CN214174121U - 数字化功能材料自动化智能合成岛 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高端装备制造、新材料、智能制造、新一代信息技术、及生物技术领域，具体涉及一种数字化功能材料自动化智能合成岛，包括第一操作区、第二操作区、第三操作区、第一机械手、第二机械手、第三机械手；第一机械手将物料在三个操作区之间进行转移；第二机械手用于将第二操作区内的物料进行提取、转移和混合；第三机械手用于将第三操作区内的物料进行提取、转移和混合。本实用新型采用机械手代替操作人员进行物料提取，减小了劳动强度，节省时间且能提高实验的准确性。

Description

数字化功能材料自动化智能合成岛

技术领域

本实用新型涉及高端装备制造、新材料、智能制造、新一代信息技术及生物技术领域，尤其涉及一种机器人与数字制造相结合的新型高性能能源环保、生物医药与电子信息相关领域功能材料结构设计、制备与评价不同功能分区的“岛”及其整体平台。

背景技术

目前，高性能材料的能源环保、生物医药与电子信息相关领域生物化学合成与制备仍然是劳动密集型的，一些制备方法和步骤存在错误或模糊性，因此，需要将新材料研发由“科学直觉与试错”的传统模式向“理论预测结合实验验证”的新模式转变，全面提高功能材料从发现到应用的速度，降低成本。

另外，功能材料传统研发过程成本高、耗时长，对实验的效率和可重复性都有很高的要求，实验的低效和浪费将是对研究成本和人才的极大消耗。若只依赖于人工手动操作不仅耗费时间、体力，更容易产生误差，这将很大程度影响实验结果的可重复性。另一方面，传统的方法在预测材料的特性与成分，加工条件等关系上，有明显的不足。此外，一些有毒性的固体试剂在提取和称样的过程中存在很大的风险，不仅可能对实验人员造成伤害，更将对环境造成不可控的污染。

随着21世纪信息科学的蓬勃发展，数据密集型科学发现(Data-intensiveScientific Discovery)正成为“第四研究范式”。探索第四范式与高端装备制造、新材料、智能制造、新一代信息技术、和生物等技术领域的交叉融合，将为生物医药与电子信息等领域关键科学问题的解决以及“卡脖子”技术的突破提供全新的方法论。传统生物医药与电子信息等领域的功能材料研发需经历海量分子的合成与测试，是研发的关键瓶颈之一。

因此，结合目前学科发展的最前沿技术，开发“人-人工智能-机器人”协作的数字化功能材料自动化智能合成岛；机器人化学家数字化自动化多功能平台；数字化生物化学功能材料制备智能岛意义重大，将开启新型功能材料在能源环保、电子信息、和生物医学技术、及其交叉领域的快速发展，为能源、信息、高端装备制造和人类健康等新兴产业的发展提供坚实的理论基础和技术支撑，促进生物化学材料合成云端化，IT化，数据化，AI化，自动化，服务高性能材料数据要素市场的建立。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种数字化功能材料自动化智能合成岛，解决了现有技术中存在的高性能材料的生物化学合成与制备劳动密集型、方法和步骤存在错误或模糊性，缺乏数字化规范性的问题。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特殊之处在于：

包括第一操作区、第二操作区、第三操作区、第一机械手；

所述第一操作区包括存储区、温控区、分析区、离心区；

第二操作区包括第二机械手、光照区、制备区、反应区、振动区、移液头收集区、移液头放置区、原料盒和底物盒；

第三操作区包括交互区、第三机械手；

第一机械手用于将物料在第一操作区、第二操作区、第三操作区之间进行转移；

所述第二机械手用于将第二操作区内的物料进行提取、转移和混合；

第三机械手用于将第三操作区内的物料进行提取和转移。

进一步地，还包括监测装置，监测装置设置在第一操作区、第二操作区的下部，监测装置包括相机及运动装置，所述运动装置带动相机移动。

进一步地，上述存储区包括移液头存储区、底物存储区和废弃物存储区。

进一步地，上述温控区包括恒温区和室温区，恒温区包括恒温箱，恒温箱包括恒温箱，恒温箱采用第一气缸来控制开启和关闭。

进一步地，上述第一机械手包括移动底座、旋转机构、竖直运动机构、伸缩机构以及夹爪；

旋转机构固定在在移动底座上，竖直运动机构设置在旋转机构上，伸缩机构设置在竖直运动机构上，夹爪固定在伸缩机构的末端。

移动底座带动旋转机构进行移动，旋转机构带动其上设置的竖直运动机构、伸缩机构进行角度调整，竖直运动机构带动伸缩机构上下运动使其达到预设高度，伸缩机构带动夹爪抓取物料，然后再进行转移。

