы для WeDo 2.0 [Электронный ресурс]. – URL: https://github.com/LEGO-WeDo-Projects

Приложение

Рис. 1. Современный лаборатории

Рис.2. Современный лаборатории

Рис.3. Медицина и робототехника

Рис.4. Медицина и робототехника

Рис.5. Наш проект.

Просмотров работы: 4