Le labo

Au Hein Lab, un groupe de recherche affilié à une université majeure de l’Ouest du Canada, chercheurs et étudiants travaillent sur des projets impliquant à la fois la chimie et l’automatisation. Ce labo rassemble ces deux champs afin de résoudre (jeu de mots volontaire) des problématiques persistantes. Travaillant sur des mécanismes de réactions complexes et développant des procédés de synthèse avancée ainsi que des procédés de cristallisation, entre autres choses. Employant des outils venant de la chimie physique organique classique et moderne, le groupe a pour objectifs d'accélérer le rythme des nouvelles découvertes et l'implémentation de laboratoires autonomes.

Logo du Hein Lab et photo de groupe février 2020

Le programme de recherche du laboratoire repose sur une équipe multidisciplinaire composée de chimistes organiques synthétiques et physiques, scientifiques informatiques, ingénieurs mécatroniques et experts en visualisation des données. Leur sous-groupe en automatisation / instrumentation a pour focus la création de solutions robotiques automatisées appliquées à une panoplie de défis en chimie. Dirigé par Jason Hein, Professeur associé, le labo a publié un bon nombre d'articles scientifiques depuis 2012. De plus, le groupe peut compter sur le soutien de contributeurs renommés tels que Pfizer, Merck et DARPA. Les sujets de leurs projets sont vastes, allant de l’analyse d’acides aminés trouvés dans des chondrites carbonées de l’Antarctique jusqu’à l’analyse de la cristallisation de composés actifs non UV.

Par exemple, dans un de leurs projets, ils associent un bras robotique pouvant manipuler des liquides et des solides à une webcam pour déterminer de façon autonome la solubilité de différents composés. Cette approche est une façon simple et efficace de trouver des valeurs de solubilité, en particulier lorsqu’on la compare à des flux de travail à forte intensité de main-d'œuvre. Par exemple, une méthode qui demande une instrumentation sophistiquée d’analyse (i.e., chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC)). Dans ce cas particulier, un bras robotique Kinova a été utilisé dans le cadre de leur plateforme automatisée de criblage de solubilité utilisant la vision par ordinateur.

Le projet

Le groupe vise à concevoir un outil généralisable capable de cartographier les propriétés physiques et chimiques de tout système chimique cible. Dans ce paradigme, la séquence exacte des actions complétées par l’automatisation n’est pas prédéfinie — l’objectif expérimental est défini avec des instructions conditionnelles pour permettre au système de prendre des décisions autonomes. Cette stratégie imite de près les actions d’un assistant de laboratoire expert, étant donné que le système est en mesure de réagir aux variations conditionnelles et quand même réaliser l’objectif cible de l’expérience.

Dans le cas spécifique de ce flux de travail en solubilité, le groupe souhaitait avoir une plateforme robotique modulaire en boucle fermée, guidée par une simple vision par ordinateur plutôt qu’une analyse complexe. Ce système ne demanderait pas de connaissance à priori de la chimie impliquée et serait en mesure de détecter des échecs dans le flux de travail pour s’y adapter en conséquence par la suite. Ce système serait propice pour n’importe quelle combinaison solide-solvant sans ajustements spécialisés. La modularité de la plateforme lui permettrait d’accomplir toute expérience connexe demandant des ajouts de solide / liquide, mélange / chauffage et détermination optique d’homogénéité. Par exemple : l’identification des conditions pour la cristallisation, la création de solutions de stock à des concentrations ciblées ou la détermination de combinaisons de solvant pour l’extraction liquide-liquide.

« Notre groupe se concentre sur l’automatisation flexible et un bras robotique est le manipulateur principal des différents objets du labo et des produits chimiques. L’intégration de ces robots à d’autres systèmes du labo est crucial et demande du matériel facile d’utilisation ainsi que des logiciels faciles à installer. Kinova a répondu à ces deux critères. » - Paloma Prieto, Program Manager, Hein Lab

Visualisation d’un réseau symbolisant la collaboration entre des groupes de gens et des entreprises, objectifs communs.

Étant donné que la plupart du code est open-source, un autre objectif subséquent, dû au succès de l’expérience, est de partager ce travail avec d’autres groupes. Des collaborations avec des entreprises du domaine pharmaceutique ou de l’instrumentation, par exemple, aident le Hein Lab à déployer leurs outils en dehors de l’université.

« Nous prévoyons que la plateforme puisse faciliter la découverte de réponses à des questions de solubilité pour les industries faisant face à de nouveaux défis. En automatisant un processus qui est intégral au design expérimental et à l’optimisation, nous espérons réduire la demande en termes de coût matériel mais également de ressources humaines. »

Cette citation, traduite de l'anglais, est tirée de Automated Solubility Screening Platform Using Computer Vision, un article scientifique couvrant l'application discutée dans cette étude de cas.