进一步地，上述第三机械手与第一机械手的结构相同。

进一步地，所述第二机械手包括三轴机构以及设置在三轴机构上的物料提取装置，所述物料提取装置用于将第二操作区内的物料进行提取和转移；

三轴机构包括x方向运动机构、y方向运动机构和z方向运动机构，z方向运动机构包括固定板，物料提取装置设置在固定板上。

进一步地，物料提取装置的数量至少有两个，物料提取装置包括移动杆、移动气缸和移液枪，所述移动杆和移动气缸固定在固定板上，移动气缸带动移动杆上下运动，移液枪设置在移动杆的末端。

进一步地，光照区包括UV灯，制备区和反应区上部设有无影灯。

进一步地，上述振动区的底部设有振动马达。

进一步地，上述光照区、制备区、反应区、振动区上设有若干个透明的多孔反应板，所述多孔反应板上设有若干反应孔。

进一步地，上述原料盒用于放置不同的原液和/或原料，所述原料盒呈透明长方体状，且所述原料盒上端开口。

进一步地，上述废弃物存储区包括废料收集区槽，所述废料收集槽呈矩形。

本实用新型的优点：

本实用新型采用机械手代替操作人员进行物料提取、样品制备，大大减小了操作人员的劳动强度，节省了时间，并且能提高实验的准确性；

本实用新型可采用采用机械手代替操作人员进行操作，避免操作人员在实验过程中受到伤害；

本实用新型通过装置进行高通量(即短时间内大量重复进行操作)的试验，从而节省了成本以及耗时，使原本需要数年乃至数十年才能完成的功能材料研发缩短至数月；

本实用新型还可以通过各分区模块的自由组合，从而实现不仅可以对生物医药进行研发，还可以对电子信息以及能源环保等方面的材料进行研发，以及提供指导数据。

附图说明

图1为本实用新型数字化功能材料自动化智能合成岛的整体结构图；

图2为图1的另一个方向视图；

图3为本实用新型的操作流程图；

图4为图1中第二操作区结构图；

图5为图4另一个方向视图；

图6为图1中物料提取装置结构图；

图7为图1中监测装置结构图；

图8为图1中第一机械手结构图；

图9为图1中光照区结构图；

图10为图1中恒温区结构图。

1、第一操作区，2、第二操作区，3、第三操作区，4、第一机械手，5、分析区，6、离心区，7、第二机械手，8、光照区，9、制备区，10、反应区，11、振动区，12、移液头收集区，13、移液头放置区，14、原料盒，15、底物盒， 16、交互区，17、第三机械手，18、相机，19、运动装置，20、移液头存储区， 21、底物存储区，22、废弃物存储区，23、恒温区，24、室温区，25、移动底座，26、旋转机构，27、竖直运动机构，28、伸缩机构，29、夹爪，30、x方向运动机构，31、y方向运动机构，32、z方向运动机构，33、固定板，34、移动杆，35、移动气缸，36、移液枪，37、振动马达，38、多孔反应板，39，恒温箱盖，40、第一气缸，41、UV灯，42、同步带，43、电机，44、第二气缸，45、 U型轨道，46、冰箱。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。

参见图1-图3，一种数字化功能材料自动化智能合成岛，包括桌面平台，桌面平台上设有第一操作区1、第二操作区2、第三操作区3、第一机械手4、监测装置。所述第一操作区1包括存储区、温控区、分析区5、离心区6；第二操作区 2包括第二机械手7、光照区8、制备区9、反应区10、振动区11、移液头收集区 12、移液头放置区13、原料盒14和底物盒15；第三操作区3包括交互区16、第三机械手17。第一机械手4用于将物料在第一操作区1、第二操作区2、第三操作区 3之间进行转移；所述第二机械手7用于将第二操作区2内的物料进行提取、转移和混合；第三机械手17用于将第三操作区3内的物料进行提取、转移和混合。

