A robot system for clone replication and gridding, which is a preliminary state of the genome research, was developed and evaluated its performance. This gridding robot system consisted of 1) a gridding heat that replicated the clone, 2) a manipulator, as a part of body of robot, which transferred t...
A robot system for clone replication and gridding, which is a preliminary state of the genome research, was developed and evaluated its performance. This gridding robot system consisted of 1) a gridding heat that replicated the clone, 2) a manipulator, as a part of body of robot, which transferred the gridding head along x-, y-, z-axis, 3) a well plate arranging board, 4) a sterilization unit, and 5) a control unit. Performance of the system was evaluated with 1) repeatability of the robot system, 2) clone replication efficiency, 3) time requirement of the replication, and 4) sterilization efficiency. The repeatability error of the robot system showed 0.219 mm and 0.094 mm in the direction of x- and y-axis, respectively. The success rate of the clone replication with the gridding head was 100% on the membrane filter. The time required for the replication was four minutes and fifty-five seconds from the four 96 well plates to a 384 well plate meanwhile the required time with well experienced hand labor was three minutes thirty-five seconds. The gridding operation of clone could not be done by hand labor and the required time with robot system for the gridding on the membrance filter with the control program 5$\times$5: 1 copy and 384 gridding pins was twenty minutes and twenty-five seconds. The efficiency of the sterilization was considered to be satisfactory since no growth of fungi was found around the area of replication in the membrane filter.
A robot system for clone replication and gridding, which is a preliminary state of the genome research, was developed and evaluated its performance. This gridding robot system consisted of 1) a gridding heat that replicated the clone, 2) a manipulator, as a part of body of robot, which transferred the gridding head along x-, y-, z-axis, 3) a well plate arranging board, 4) a sterilization unit, and 5) a control unit. Performance of the system was evaluated with 1) repeatability of the robot system, 2) clone replication efficiency, 3) time requirement of the replication, and 4) sterilization efficiency. The repeatability error of the robot system showed 0.219 mm and 0.094 mm in the direction of x- and y-axis, respectively. The success rate of the clone replication with the gridding head was 100% on the membrane filter. The time required for the replication was four minutes and fifty-five seconds from the four 96 well plates to a 384 well plate meanwhile the required time with well experienced hand labor was three minutes thirty-five seconds. The gridding operation of clone could not be done by hand labor and the required time with robot system for the gridding on the membrance filter with the control program 5$\times$5: 1 copy and 384 gridding pins was twenty minutes and twenty-five seconds. The efficiency of the sterilization was considered to be satisfactory since no growth of fungi was found around the area of replication in the membrane filter.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 유전체 연구의 기본 단계인 클론의 복제 및 그리딩 작업 에 적 용할 수 있는 그리딩 로봇 시스템을 개발하고자 하였으며, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 연구에서는 국내 기술개발을 통해 유전체 연구의 기본 단계인 클론의 복제 및 그리딩을 로봇 시스템을 이용하여 신속, 정밀하게 이루어질 수 있도록 하는데 목적을 두고, 클론의 복제 및 그리딩에 적용할 수 있는 그리딩 로봇 시스템을 책발하였으며, 결론은 다음과 같다.
제안 방법
1) 본 시스템은 96또는 386웰 플레이트에 들어 있는 클론을 배양액만 들어있는 웰 플레이트에 복제하거나 클롤을 배양하는 멤브레인 필터에 그리딩 하는 그리딩 헤드, 21리딩 헤드를 X. Y, Z축 으로 이동시키는 몸체부인 매니퓰레이터, 웰 플레이트 배열판, 소독장치, 제어 시스템 등으로 구성 하였다.
1) 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 대량 그리 딩 작업을 할 수 있는 그리딩 헤드 장치를 설계, 제작하고, 그리딩 헤느 장치를 장착할 로봇 시스템을 설계, 제 작한다.
1 언어로 개발하였다. 개발된 프로그램은 본 연구에 사용된 X, Y, Z축의 모터를 제어함으로써 전체적인 로봇 시스템이 동작할 수 있도록 하였다.
5 mm이므로 그리딩 핀이 웰의 중심에 있을 때, 그리딩 핀의 외부와 웰 벽과의 최소 거리는 1 mm 이하가 된다. 그러므로 웰의 중심에서 그리딩 핀의 중심이 벗어난 허용 오차를 최소 거리의 70%로 하여 반복 정밀도 허용 오차의 범위를 0.7 mm로 설정하였다.
