应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术的制作方法

本发明属于生物学实验技术领域，尤其涉及一种应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术，设计并组建完成了一套完善的自动化铸造平台系统。

背景技术：

设计与合成可预测的生命体，例如合成具有特定功能的dna片段、大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌等，不仅是合成生物学领域的核心科学问题，也是工业、农业、医学等各大领域应用的必要前提。由于合成生物具有高度复杂性，制药公司、生物研究所等使用生物合成技术的机构在研究生物合成物质时，研究人员需要完成海量的工程化试错实验。随着生物合成技术的发展，传统的手工合成已经无法满足合成生物高通量的需求。

目前应用于合成生物学的铸造平台系统主要采取半自动化方式，多种设备固定在房间中，部分设备可以协作工作，实验人员首先在软件中设计生物物质合成流程，然后将材料依次放入指定的不可协作的设备。

因此，目前的半自动化人工合成生物工艺存在以下缺点：

(1)作业效率低。研究人员不仅需要设计生物物质的合成路径，还需按步骤亲自操作，使其无法集中精力设计合成流程，影响工作效率。

(2)操作规范性差。流程中物质在每个设备中的培养时间固定，须按时转移。否则，将导致合成失败。

(3)合成正确性低。各个流程相似度高，容易混淆，进而导致操作错误率高。

(4)数据难以记录分析。设备由人工操作，其数据仅存储在自身硬盘中，无法在设备之间互通，使得研究人员不能便捷的查询完整的流程数据进而分析流程。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术，旨在解决目前应用于合成生物学的铸造平台系统的人工合成生物工艺存在的作业效率低、操作规范性差、合成正确性低和数据难以记录分析的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术设计并组建完成了一套完善的自动化铸造平台系统，其中，组建完成的自动化铸造平台系统包括：原料取放设备、成品取放设备、生物合成设备、材料转移设备和通讯控制设备，原料取放设备、成品取放设备、生物合成设备与材料转移设备分别与通讯控制设备通讯连接，原料取放设备用于存放实验原料，成品取放设备中用于存放实验成品，生物合成设备具有原料输入口和成品输出口，通讯控制设备控制材料转移设备在原料取放设备与原料输入口之间运送实验原料或在成品输出口与成品取放设备之间运送实验成品，通讯控制设备控制生物合成设备对实验原料按照预定实验流程进行实验步骤操作以获得实验成品。

进一步地，生物合成设备包括：实验承载台，原料输入口与成品输出口均设置在实验承载台上；实验协作组件，实验协作组件设置在实验承载台上，实验协作组件包括协作机器人和机器人导轨，协作机器人可移动地安装在机器人导轨上并位于原料输入口与成品输出口之间，协作机器人与通讯控制设备通讯连接；多个实验器械，实验器械分布于机器人导轨的两侧，全部实验器械均与通讯控制设备通讯连接。

进一步地，实验协作组件还包括多个光电传感器，多个光电传感器与多个实验器械一一对应地设置，全部光电传感器均与通讯控制设备通讯连接，各个光电传感器用于检测协作机器人在机器人导轨上的移动位置。

进一步地，生物合成设备还包括：封闭罩，封闭罩盖罩在实验承载台上，实验协作组件与多个实验器械均设置在封闭罩内；空气过滤器，空气过滤器设置在实验承载台的底部，实验承载台开有通孔，空气过滤器的出气口与通孔相连通，空气过滤器与通讯控制设备通讯连接，通讯控制设备控制空气过滤器向封闭罩内部空间通入空气使封闭罩的内部空间相对于外部空间呈正压。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括两个封口组件，两个封口组件分别对应原料输入口与成品输出口设置在实验承载台上，封口组件包括封口盖板和驱动器，驱动器安装在实验承载台上，封口盖板连接在驱动器的动力输出端，驱动器与通讯控制设备通讯连接，通讯控制设备控制驱动器带动封口盖板移动以开闭原料输入口与成品输出口。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括转移路径，原料取放设备与原料输入口之间、成品输出口与成品取放设备之间、原料输入口与成品输出口之间均设置有一段转移路径，通讯控制设备控制材料转移设备沿转移路径行走。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括辅助定位结构，辅助定位结构与通讯控制设备通讯连接，每段转移路径的两端均设置有一个辅助定位结构，辅助定位结构用于检测材料转移设备是否移动到位。