桌面平台的底部设有滚轮，方便进行移动。

作为本实用新型的一个优选实施例，参见图1-3和图10，所述存储区包括移液头存储区20、底物存储区21和废弃物存储区22。

所述温控区包括恒温区23和室温区24。恒温区23包括三个恒温箱，可以同时对样品进行不同温度的测试。恒温箱内设有温度调节装置和温度传感器，温度传感器获取恒温箱的温度参数。恒温箱的恒温箱盖39采用气缸进行控制，气缸对其进行打开或关闭。

所述光照区8、制备区9、反应区10、振动区11上设有若干个透明的多孔反应板38，所述多孔反应板38上设有若干反应孔，孔反应板38可以采用96孔板。所述原料盒14用于放置不同的原液和/或原料，所述原料盒14呈透明长方体状，且所述原料盒14上端开口；废弃物存储区22包括废料收集槽，所述废料收集槽呈矩形。分析区5包括酶标仪。

参见图8，作为本实用新型的一个优选实施例，所述第一机械手4包括移动底座25、旋转机构26、竖直运动机构27、伸缩机构28以及夹爪29。旋转机构26 固定在在移动底座25上，竖直运动机构27设置在旋转机构26上，伸缩机构28设置在竖直运动机构27上，夹爪29固定在伸缩机构28的末端。

移动底座25的动力装置和传动装置可以采用电机带动滚轮的形式实现；旋转机构26采用步进电机实现转动角度的精确控制；竖直运动机构27采用直线电机来实现，其定子垂直设置在旋转机构26上，动子座与伸缩机构28相连接；伸缩机构28包括三个转臂，相邻两个转臂处通过一个步进电机相连，以控制转动精度，夹爪29与最后一个转臂连接。

第一机械手4用于将第一操作区、第二操作区2、第三操作区3内的移液头、底物、原料、样品等进行转移。例如，第一机械手4利用气夹爪29将第二操作区 2内制备区9内的样品转移至第三操作区3的交互区。

参见图1和图2，第三机械手17的结构和第一机械手4的结构类似，不同的是，其移动底座在预设的U型轨道45上进行移动，第三操作区3上还设置贴膜机或者冰箱46等设备，第三机械手17用于将交互区16的物品进行转移，已送至贴膜机贴膜或者冰箱46进行存储。

作为本实用新型的一个实施例，参见图4和图5，所述第二机械手7包括三轴机构以及设置在三轴机构上的物料提取装置，所述物料提取装置用于将第二操作区2内的物料进行提取和转移。三轴机构包括x方向运动机构30、y方向运动机构31和z方向运动机构32，z方向运动机构32包括固定板33，物料提取装置设置在固定板33上。

三轴机构设置在一个框架上，框架位于第二操作区2上部，x方向运动机构 30、y方向运动机构31和z方向运动机构32均采用直线电机，x方向运动机构30的定子导轨设置在框架上，动子座上设置y方向运动机构31，为增加稳定性，框架上还设有一个与定子导轨平行的导轨，y方向运动机构31的定子导轨与x方向运动机构30的定子导轨垂直设置，z方向运动机构32的定子导轨固定在y方向运动机构31的动子座上，物料提取装置通过固定板33固定在z方向运动机构32的动子座上。

参见图4和图6，作为本实用新型的一个优选实施例，为提高移液的效率，缩短实验时间，物料提取装置的数量至少有两个，物料提取装置包括移动杆34、移动气缸35和移液枪36。所述移动杆34和移动气缸35固定在固定板33上，移动气缸35带动移动杆34上下运动，移液枪36设置在移动杆34的末端。

根据需要，可以通过移动气缸35对不使用的移液枪进行上移，避免移液枪左右移动时，未使用的移液枪干涉实验。当需要多个移液枪时，通过移动气缸 35将移液枪36进行下移。

参见图9，作为本实用新型的一个优选实施例，所述光照区8包括365nm的 UV灯41和多孔反应板，UV灯41位于多孔反应板之上，且UV灯41与第一气缸40 的伸缩杆连接，伸缩杆带动UV灯41在其对应的多孔反应板上前后移动，用于提供UV光照。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述振动区11包括多孔反应板，其底部设有振动马达37，振动马达37振动，加速液体混合，缩短试验所需时长。