로봇 시스템의 기계적인 성능 실험은 배열판 위에 클론이 들어있는 96 웰 플레이트 4개를 순서대로 놓고 배양액만 들어있는 384웰 플레이트 1개에 제어 프로그램인 1196의 1 : 1 copy 메뉴를 이용하여 인력과 로봇 시스템의 클론 복제하는 시간을 너]교, 측정하였다. 그리고 인력으로 불가능한 클론의 그리딩은 로봇 시스템을 이용하여 걸린 시간을 측정하였다.
웰 플레이트에 들어있는 클론을 배양액만 있는 웰 플레이트에 복제하거나 클론을 배양하는 멤브 레인 필터에 그리딩하는 로봇 시스템은 클론을 그 리딩하기 위한 로봇의 그리딩 헤드, 그리딩 헤드 를 X, Y, Z축으로 이동시키는 몸체부인 직교좌표 형 매니퓰레이터, 96 또는 384 웰 플레이트와 멤 브레인 필터를 배열하는 배열판, 서로 다른 클론 을 복제하거나 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 그리딩할 때 그리딩 헤드를 소독하기 위한 장치들 과 이들을 제어하는 제어 시스템 등으로 구성하였다. 그리딩 헤드를 소독하는 장치는 초음파 세 척 기, 알코올 용기, 가열기로 구성하였다. 그림 1은 그리딩 로봇 시스템의 구성도를 나타낸 것이고, 표 1 은 각 장치 들의 사양을 나타낸 것이다.
그림 3은 그리딩 헤드 전체적인 구성을 나타낸 것이다. 그리딩 헤드에 사용된 그리딩 핀의 개수는 사용되는 웰플레 이트에 따라 96개 또는 384개가 되며, 그리딩 핀이 접촉하는 배양액이 들어있는 웰 플레이트나 배양액 위에 놓여진 벰브레인 필터의 표면이 평평하지 않기 때문에 그리딩 핀은 안내부를 따라 상 하 수직운동을 할 수 있도록 설계되었다. 또한 핀 끝의 지름은 0.
배열판 위의 웰 플레이트 자리에 해상도가 1 mm인 눈금자 2개를 X, Y축 방향으로 각각 고정시켜 놓고 위치가 고정된 카메라로 그리딩 핀과 눈금자를 동시에 촬영하여 그리딩 핀의 동작 후위치 변화를 측정하였다. 그림 7에서 그리딩 헤드가 D에 위치하였을 때, 처음 사진을 찍고, 시스템의 초기화 없이 3×3 : 1 copy 과정을 10회 반복한 후, 첫 번째 사진과 11회째의 사진을 비교 분석하여 오차를 산출하였다. 반복 정밀도 실험을 10회 반복한 이유는 몇 번의 반복으로는 오차가 너무 작아 오차를 측정할 수 없었고, 이동거리와 이동횟수가 가장 큰 메뉴인 5x5:2 copy로 그리딩하는 작업보다 이동거리나 이동횟수를 크게 하기 위해서였다.
로봇 시스템의 기계적인 성능 실험은 배열판 위에 클론이 들어있는 96 웰 플레이트 4개를 순서대로 놓고 배양액만 들어있는 384웰 플레이트 1개에 제어 프로그램인 1196의 1 : 1 copy 메뉴를 이용하여 인력과 로봇 시스템의 클론 복제하는 시간을 너]교, 측정하였다. 그리고 인력으로 불가능한 클론의 그리딩은 로봇 시스템을 이용하여 걸린 시간을 측정하였다.
로봇 시스템의 생물학적 성능 실험은 클론을 그리딩하는 프로그램을 이용하였으며, 그리딩 헤드로 배열판 위에 클론이 들어있는 384웰 플레이트 4개를 차례로 클론을 배양하는 멤브레인 필터 1개에 복제하여 배양하였다. 그림 11은 그리딩 헤드로 클론을 복제한 실험 결과의 한 예로 멤브레인 필터에서 배양된 콜로니를 나타낸 것이다.
반복정밀도 측정 실험은 메뉴의 3×3:1 copy 프로그램을 변형하여 사용하였고, 접사렌즈가 부착되어 있는 수동 카메라(Model: CANON, A-1)를 사용하여 반복 정밀도를 측정하였다. 배열판 위의 웰 플레이트 자리에 해상도가 1 mm인 눈금자 2개를 X, Y축 방향으로 각각 고정시켜 놓고 위치가 고정된 카메라로 그리딩 핀과 눈금자를 동시에 촬영하여 그리딩 핀의 동작 후위치 변화를 측정하였다.
