"瑞士军刀"式多功能移动机器人LARS：革新生物科学实验室自动化工作流程的创新解决方案

本研究针对生物科学研究实验室自动化面临的灵活性不足、设备兼容性差等挑战，开发了基于"瑞士军刀"原理的多功能移动机器人系统LARS。该系统通过集成6轴机械臂、可更换多功能末端执行器和AutoIt软件控制平台，实现了pH缓冲液调节等复杂生物实验流程的全自动化，为中小型实验室提供了灵活、低成本的自动化解决方案，显著提升了实验效率和结果可重复性。

　　

在生物科学研究领域，实验室自动化已成为提升实验效率和数据可重复性的关键手段。然而，当前自动化系统在中小型实验室面临严峻挑战：标准化设备接口缺乏、工作流程多样性高、设备更新周期短等因素，使得传统自动化方案难以适应这类实验室的需求。尤其令人困扰的是，现有系统多为独立运行的单一功能设备，不仅购置成本高昂，更无法兼容实验室已有的各类仪器设备。这种困境导致许多中小型实验室，特别是学术研究机构，仍然依赖人工操作，既耗费研究人员精力，又难以保证实验结果的稳定性。

针对这一行业痛点，德国阿尔布施塔特-锡格马林根大学生物分析与实验室自动化团队联合8-BOT Robotics等企业，在《Scientific Reports》发表了创新性解决方案。研究人员受瑞士军刀多功能设计启发，开发出名为LARS（Laboratory Automation Robotic System）的移动机器人系统，其核心突破在于通过一个集成摄像头、操作指、夹爪和移液器的多功能末端执行器，实现了对现有实验室设备的"拟人化"操作。该系统成功解决了设备接口不统一的行业难题，使实验室无需更换现有设备即可实现自动化升级。

研究团队采用模块化设计理念，关键技术包括：（1）基于ArUco标记的视觉定位系统实现设备空间识别；（2）6轴机械臂（Horst 600）搭载多功能末端执行器完成物理操作；（3）AutoIt脚本控制平台整合Windows环境下的各类软件操作；（4）pH预测算法实现缓冲液智能调节。实验样本采用磷酸盐缓冲液（PBS）体系，通过三种不同浓度的HCl和NaOH溶液建立滴定曲线数据库。

LARS系统架构
该系统由三大核心组件构成：液压驱动的移动平台提供灵活部署能力；6轴机械臂配合"瑞士军刀"式末端执行器完成多样化操作；AutoIt软件环境实现流程控制。这种设计使LARS能像实验人员一样操作各类设备，包括开启电源按钮、读取显示屏数据、精确移液等操作。

实验验证：pH自动调节
研究人员选择pH缓冲液调节作为验证案例，因其涉及设备操作、液体转移、数据显示读取等多重步骤。系统通过摄像头捕捉pH计（pH 50+DHS）读数，AutoIt运行预测算法计算需添加的酸碱体积，机械臂自动从12孔板库中选取合适浓度的试剂进行添加。测试显示，系统可在三次迭代内将pH值调节至目标值（7.4±0.05），并自动生成包含所有操作步骤的完整实验记录。

技术实现细节
末端执行器创新性地整合了电子移液器（200μL Transferpette）、树莓派摄像头、带触控功能的操作指和微孔板夹爪，通过树莓派Zero 2 W进行集中控制。移动平台采用穿孔铝板设计，可灵活配置微孔板架、枪头盒等实验耗材。AutoIt脚本不仅控制机械臂运动，还能通过虚拟网络计算（VNC）工具操作Linux系统的机械臂控制软件。

系统评估与展望
LARS展现出显著的灵活性优势：能适应不同实验室布局，通过ArUco标记快速识别新设备位置；可执行从简单按钮操作到复杂决策流程的多层次任务；移动性使其能在多个实验室间共享使用。不过研究也发现当前系统在无菌操作、离心机处理等方面存在局限，末端执行器尺寸仍有优化空间。

这项研究为中小型实验室自动化提供了全新思路，其"设备适应性而非设备替代"的设计哲学，有效降低了自动化改造门槛。特别是将计算机视觉、机器人技术和流程控制软件有机整合的创新方法，为实验室自动化领域开辟了新路径。随着末端执行器功能的持续扩展（如增加螺旋盖开闭功能），LARS有望成为生命科学实验室的通用自动化平台，推动更多研究机构实现实验流程的智能化升级。该系统的开源特性（如使用AutoIt脚本）进一步降低了用户自定义开发的门槛，使其具备广泛的推广应用价值。