运动控制带来了对生命科学应用的准确性和一致性。

生命科学在改善世界各地人民生活方面具有巨大潜力。具有讽刺意味和不足为奇的是，专注于生命的学科从无生命的运动控制技术所提供的能力中受益匪浅。无论是法医和药理学的DNA分析，还是分子和蛋白质的芯片级分析，生命科学应用为运动控制带来了机遇和挑战。

要问的第一个问题是流程是否可以自动化，第二个问题是流程是否可以自动化应该自动化。具有适当的设计，运动控制可以为实验室流程带来大益处 - 不仅仅是更高的吞吐量，而且更大的一致性，降低误差和提高的质量。“在生物技术的情况下，每次运行都是一个小型的迷你科学实验，所以我们想要一种可重复性和自动化系统可以获得的精度，”GE Global Research的机电一体化工程师Mechatronics工程师韦斯顿格里芬说。

GE医疗生命科学全球产品经理Gareth Ellis表示:“客户正在寻求集成多种功能，并能够真正处理样品的提取、加工和移动。”随着应用程序越来越复杂，对性能的要求也越来越高。

以DNA测序为例。低精度运动元件执行将DNA芯片移动到机器中的DNA芯片的任务，其中液压或流体流量分量递送试剂。一旦对每个样本发生反应，第二个系统将相机定位在每个样本上以拍摄图像以进行分析。核心数据采集运动系统涉及沿X，Y和Z轴的高分辨率运动，通常具有额外的旋转轴来补偿未对准。

与由百高度同步轴组成的包装线相比，运动要求似乎简单 - 直到您考虑比例。有一段时间通过毫米距离的距离分离DNA孔板上的样品室，用开环步进电机易于地址。如今，作为大幅降低DNA测序成本的一部分，芯片可以在底物上超过60,000个单独的DNA探针，仅在一侧仅为厘米或两个单独的DNA探针。通过订单幅度提高性能需求。"Now you need to be able to position to sub-micron type accuracy," says Ron Rekowski, advanced automation division manager at Aerotech Inc. “You’re going from a brute force, low-cost automation application to a very high-end inspection application.”

系统通常使用两种方法中的一种来成像底片:连续扫描或步进成像。每个国家都有自己的挑战。在离散成像的情况下，系统必须步进，稳定，然后捕获图像。沉淀时间越快，系统的吞吐量越高。“问题是你能多快从点A移动到B点并保持稳定，“Rekowski说。”你说话的位置公差在数百纳米。“这不仅仅是一个电机性能问题;这是一个系统范围的设计挑战。为确保精度，系统运动必须基于高分辨率，高保真反馈设备。机械结构需要足够坚硬以最小化振动。多项式运动型材可以设计为避免可能增加稳定时间的激动的共振。

连续扫描成像似乎可能比离散成像更容易，但它带来了自己的挑战。在连续扫描模式下，相机基于位置序列触发。任何抖动都可以模糊图像，因此速度控制变得必不可少，行程的直线度（见图1）。“相机具有如此高的放大率，它们没有很多焦点深度，因此机械系统需要极为平坦，”Rekowski说。"If it's not extremely flat then you need a closed-loop servo control system that monitors the height of your substrate and adjusts the focus on the fly, so you’re moving extremely high-bandwidth type systems. Your servo has to be capable of sustaining these data rates.”

涉及成千上万的样本，整个芯片测序可能需要几小时的近恒定操作。为了最大限度地提高吞吐量，系统需要尽可能快地映像，理想地以每个图像帧的一个样本的速率;在标准视频帧速率下，这意味着每33毫秒获取数据。特别是对于阶梯和图像系统，这是一个苛刻的过程。“您需要在帧速率中进行[从样本A到样本B]，并留下自己的时间来定居，然后再做一次，”Rekowski说。“这是一个非常高占空比的应用。即使动作很小，它也会以非常高的速率发生，因此您需要确保您的轴承和电机技术达到任务。”

实际上，可靠性是每个比特，与半导体制造等高裕度应用一样重要。“当[DNA序列仪]下降时，在丢失的收入方面是一个非常昂贵的主张，”Rekowski说。样本是珍贵的 - 在法医证据的情况下，它们可以是不可替代的，结果是生命或死亡的结果。系统不能发挥作用。虽然仪器往往是桌面大小而不是数百英尺，但使用智能的网络组件仍然提供了很大的好处。“深入进入过程的可见性非常重要，”雷克斯基说网络化的分布式驱动器允许您一直向下查看电机中各个阶段命令的电流，以便您可以检测到事件开始出错。“

在方便的时间而不是中断中间过程中分析的自由是伺服电机的一个重要优势。易于替代的是另一个。定序器中的定位元件倾向于深入嵌入机器中。如果这些元素是机械滑动或空气轴承，则将机器分开并更换它们可以复杂且耗时。在安装在一个安装的电气部件时更容易外部的内阁。

一次性设计
数据采集和材料处理并不是运动控制在生命科学中执行的唯一任务。尽管对于固定转速的马达来说，泵送流体似乎是一项很好的任务，但在药物研发和药物制造中，应用都需要机电技术的灵活性。格里芬说:“我们正在研究的一些过程需要非常精确的控制和特定的流体分配。”“它们在同一过程中可能有所不同，所以你在一种情况下分配一种量，在另一种情况下分配不同的量。简单的开关固定转速电机虽然具有成本效益，但无法完成应用所需的分配任务。”

虽然研究级系统可以承担绩效的价格，但制药业务等制造业务必须专注于控制成本和降低风险。该区域最近的一个趋势涉及在可能的情况下使用用于生物技术和药物药物生产的一次性生物反应器，并将复杂性推入机器中。该方法消除了交叉污染和灭菌问题，但它带来了新的设计问题。“您可以将设备插入反应堆以执行必要的流程步骤，例如流量控制，搅拌和监测控制变量，如pH，氧气水平等，”艾默生工业自动化运动控制主任Steve Bartz说。“If you’re using a disposable bag, you don't want to insert stainless-steel sensors or agitators, which would potentially contaminate the mixture. You have to come up with new ways to gain access to the solutions such as using magnetic coupling to manipulate a disposable agitator.”

在分析系统甚至护理点设备的情况下，一次性方法提供了另一种思考成本的方法。“假设你想要把压力传感器放在你的装置上，”格里芬说。“即使是4美元的压力传感器也可能太多，适用于一次性套件。您必须查看其他解决方案，如在物件方面采集输入，将一些成本放入机器本身。“另一种方法是使用像阀门这样的塑料版本的组件。它有效，只要重点仍然是表现。该装置必须以简单，可靠的方式耦合，可提供可重复性和精度。

格里芬看到的最后一个趋势是使用专用的运动控制器，甚至是个人电脑，而不是可编程逻辑控制器(plc)来运行机器。他指出，pc提供了可伸缩性，并允许在每个轴上进行更大程度的微调。他说:“我不知道有多少人在这个应用程序领域使用plc，因为它非常有限。”“他们更倾向于工厂。有很多的流程我处理,你需要做的事情与相同的控制器——您可能需要同步多个轴,您也可能需要处理大量的I / O和模拟输入的传感器和传感器反馈,而plc可以这样做,我总是发现它们在某种程度上限制了这个领域的这种台式系统。”

随着医疗保健越来越多地利用基因组学和蛋白质组学，生命科学部门正在成为大企业。然而，为了实现其大多数社会的承诺，流程需要快速，经济，不懈可靠。运动控制的力量将为最前沿带来生命科学。