배열판 위에 클론이 들어있는 384웰 플레이트 4개를 순서대로 놓고 클론을 배양하는 멤브레인 필터 1개에 제어 프로그램의 5X5: copy 1 메뉴를 이용하여 클론을 복제하였다. 최초 예비 실험시 그리딩 헤드의 핀을 침 형태로 하여 클론을 복제하였을 때, 침 끝이 너무 작아 클론 복제가 원활히 이루어 지지 않아 그리딩 핀의 끝을 직경 0.
배열판 위에 클론이 들어있는 웰 플레이트 2개, 멸균수만 들어있는 웰 플레이트 2개, 클론을 배양하는 멤브레인 필더 1개를 놓고 멤브레인 필터 1개에 제어 프로그램의 3×3 : copy 1 메뉴를 이용하여 그리 딩한 후 멸균수가 찍힌 자리에 균의 성장 여부로 소독 시스템의 성능을 평가하였다.
반복정밀도 측정 실험은 메뉴의 3×3:1 copy 프로그램을 변형하여 사용하였고, 접사렌즈가 부착되어 있는 수동 카메라(Model: CANON, A-1)를 사용하여 반복 정밀도를 측정하였다. 배열판 위의 웰 플레이트 자리에 해상도가 1 mm인 눈금자 2개를 X, Y축 방향으로 각각 고정시켜 놓고 위치가 고정된 카메라로 그리딩 핀과 눈금자를 동시에 촬영하여 그리딩 핀의 동작 후위치 변화를 측정하였다. 그림 7에서 그리딩 헤드가 D에 위치하였을 때, 처음 사진을 찍고, 시스템의 초기화 없이 3×3 : 1 copy 과정을 10회 반복한 후, 첫 번째 사진과 11회째의 사진을 비교 분석하여 오차를 산출하였다.
본 연구에 사용된 제어 시스템은 X, Y축 구동용 스텝핑 모터 2개, 그리딩 헤드가 장착된 Z축 구동용 서보 모터 1개, 이 모터늘을 제어하기 위한 3개의 모더 _드라이버, 모터 드라이버를 제어하는 2축제어용 모터 인터페이스 보드 2개, 모더 인터페이스 보드에 명령을 지시하는 제어 프로그램, 프로그램 실행용 컴퓨터로 구성되었다. 그림 2는 개발된 그리딩 로봇 시스템을 나타낸 것이다.
소독 시스템으로 글론을 복제 또는 그리딩하는 그리딩 핀을 소독하여 멤브레 인 필터 에 클론을 복 제하여 배양하였다. 그림 12은 소독 시스템의 성능을 실험한 결과를 나타낸 것으로, 그리딩 핀으 로 클론을 복제한 깃은 그림 13에서 표시된 1번이 고, 별균수를 복제한 것은 2번이다.
7 mm로 변경하였다. 수정, 보완된 그리딩 핀을 이용하여 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 복제한 후 끌론의 배양 여부로 로봇 시스템의 생물학적 성능을 평가하였다.
웰 플레이트에 들어있는 클론을 배양액만 있는 웰 플레이트에 복제하거나 클론을 배양하는 멤브 레인 필터에 그리딩하는 로봇 시스템은 클론을 그 리딩하기 위한 로봇의 그리딩 헤드, 그리딩 헤드 를 X, Y, Z축으로 이동시키는 몸체부인 직교좌표 형 매니퓰레이터, 96 또는 384 웰 플레이트와 멤 브레인 필터를 배열하는 배열판, 서로 다른 클론 을 복제하거나 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 그리딩할 때 그리딩 헤드를 소독하기 위한 장치들 과 이들을 제어하는 제어 시스템 등으로 구성하였다. 그리딩 헤드를 소독하는 장치는 초음파 세 척 기, 알코올 용기, 가열기로 구성하였다.
배열판 위에 클론이 들어있는 384웰 플레이트 4개를 순서대로 놓고 클론을 배양하는 멤브레인 필터 1개에 제어 프로그램의 5X5: copy 1 메뉴를 이용하여 클론을 복제하였다. 최초 예비 실험시 그리딩 헤드의 핀을 침 형태로 하여 클론을 복제하였을 때, 침 끝이 너무 작아 클론 복제가 원활히 이루어 지지 않아 그리딩 핀의 끝을 직경 0.7 mm로 변경하였다. 수정, 보완된 그리딩 핀을 이용하여 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 복제한 후 끌론의 배양 여부로 로봇 시스템의 생물학적 성능을 평가하였다.