进一步地，辅助定位结构为定位斜坡。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括随动传感器与多个定位传感器，随动传感器与全部定位传感器均与通讯控制设备通讯连接，随动传感器安装于材料转移设备上，多个定位传感器相互协作以定位出目标区域，通讯控制设备控制随动传感器在目标区域内的移动位置。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括摄像设备，摄像设备与通讯控制设备通讯连接，摄像设备用于拍摄记录原料取放设备、成品取放设备、生物合成设备与材料转移设备的运行操作过程。

本发明至少具有以下有益效果：

应用该应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术组建完成的自动化铸造平台系统进行实验，能够完全实现实验过程自动化，全面替代了实验人员人工实验操作的过程，提高了作业效率，并且，该自动化铸造平台系统通过通讯控制设备对实验过程中各个实验步骤进行操作并监控，保证每个实验步骤操作始终正确进行，整个实验步骤操作过程的操作规范性更强，从而大大提升得到的实验成品的合成正确性，并且实验步骤操作过程中的实验数据均由通讯控制设备自动地采集保存，方便实验人员快捷、清晰地查找使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的组建完成的自动化铸造平台系统的布置示意图；

图2为图1中a处的放大图；

图3为图1中b处的放大图；

图4为本发明实施例二的组建完成的自动化铸造平台系统的布置示意图。

其中，图中各附图标记：

10、原料取放设备；20、成品取放设备；30、生物合成设备；31、实验承载台；311、原料输入口；312、成品输出口；32、实验协作组件；321、协作机器人；322、机器人导轨；33、实验器械；34、封闭罩；35、空气过滤器；40、材料转移设备；50、通讯控制设备；51、服务器终端；52、控制主机；53、路由器；60、封口组件；61、封口盖板；62、驱动器；70、转移路径；80、辅助定位结构；90、定位传感器；100、摄像设备。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

解释定义：

在本发明中，所述的“铸造”取义于“生命铸造厂计划”中的铸造，属于生物科学范畴，应区别于工程制造领域中金属铸模工艺的“铸造”，两者的联系在于：金属经过铸造厂进行铸造工艺流程后会成型为具有预期形状及功能的铸造件，而用于合成生物学生命合成的集成系统则相当于一个生命铸造厂，生物材料经过合成生物学集成系统会变成具有预期功能的生命体。生命铸造厂(livingfoundries)是基于生物体的新型材料设计、制造技术，是利用合成生物学技术实现材料的标准化设计和制造，强化按需设计、按需制造和生产超常材料的能力，设计原理是利用合成生物学技术，以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，将生物设计、研发、制造过程变成工程设计问题。