参见图4和图7，作为本实用新型的一个优选实施例，监测装置设置在第一操作区1、第二操作区2的下部，监测装置包括相机18及运动装置19，所述运动装置19带动相机18移动。第一操作区1、第二操作区2的上部设有无影灯。无影灯可以使得拍照时所述多孔反应板的反应孔之间不会因为光线的差别而使得各个反应孔拍照时光线互相影响而造成照片成像会呈现较多阴影的情况，通过无影灯将原本的阴影覆盖而使得实时拍摄出的照片更加清晰。

以第二操作区2的下部的监测装置为例，运动装置19包括横向移动机构和纵向移动机构，纵向移动机构设置在底板上，横向移动机构设置在纵向移动机构上。纵向移动机构包括第二气缸44，横向移动机构包括电机43，电机43带动同步带42转动，同步带带动相机18移动，第二气缸44带动横向移动机构前后移动。相机18采用500w彩色相机，镜头为定焦镜头，不会随图像亮度的改变而改变焦距，以保证图像之间的可比较性，同时配置抗畸变镜头。

实施例1：

使用本实用新型用于MOFs蛋白的制备

第一步：利用第一机械手4将配体A，B和C溶液各1000μl，五种金属离子 (Cu²⁺，Zn^{2 +}，Co²⁺，Ni²⁺和Cd²⁺)各1000μl，酶溶液500μl转移到原料盒14储存区的96孔深孔板中，作为原料区母液。

第二步：利用第二机械手7吸取并转移原料盒14内五种金属离子(Cu²⁺，Zn²⁺， Co²⁺，Ni²⁺和Cd²⁺)置于制备区9的96孔板中，重复3次。

第三步：利用第二机械手7吸取并转移酶溶液50μl置于与第二步制备区每一个相同孔位置。

第四步：利用第二机械手7吸取并转移配体A，B和C溶液各50μl置于制备区 9的96孔板中，与金属离子混合，确保三种配体与每一种金属离子充分混合并反应，通过机器手臂移动到振动区震荡。

第五步：电机43启动，带动相机18拍照观察不同制备区9中96孔板中溶液颜色变化。

第六步：利用第二机械手7将50ul丁香醛连氮，10ul缓冲液一次转移到反应区10的96孔板同一孔中,重复15次。

第七步：利用第二机械手7将步骤四产生的15种反应液吸取并转移至第六步反应区10的15个孔中充分混合。

第八步：利用第一机械手4将步骤七的96孔板转移至分析区5的酶标仪中，进行数据分析和动力学监测。

第九步：从酶标仪导出数据进行酶活性分析。

第十步：利用第一机械手4转移96孔板剩余的反应液至离心区6离心分离，随后对固体进行评价分析。

以上步骤根据需要通过移液枪36吸取不同液体之后均会移至移液头存储区 20更换枪头。

实施例2：

1.第二机械手7操作移液枪36分别吸取底物盒15中1-10mlPbX₂和CsX的饱和 DMF溶液(X＝F,Cl或者Br)，加入到原料盒14中的前驱液样品槽中。

2.第二机械手7操作移液枪36吸取底物盒15中长碳链有机酸(含碳量10-20) 和长碳链小分子胺(含碳量10-20)，吸取体积在0.1-2ml之间，加入到原料盒14 中的前驱液样品槽中。

3.第二机械手7操作移液枪36反复吸取-释放原料盒15中的前驱液样品，使其混合均匀。

4.第二机械手7操作移液枪36吸取溶剂(包括但不限于甲苯、氯仿、正己烷、乙酸乙酯等)加入到振动区11的96孔板中，加料体积在1-20ml之间，作为不良溶剂用于后续钙钛矿量子点制备。

5.振动马达37开启振动模式，第二机械手7操作移液枪吸取原料盒中的前驱液0.1-1ml，以预设速度加入到不良溶剂中，快速合成钙钛矿量子点。

6.每隔一分钟，停止振动次，使用相机18在可见光下对材料进行拍摄，然后第一机械手4将96孔板放置在UV灯41光照区，使用相机18在365-395nm波长范围内对材料进行拍摄。