그림 3은 X축에 대한 로봇 시스템의 반복 정밀도 실험결과를 나타낸 것이다. 측정된 오차가 너무 작아 육안으로 측정할 수 없어서 그리딩 핀과 눈금자를 촬영한 사진을 흔글의 확대 기능을 이용하여 눈금자의 1 mm에 해당하는 2개의 선을 그었다. a를 기준으로 b를 이동시켰을 때, a부터 b까지는 32단계(step)이 었으며, I 단계는 0, 03125 mm였 다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 클론은 배추의 게놈 연구용으 로 콜로니 픽킹(colony picking)후 배 양액 이 있는 웰 플레이트에 넣어 -70℃에서 냉동 보관된 BAC (Bacterial Artificial Chromosome) 클론(이one)을 상 온에서 녹여 공시재료로 사용하였다.
상하운동을 수행하는 로봇 시스템의 z축에 장착된 그리딩 헤드W 그리딩 헤드를 고정하기 위한 지지대, 그리딩 핀의 이탈 방지 역할을 하벼 지지 대가 장착되어 있는 상부판, 그리딩 핀의 가이드 역할을 하는 안내부, 클론의 그리딩 작업을 수행하는 그리딩 핀으로 구성 되었다. 그림 3은 그리딩 헤드 전체적인 구성을 나타낸 것이다.
프로그램의 메인 메뉴는 복제(replication), 그리딩(gridding), 로봇 보정(robot calibration), 종료(end)의 4부분으로 구성되어 있다. 복제는 96 웰 플레 이트에 들어있는 클론을 배양액만 있는 384 웰 플 레이트에 옮기거나 384 웰 플레이트에 들어있는 클론을 배양액만 있는 384 웰 플레이트로 옮기는 작업이다.
성능/효과
2) 로봇 시스템의 X축과 Y축의 반복 정밀도를 실험한 결과, X축으로는 0.219mm, Y축으로 0.094 mm의 오차가 나타났다. X축과 Y축의 오차는 정밀도 설계기준인 0.
3) 그리딩 핀의 개수가 384개인 그리딩 헤드로 클론을 배양하는 멤브레인 필터에 5x5 1 copy로 복제하였을 때, 클론의 배양 성공률은 100%로 나타났고, 멤브레인 필터에 멸균수를 그리딩한 자리에 균의 성장이 없어서 그리딩 핀의 소독장치는 양호한 것으로 사료되었다.
X축과 Y축에 대한 로봇 시스템의 반복 정밀도 실험 결과는 표 3에서와 같으며, X, Y춤을 각각 20, 690 mm, 43, 202 mm 의 길이만큼 이동하였을 때, X축의 이동거리가 Y축의 이동거리보다 짧 지만 X축의 오차가 Y축보다 크게 나타났는데, 이는 X죽의 이동 횟수가 520번, Y축의 이동 횟수가 430번으로 X축의 이동 횟수가 Y축의 이동회수보다 많았기 때문이라 사료된다. 또한, X축의 오차는 0.
094 mm의 오차가 나타났다. X축과 Y축의 오차는 정밀도 설계기준인 0.7mm보다 매우 작으므로 로봇 시스템은 클론의 복제와 그리딩에 적합하다고 사료되었다.
X축과 Y축에 대한 로봇 시스템의 반복 정밀도 실험 결과는 표 3에서와 같으며, X, Y춤을 각각 20, 690 mm, 43, 202 mm 의 길이만큼 이동하였을 때, X축의 이동거리가 Y축의 이동거리보다 짧 지만 X축의 오차가 Y축보다 크게 나타났는데, 이는 X죽의 이동 횟수가 520번, Y축의 이동 횟수가 430번으로 X축의 이동 횟수가 Y축의 이동회수보다 많았기 때문이라 사료된다. 또한, X축의 오차는 0.219mm로 반복 정밀도 설계 기준인 허용오차 0.7 mm보다 현저히 작으므로 이는 기계의 작동에 영향을 미치지 않을 것으로 사료되었다. 그림 3은 X축에 대한 로봇 시스템의 반복 정밀도 실험결과를 나타낸 것이다.
그림 12은 소독 시스템의 성능을 실험한 결과를 나타낸 것으로, 그리딩 핀으 로 클론을 복제한 깃은 그림 13에서 표시된 1번이 고, 별균수를 복제한 것은 2번이다. 멤브레인 필터 에서 별균수를 복제한 2번이 오염되지 않아 소독 시스템은 그리딩 헤드를 소독하는데 적당하다고 사료되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.