[ロボ実験記録] ロボットとAIに操作させたい化学操作と､必要な機構・技術のメモ
概要
ロボットに化学実験をさせる際の細かな要素技術(→今後行いたいこと)に関するメモを､頭の整理を兼ねて作りました(23年8月ver)｡
あとは作るだけ､というフェーズに入りつつあります｡
マンパワーが不足しています｡
参考
計量
秤量
こちらの天秤はUSBでのシリアル通信に対応しているので､秤量値の記録に使えそうです｡
液体の添加
マイクロピペット(電動制御)
pipettyによるusb通信には成功しました｡
この記事では､ロボットアームにピペットを装着して使用しています｡
実験系がピペッティングだけで完結するなら､これでOKです｡
ただ､サンプル瓶を移動したいなどの要望が出てくると､ピペット一本でアームを占領するのが､ややもったいなく感じられます｡
ピペットは固定して､サンプル瓶側をアームで移動するシステムの方が､総合的にはスマートかもしれません｡
ピペットのチップを外すための機構(モーターx1)も作りたいです｡
マイクロピペット(通常型)
電動制御のピペットは値段が少し高いので､普通のマイクロピペットを使うための機構(モーター+表示認識)もいつかは試したいです｡
ピペットを押す + 容量変更用の2つのモーターで原理的には制御可能です｡
(ピペットの押し具合をサーボモーターで制御する機構なら､モーターは1つでOK｡ただし精度にやや不安)
フロー
有機合成系でよく見かける､フロー合成装置｡不活性条件で試薬を入れる機構としては優秀
シリンジ
不活性条件での実験操作には針を使った機構も選択肢として有り｡
制御機構を作るのは､かなり大変そうです｡
人に刺さると危ないので､安全配慮の重要性も高まります
固体の添加
固体は液体よりも難易度が上がります｡
人間は普通､薬さじを使って粉体を秤量しますが､これはロボットには色々な意味で難しいです｡
DENSOのCOBOTTAの動画を見ると､チャレンジングさが伝わってきます｡
ではどうするかというと､専用の粉体を落とす機構を実装するケースが多いようです｡以下はNatureで話題になったロボット化学者の動画｡
これは比較的､低コストで作れそうです(モーターx1 + 専用の容器を3Dプリンタなどで作成)｡
→ 電動のペッパーミルを改造してみる予定です｡
ベタベタした粘性固体の秤量は､諦めた方が良いレベルだと思います｡溶媒に溶かして使うのが良さそうです｡
運搬
サンプル瓶の運搬
サンプル瓶をどのように掴むかは､重要な課題です｡
危険な薬品が入った瓶を落とすと一大事なので､高い信頼性が求められます｡
いくつかの主要なアプローチについて記載します｡いずれにせよ､何らかの専用の設計が必要になりそうです｡
グリッパの使用
Natureのロボット化学者でも使用されていました
瓶のくびれの部分を掴む仕様です
よく見ると､グリッパ部分が､瓶の形にフィットするように凹んだ加工になっていました
必要な設計
通常のグリッパ(平らな平面)だと､瓶に対して2点接触となり､極めて不安定
次のような､何らかの対応策が必要
グリッパの表面にゴムなどをつける (柔らかくて摩擦のあるもの)
グリッパ部分を瓶の形状に合わせて加工する
瓶のホルダーを作り､グリッパが持ちやすい形状を追加する
瓶を加熱したりする際はホルダーの安定性に課題
吸引装置を使う
システム面では難易度が低下
吸引面が必要
蓋やホルダ
吸引力や､吸引面の汚れ対策は必要
電磁石を使う
吸引よりは信頼性が高そうです
磁石にくっつく面が必要
dobot magicianの吸引カップの動画｡下手にグリッパ使うよりも､強度が出そうです｡
1 kgくらいは持てるようです｡むしろ､本体がふらつくレベル｡
自走ロボット
ロボットアームを載せて走るマシン｡Mycobotなら15万円弱で導入可能｡
こちらも自己位置推定などが必要になりますが､全く着手できていません｡
反応・計測
ホットプレート
こちらのデバイスをシリアル通信で制御する予定です｡
通信機能のないホットプレートを､ボタン経由で制御もしてみたいところです｡
計測
各種､計測装置との連動｡
合成時に必要な精製操作なども､専用のモジュールを組み上げて対応するのがベターな気がしています｡
制御
ピペットの先端制御
大まかな座標推定は､ARマーカーを使えばOKです｡
ただ､ミリメートルレベルのコントロールをするには､専用のアルゴリズムを実装する必要がありそうです｡
ピペットの先端とサンプル瓶の丸い輪郭を認識させた上で､先端が容器内に入るようなコードを書く必要があります｡
物体認識と把持
物体を点群として認識し､グリッパーで把持するアルゴリズム｡ロボットアーム界では定番ですが､全く着手できていません｡
ボタンを押す､ダイヤルを回す､ドアを開閉する etc
通信機能がない装置のボタンを押す､ダイヤルを回す､ドアを開け閉めする､など｡
手動制御
ロボットではなく､人間の手で制御するフェーズがあっても良いと思っています｡いわゆるリモート実験です｡
リアルタイム制御は､ロボットや処理系の遅延なども考慮する必要があり､意外と簡単ではないことが分かってきました｡
ゲームコントローラ
化学分野でも､アナログスティックでゲームを遊んだ経験が生きる時代(?)になってきました｡
VR
コントローラ自体は数万円で購入可能で便利l｡
ただ､コンシューマ品は座標取得が「ゴーグルとアームコントローラの相対位置」によってなされているので､常にゴーグルを付けないといけないのが欠点といえば欠点｡
FirstVR
筋電位を認識できるコントローラ
自動制御
最終的には､GPTなんかに全てのタスクを丸投げしたいということになります｡そのために必要な要素
様々なインターフェースの統合
装置によって､シリアル通信やら､LAN通信やら､仕様がまちまちです｡
このあたりを包括的に管理・処理するシステムが必要になってきます｡
やはり､ROS2でしょうか｡着手できていません｡
プログラミング化
一連の機能をモジュール化し､APIで呼び出せるようになれば､実験内容をプログラムコードとして管理できるようになるはずです｡
ここまでくれば､あとはGPTなどの大規模言語モデルに､プログラムコードを出力させるだけでOK､ということになります｡
まとめ
ロボットとAIを使って化学実験をさせるための要素技術について､整理してみました｡
方向性はだいぶ見えてきたので､引き続き､手を動かして知見を増やしていこうと思います｡