Le problème

Vous n’avez pas à travailler dans un labo pour vous faire à l’idée. Il y a beaucoup d’équipement aux alentours et plusieurs tâches à effectuer : noter les résultats, en discuter avec l’équipe, la maintenance de l’instrumentation et le nettoyage. Des tâches manuelles qui demandent moins de « puissance cérébrale », disons-le comme ça, elles peuvent inclure le déplacement de flacons, les ouvrir et les refermer, les placer dans une machine, etc. De ce point de vue, cela aurait du sens d’avoir un assistant non humain à proximité, qu’en pensez-vous ?

« C’était un projet axé sur les problèmes [...] nos étudiants au doctorat pouvaient passer près de 80 % de leur temps sur des tâches manuelles. », dit Prieto.

Figure 7 Automated solubility screening modules (Kinova platform)

L'automatisation à la rescousse

Le Hein Lab était à la recherche d’un bras robotique 6-axes fabriqué au Canada, afin de l’utiliser dans leurs plateformes automatisées, c’est à ce moment que nous sommes entrés dans l’équation. Un de nos représentants a connecté avec Jason Hein et nous avons été en mesure de leur proposer un robot répondant à leurs besoins, pour leurs objectifs futurs.

Selon Parisa Shiri, un membre du personnel du Hein Lab, qui était parmi les premières personnes à installer et configurer le robot : « Ça été relativement facile d’apprendre comment utiliser le robot. Le personnel du labo avait de l’expérience avec des robots de type SCARA mais nous étions à nos premiers pas avec des robots 6-axes. »

Le Kinova Gen3 comporte une interface utilisateur graphique ressemblant à un teach-pendant, se nommant le Kinova Web App, accessible à travers le fureteur de votre ordinateur, tablette ou téléphone intelligent.

« Le Web App a été un grand avantage sur le côté programmation, étant intuitif et facile d’utilisation. Je recommanderais le Gen3 à n'importe qui œuvrant dans un champ multidisciplinaire sans nécessairement avoir d’expérience en robotique, afin d’automatiser un processus. »  - Parisa Shiri, research associate, Hein Lab

Dans la vidéo suivante, nous pouvons voir le robot donnant un coup de main sur différentes tâches cruciales telles que :

  • La manipulation des fioles
  • Dévisser le couvercle des fioles
  • Prendre un outil sur-mesure servant spécifiquement à ajouter du liquide aux fioles (le ‘sample-o-matic’)
  • Revisser le couvercle des fioles

Ci-contre : Automated solubility screening modules (Kinova platform), source.

Vidéo : Automated solubility screening with a Kinova arm

Video S2. Kinova solubility workflow

De vastes gains d'efficacité et plus de temps pour les chercheurs

Le système développé par le Hein Lab a été utilisé dans un flux de travail afin de déterminer la solubilité de différents composés sans intervention humaine. Il a été capable de trouver les valeurs de solubilité d’un solide dans plusieurs solvants en l’espace d’une nuit. Ces expériences autonomes ont été réalisées beaucoup plus rapidement qu’avec la méthode (manuelle) usuelle. Entre une et trois semaines de tâches répétitives pour les chercheurs versus deux jours dans le cas de la plateforme. Toutefois, Prieto souligne le fait que le temps gagné n’était pas l’avantage principal recherché mais plutôt la qualité des résultats pouvant être achevée sans l’intervention humaine. Tel que mentionné plus tôt, le robot a travaillé la nuit, voulant dire qu’il faisait essentiellement ce que les humains auraient fait durant la journée. Cela fait en sorte que les chercheurs ont du temps pour effectuer des tâches à valeur ajoutée durant leurs quarts de travail en labo, tout au long de la semaine.

Au-delà des études de solubilité, le Hein Lab s’oriente vers l’utilisation des bras robotiques de Kinova à l’intérieur d’une plateforme plus complexe sur la surveillance des réactions. L’utilisation d’un robot 6-axes pourrait également ouvrir la porte à des tâches d’automatisation telles que le chargement et déchargement de centrifugeuses ou la manipulation d’échantillons pour des opérations plus complexes.

Parisa Shiri research associate Hein Lab posant devant un Kinova Gen3 et de l’équipement de labo

Un projet réalisé principalement par des femmes

Prieto tenait à célébrer les femmes qui ont travaillé sur le projet, du développement logiciel (Ms. Veronica Lai), à l’intégration matériel (Ms. Parisa Shiri) ainsi que la visualisation des données (Ms. Tara Zepel) : « [...] elles ont vraiment mené à bien le projet », mentionne-t-elle. Tandis que plusieurs trouvent que les disciplines en STEM continuent de manquer de parité entre les sexes, Prieto voit le succès de ces femmes comme une étape précieuse contribuant à encourager les femmes voulant se lancer en science. Dans l’image ci-contre nous pouvons voir Parisa Shiri, posant avec le manipulateur robotique qu’elle a côtoyé durant son travail sur près d’un an.

Kinova Gen3 robot for research and professional applications two people controlling a robotic arm with video game controller

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