7.每次拍摄完成后第一机械手4将96孔板放回震动区继续震动反应，总计反应时间为30分钟。

8.反应结束后第一机械手4将96孔板放入酶标仪中，对材料的吸光性能进行测试。

9.完成全部测试后，第一机械手4将96孔板转移至交互区16，第三机械手17 将对96孔板进行贴膜密封，并将样品放入冰箱46中保存。

10.随后，对拍摄相片进行分析，将拍摄的所有信息转换为数据并进行图表化处理，获得样品发光和吸光性能随时间的变化曲线，以及不同材料之间性能差异。

注：整个操作过程均由机械手完成，每次通过移液枪吸取不同液体之后均会移至移液头存储区20更换枪头。

本实用新型采用机械手代替操作人员进行物料提取、样品制备，大大减小了操作人员的劳动强度，节省了时间，并且能提高实验的准确性；本实用新型通过装置进行高通量(即短时间内大量重复进行操作)的试验，从而节省了成本以及耗时，使原本需要数年乃至数十年才能完成的功能材料研发缩短至数月；本实用新型还可以通过各分区模块的自由组合，从而实现不仅可以对生物医药进行研发，还可以对电子信息以及能源环保等方面的材料进行研发，以及提供指导数据。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非以此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (11)

1.一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

包括第一操作区(1)、第二操作区(2)、第三操作区(3)、第一机械手(4)；

所述第一操作区(1)包括存储区、温控区、分析区(5)、离心区(6)；第二操作区(2)包括第二机械手(7)、光照区(8)、制备区(9)、反应区(10)、振动区(11)、移液头收集区(12)、移液头放置区(13)、原料盒(14)和底物盒(15)；第三操作区(3)包括交互区(16)、第三机械手(17)；

第一机械手(4)用于将物料在第一操作区(1)、第二操作区(2)、第三操作区(3)之间进行转移；

所述第二机械手(7)用于将第二操作区(2)内的物料进行提取、转移和混合；

第三机械手(17)用于将第三操作区(3)内的物料进行提取、转移和混合。

2.根据权利要求1所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

还包括监测装置，监测装置设置在第一操作区(1)、第二操作区(2)的下部，监测装置包括相机(18)及运动装置(19)，所述运动装置(19)带动相机(18)移动。

3.根据权利要求2所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述存储区包括移液头存储区(20)、底物存储区(21)和废弃物存储区(22)。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述温控区包括恒温区(23)和室温区(24)，恒温区(23)包括恒温箱，恒温箱包括恒温箱39，恒温箱39采用第一气缸(40)来控制开启和关闭。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述第一机械手(4)包括移动底座(25)、旋转机构(26)、竖直运动机构(27)、伸缩机构(28)以及夹爪(29)；

旋转机构(26)固定在移动底座(25)上，竖直运动机构(27)设置在旋转机构(26)上，伸缩机构(28)设置在竖直运动机构(27)上，夹爪(29)固定在伸缩机构(28)的末端。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述第二机械手(7)包括三轴机构以及设置在三轴机构上的物料提取装置，所述物料提取装置用于将第二操作区(2)内的物料进行提取和转移；

三轴机构包括x方向运动机构(30)、y方向运动机构(31)和z方向运动机构(32)，z方向运动机构(32)包括固定板(33)，物料提取装置设置在固定板(33)上。

7.根据权利要求6所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

物料提取装置的数量至少有两个，物料提取装置包括移动杆(34)、移动气缸(35)和移液枪(36)，

所述移动杆(34)和移动气缸(35)固定在固定板(33)上，移动气缸(35)带动移动杆(34)上下运动，移液枪(36)设置在移动杆(34)的末端。

8.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述光照区(8)包括UV灯(41)，制备区(9)和反应区(10)上部设有无影灯，UV灯(41)与第一气缸(40)的伸缩杆连接，伸缩杆带动UV灯(41)前后移动，用于提供UV光照。

9.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述振动区(11)的底部设有振动马达(37)。

10.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述光照区(8)、制备区(9)、反应区(10)、振动区(11)上设有若干个透明的多孔反应板(38)，所述多孔反应板(38)上设有若干反应孔。

11.根据权利要求1-3任一所述的一种数字化功能材料自动化智能合成岛，其特征在于：

所述原料盒(14)用于放置不同的原液和/或原料，所述原料盒(14)呈透明长方体状，且所述原料盒(14)上端开口；

废弃物存储区(22)包括废料收集槽，所述废料收集槽呈矩形。

Images