实施例一：

如图1至图3所示，本发明涉及应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术，在本发明实施例一中，采用该应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术则组建完成了一套完善的自动化铸造平台系统，实验人员采用该自动化铸造平台系统进行合成生物实验。具体地，该自动化铸造平台系统包括原料取放设备10、成品取放设备20、生物合成设备30、材料转移设备40和通讯控制设备50。其中，原料取放设备10、成品取放设备20、生物合成设备30与材料转移设备40分别与通讯控制设备50通讯连接(通讯连接是指能够相互传输信息指令实现反馈响应，可以是通过连接线缆连接实现的有线数据传输，也可以是无线传输的数据传输方式)，如此，实验人员预先地将设计编辑好的实验步骤输入进通讯控制设备50中，实验人员通过控制通讯控制设备50开始实验后，通讯控制设备50便自动地控制原料取放设备10、材料转移设备40、生物合成设备30、成品取放设备20进行相应操作，自动化地完成实验。原料取放设备10用于存放实验原料，多种实验原料事先放置在原料取放设备10中，并且原料取放设备10中设置有取放机械手(未图示)，该取放机械手与通讯控制设备50通讯连接，通讯控制设备50控制取放机械手移动至相应实验原料的放置位置，然后控制取放机械手将实验原料取出，然后取放机械手将实验原料移动至原料取放设备10的取放口处。成品取放设备20中用于存放实验成品，在实验完成并获得实验成品后，该实验成品则存放在成品取放设备20中。生物合成设备30具有原料输入口311和成品输出口312，通讯控制设备50控制材料转移设备40在原料取放设备10与原料输入口311之间运送实验原料或在成品输出口312与成品取放设备20之间运送实验成品，通讯控制设备50控制生物合成设备30对实验原料按照预定实验流程进行实验步骤操作以获得实验成品。当实验原料被取放机械手取出至原料取放设备10的取放口处后，通讯控制设备50则控制材料转移设备40移动至取放机械手的下方，此时通讯控制设备50控制取放机械手将实验原料放置在材料转移设备40上，然后通讯控制设备50控制材料转移设备40将实验原料转移至原料输入口311位置，接着通讯控制设备50则控制生物合成设备30对实验原料进行相应的实验步骤操作而获得实验成品，实验成品由成品输出口312输出，此时通讯控制设备50已经控制材料转移设备40移动至成品输出口312位置等待，在实验成品被放置在材料转移设备40上之后，通讯控制设备50则控制材料转移设备40将实验成品转移至成品取放设备20的取放口位置，在成品取放设备20中同样设置有取放机械手(未图示)，该取放机械手与通讯控制设备50通讯连接，则通讯控制设备50控制该取放机械手抓取材料转移设备40上的实验成品并移动放置在成品取放设备20中。在通讯控制设备50控制生物合成设备30进行实验步骤操作的过程中，对于每个实验步骤的实验数据，例如实验时间、实验温度等，均进行监控并采集保存，方便实验人员在后续进行查找使用。

实验人员应用该自动化铸造平台系统进行实验，能够完全实现实验过程自动化，全面替代了实验人员人工实验操作的过程，提高了作业效率，并且，该自动化铸造平台系统通过通讯控制设备50对实验过程中各个实验步骤进行操作并监控，保证每个实验步骤操作始终正确进行，整个实验步骤操作过程的操作规范性更强，从而大大提升得到的实验成品的合成正确性，并且实验步骤操作过程中的实验数据均由通讯控制设备50自动地采集保存，方便实验人员快捷、清晰地查找使用。该应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术可广泛运用于医疗制药、生化威胁因子的预警、诊疗，农作物的抗逆、固氮或光合属性设计，植物源化学品、石化产品、特种材料、新燃料的工业化生物制造，有助于创造全新物种和开发全新生物技术能力等。

在实施例一中，生物合成设备30包括实验承载台31、实验协作组件32和多个实验器械33。原料输入口311与成品输出口312均设置在实验承载台31上，如图1所示，实验承载台31为方形台板，原料输入口311与成品输出口312则分别设置于方形台板的相对两侧的靠近边缘处，实验协作组件32设置在实验承载台31的台面上，具体地，实验协作组件32包括协作机器人321和机器人导轨322，机器人导轨322为直线型导轨，机器人导轨322的两端分别延伸至原料输入口311和成品输出口312，协作机器人321可移动地安装在机器人导轨322上，协作机器人321与通讯控制设备50通讯连接，通讯控制设备50控制协作机器人321沿机器人导轨322移动，实验器械33分布于机器人导轨322的两侧，全部实验器械33均与通讯控制设备50通讯连接，在通讯控制设备50控制协作机器人321沿机器人导轨322移动过程中，协作机器人321则将待实验的实验原料运送至相应的实验器械33中进行生物合成工艺操作。在该自动化铸造平台系统中，多个实验器械33包括离心机、自动培养箱、协作机器人、培养平台、撕膜机、超声波移液设备、空气过滤器、酶标仪、核酸提取仪、移液工作站、封膜机、辅助定位斜坡、挑克隆仪、pcr仪，多个实验器械33包括以上但不限于以上实验装置，根据实验步骤操作的需要，可以在实验承载台31上增加相应的实验装置。

具体地，实验协作组件32还包括多个光电传感器(未图示)，多个光电传感器与多个实验器械33一一对应地设置，这样，在通讯控制设备50控制协作机器人321沿机器人导轨322移动过程中，光电传感器则对协作机器人321进行位置检测，全部光电传感器均与通讯控制设备50通讯连接，各个光电传感器用于检测协作机器人321在机器人导轨322上的移动位置，当协作机器人321移动至预定位置时，则该位置处的光电传感器检测到协作机器人321并向通讯控制设备50反馈协作机器人到达位置，然后通讯控制设备50控制协作机器人321抓取实验原料进行转移输送。

如图1所示，生物合成设备30还包括封闭罩34和空气过滤器35，封闭罩34盖罩在实验承载台31上，实验协作组件32与多个实验器械33均设置在封闭罩34内，如此便尽量地阻隔空气中的污染物质进入封闭罩34内部空间中，降低实验步骤操作过程中被污染的可能性，空气过滤器35设置在实验承载台31的底部，实验承载台31开有通孔，空气过滤器35的出气口与通孔相连通，空气过滤器35与通讯控制设备50通讯连接，通讯控制设备50控制空气过滤器35向封闭罩34内部空间通入空气使封闭罩34的内部空间相对于外部空间呈程度较低的正压状态，空气过滤器35将空气中的粉尘物质进行过滤后输送进行封闭罩34内部空间，不仅保证了封闭罩34内含氧量，更进一步确保封闭罩34内部空间的洁净度。在本实施例中，封闭罩34采用透明材料组装成型，可以采用玻璃进行组装，也可以采用亚克力板进行组装，方便实验人员亲自观察实验步骤操作过程。

如图2和图3所示，自动化铸造平台系统还包括两个封口组件60，两个封口组件60分别对应原料输入口311与成品输出口312设置在实验承载台31上，封口组件60包括封口盖板61和驱动器62，驱动器62可以采用气缸，也可以采用电机，优选采用气缸。驱动器62安装在实验承载台31上，封口盖板61连接在驱动器62的动力输出端，驱动器62与通讯控制设备50通讯连接，通讯控制设备50控制驱动器62带动封口盖板61移动以开闭原料输入口311与成品输出口312。在原料输入口311处，当材料转移设备40将实验原料转移运送过来后，通讯控制设备50控制驱动器62带动封口盖板61打开原料输入口311，等协作机器人321将实验原料抓取仅封闭罩34内后，通讯控制设备50再控制驱动器62带动封口盖板61将原料输入口311封盖。在成品输出口312处，在各个实验步骤操作完成并获得实验成品后，通讯控制设备50控制协作机器人321将实验成品移动至成品输出口312处，同时通讯控制设备50控制驱动器62带动封口盖板61打开成品输出口312，在通讯控制设备50控制协作机器人321将实验成品从成品输出口312送出并放置在材料转移设备40上之后，通讯控制设备50再控制驱动器62带动封口盖板61封盖成品输出口。

如图1所示，自动化铸造平台系统还包括转移路径70，转移路径70可以采用磁性带，将磁性带铺设在地板上。原料取放设备10与原料输入口311之间、成品输出口312与成品取放设备20之间、原料输入口311与成品输出口312之间均设置有一段转移路径70，材料转移设备40上安装有磁性牵引装置，并且该磁性牵引装置与通讯控制设备50通讯连接，通讯控制设备50控制材料转移设备40沿转移路径70行走，如此，通讯控制设备50便能够控制材料转移设备40按照设计编辑好的实验步骤的顺序进行移动。

在实施例一中，为了能够准确地判断材料转移设备40是否移动到置顶位置，如原料取放设备10的取放口位置、成品取放设备20的取放口位置、原料输入口311或成品输出口312，因此，自动化铸造平台系统还包括辅助定位结构80，辅助定位结构80与通讯控制设备50通讯连接，每段转移路径70的两端均设置有一个辅助定位结构80，也就是，在对应原料取放设备10的取放口位置、成品取放设备20的取放口位置、原料输入口311和成品输出口312的地板上均设置了一个辅助定位结构80，辅助定位结构80用于检测材料转移设备40是否移动到位，当材料转移设备40移动至某个位置时，通讯控制设备则会收到反馈并响应，从而控制材料转移设备40暂时驻停在该位置。在本实施例中，辅助定位结构80为定位斜坡，此时材料转移设备40上安装有陀螺仪(未图示)，该陀螺仪与通讯控制设备50无线通讯连接，当材料转移设备40移动到定位斜坡并爬上定位斜坡过程中，陀螺仪检测到材料转移设备40产生了平衡倾斜，则向通讯控制设备50反馈，通讯控制设备50接收到反馈信息则确定材料转移设备40移动到了预定位置，则控制材料转移设备40在该位置暂时驻停。

进一步地，自动化铸造平台系统还包括摄像设备100，如图1所示，摄像设备100安装在墙上，摄像设备100与通讯控制设备50通讯连接，摄像设备100用于拍摄记录原料取放设备10、成品取放设备20、生物合成设备30与材料转移设备40的运行操作过程，从而实时监控整个实验步骤操作过程，并且将整个实验步骤操作过程录制保存下来，方便后续实验人员回放研究。

在实施例一中，通讯控制设备50包括服务器终端51、控制主机52和路由器53。服务器终端51由驱动协议与opc-ua(unifiedarchitecture)服务器，并通过路由器53建立无线通讯网络平台，读写实验过程中必要设备的关键数据，控制主机52对原料取放设备10、成品取放设备20、生物合成设备30、材料转移设备40和通讯控制设备50进行分别控制，从而自动化地实现整个实验步骤操作，并将设备状态以及实时实验数据显示在于控制主机52连接的显示器上。在控制主机52对实验数据进行保存至服务器终端51后，服务器终端51则将实验数据上传至opc-ua服务器，如此，实验人员不仅能够在实验室的控制主机52中读取保存在本地的实验数据，同时也能够读取保存在opc-ua服务器的其他实验数据，实现实验数据的及时、有效共享，实现了实验数据的统一性，有助于实验人员统计、分析实验数据。

如图4所示，其示出了本发明实施例二的组建完成的自动化铸造平台系统的布置示意图。在实施例二中，其与实施例一相比较具有以下不同之处：自动化铸造平台系统还包括随动传感器(未图示)与多个定位传感器90，随动传感器与全部定位传感器90均与通讯控制设备50通讯连接，随动传感器安装于材料转移设备40上，多个定位传感器90相互协作以定位出目标区域，通讯控制设备50控制随动传感器在目标区域内的移动位置。在实施例二中，多个定位传感器90分散布置，一般地，采用四个定位传感器90，分别布置在实验室房间的四个角落，四个定位传感器90相互串联，规划出了确定的目标区域，然后经过通讯控制设备50对目标区域进行平面坐标计算，即可得到地板上对应于原料取放设备10的取放口位置、成品取放设备20的取放口位置、原料输入口311和成品输出口312的位置坐标，通讯控制设备50便能够根据这些确定的位置坐标自动生成材料转移设备40的行走路径，然后通讯控制设备50控制随动传感器和材料转移设备40按照生成的行走路径移动。

实施例二与实施例一相比较，除以上结构不同之外，其余均相同，在此不再赘述。

采用本发明的应用于合成生物学的自动化铸造平台系统集成技术来组建完成的自动化铸造平台系统进行合成生物实验，能够实验多项实验项目同时进行实验操作。只需在控制主机52同时地设定好各个实验项目的实验步骤操作，这样，控制主机52便可以根据预先编辑的调度算法对各个实验项目进行调度分配，从而合理地分配任务，提高所有设备的利用率，极大提高了生物合成效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。