Diagnostics Cliniques Et Manipulation Des Fluides : Comment Des Moteurs Innovants Améliorent La Productivité en Laboratoire

INTRODUCTION

Au niveau mondial, les laboratoires de recherches scientifiques ont pour objectif d’améliorer notre qualité de vie. Cette recherche est essentielle pour stimuler le développement dans des secteurs tels que la santé, l'industrie pharmaceutique et l'agriculture, entre autres. Les investissements dans la recherche étaient déjà élevés avant 2020, grâce à plusieurs facteurs socio-économiques tels que le vieillissement de la population ou l'augmentation des soins préventifs. La pandémie de Covid-19 n’a que renforcé ces investissements.

Par conséquent, cette croissance a entraîné une augmentation de la charge de travail des laboratoires. Les outils et équipements motorisés sont de plus en plus utilisés permettant aux scientifiques de mieux gérer leur quotidien et leur charge de travail croissante. Cet article se concentre sur les solutions motorisées pour les machines automatisées qui aident les scientifiques à préparer, gérer et analyser les échantillons.

PIPETTES ÉLECTRONIQUES À MAIN

Introduction

Avant d'analyser un échantillon, le technicien de laboratoire effectue diverses opérations sur l’échantillon, pouvant inclure : des dissolutions, des extractions, des réactions chimiques, des pulvérisations, des filtrations, des dilutions, etc. Dans de nombreux cas, l'échantillon se présente sous forme liquide et est manipulé à l'aide d'une pipette afin de le transférer facilement d'un tube à essai à un autre. Les pipettes existent depuis plus d'un siècle mais elles ont beaucoup évolué. Les versions les plus modernes sont bien différentes de leurs prédécesseurs, car elles peuvent être motorisées. Le fonctionnement de la pipette est basé sur les mêmes principes que ceux d’une seringue. Les pipettes sont généralement constituées d'un système de cames, de pistons et de cylindres. Lorsque le piston est déplacé, un vide partiel est créé, et le liquide est aspiré dans l'embout de la pipette. Les pipettes sont disponibles en différentes tailles, avec des volumes allant de quelques microlitres à quelques centaines de millilitres. Dans la plupart des cas, les pipettes sont utilisées dans des environnements stériles où la prévention de contamination est critique. Ainsi, l’embout de la pipette est typiquement utilisé pour une seule manipulation, permettant de limiter les risques de contaminations. À la fin de l’utilisation, l'opérateur éjecte l'embout de pipetage. Les embouts peuvent être jetables ou réutilisables après avoir été soumis à un cycle de stérilisation. Il existe aussi des pipettes multicanaux (généralement 8, 12 ou 16 canaux) ; ces versions sont également très répandues, ce qui permet aux techniciens de laboratoire d'effectuer plusieurs opérations de transfert de fluide simultanément.

AVANTAGES DE LA MOTORISATION POUR LES PIPETTES

Grâce à la réduction des coûts et à l'amélioration de l'électronique, il est possible d'intégrer un moteur électrique miniature à l'intérieur de la pipette, présentant plusieurs avantages :

•	Précision et répétabilité : les pipettes électroniques permettent de distribuer un volume spécifique de liquide de manière très précise et exacte. Les pipettes ont généralement une résolution de 1 microlitre par incrément, avec une imprécision inférieure à 1 %. En effet, la répétabilité, c'est-à-dire la certitude d'avoir aspiré ou distribué exactement la même quantité de liquide à chaque manipulation est également primordiale afin d’obtenir des résultats fiables et comparables.
•	Réduction des coûts : l’amélioration de la précision et de la répétabilité, et la capacité de transférer des volumes de plus en plus petits, permettent aux entreprises d'utiliser des quantités de réactifs moindres lors des analyses. Cela se traduit par une réduction des coûts.
•	Ergonomie : le passage aux pipettes électroniques nécessite une force manuelle plus faible et moins de mouvements de la main, ce qui réduit considérablement le risque de microtraumatismes répétés. Une fois la pipette électronique réglée, il suffit à l'utilisateur d'appuyer sur un bouton pour la remplir, la vider et, éjecter l'embout.
•	Productivité : grâce à leur automatisation intégrée, les pipettes électroniques peuvent fonctionner plus rapidement que leurs homologues mécaniques, permettant d’analyser plus d'échantillons au cours d'une période donnée.
•	Flexibilité : certaines fonctionnalités ont également été ajoutées à la pipette, telles que le mode « enregistrement », la distribution multiple, le mélange, etc.

Le moteur est au coeur même de la pipette électronique. Examinons son rôle dans cette application.

OPTIONS DE TECHNOLOGIES DE MOTEUR POUR LES PIPETTES ÉLECTRONIQUES

Moteur pas-à-pas

Le moteur pas-à-pas (Figure 2), en particulier le moteur pas-à-pas linéaire ou l'actionneur linéaire numérique (DLA), est une solution clé en main adaptée à l'application de la pipette électronique. La vis intégrée est directement reliée au piston de la pipette électronique afin de fournir le mouvement linéaire nécessaire au fonctionnement du dispositif. En outre, s'agissant d'un moteur pas-à-pas, aucun capteur de position, ou de codeur supplémentaire n'est requis pour contrôler le moteur. Le moteur pas-à-pas tourne de manière incrémentielle lors de chaque impulsion de courant, ce qui le rend facile à contrôler. La précision de la course linéaire du moteur, ainsi que la possibilité de micro-pas, permettent d'obtenir une résolution supérieure répondant aux exigences élevées de précision et de répétabilité pour les pipettes électroniques. Ce type de moteur peut également maintenir sa position sans être alimenté, ce qui prolonge l’utilisation de la batterie du dispositif.

La collaboration avec des fournisseurs tels que Portescap permet une sélection optimale des moteurs pas-à-pas ou encore leur personnalisation.

Moteur à courant continu (CC)

Le moteur cc à balais constitue une solution alternative. Le moteur cc à balais sans fer (Figure 3) est la technologie la plus efficace, le rotor étant uniquement composé d'une bobine et d'un arbre (contrairement aux moteurs à noyau de fer). Par conséquent, le moteur sans fer ne présente aucune perte fer, ce qui améliore considérablement son efficacité et son accélération. Les pipettes électroniques étant alimentées par batterie, cette amélioration d'efficacité permet une utilisation prolongée avec une seule charge.

Pour les applications de pipetage, le moteur cc à balais nécessite des composants supplémentaires, tels que des entraînements par courroie pour la conversion du mouvement rotatif en mouvement linéaire et de codeurs pour la commande du moteur.

Recommandations de technologies de moteur pour les pipettes électroniques

Le moteur pas-à-pas et le moteur cc ont un faible encombrement et sont légers, ce qui permet aux fabricants de pipettes électroniques d'optimiser le poids de leurs dispositifs. Il existe toutefois quelques compromis entre ces technologies de moteurs à prendre en compte lors du choix de la technologie. Par exemple, les moteurs cc sont généralement moins chers que les moteurs pas-à-pas linéaires, néanmoins il me faut pas oublier de prendre en compte les coûts supplémentaires des composants de transmission (conversion du mouvement rotatif en mouvement linéaire et codeurs). Les erreurs/tolérances potentielles liées à l'ajout d’éléments supplémentaires constituent une considération supplémentaire. Le choix de la technologie dépend des exigences commerciales et techniques du fabricant de pipettes électroniques.

AUTOMATISATION DES LABORATOIRES

Introduction

Comme nous l'avons mentionné, l'automatisation est essentielle pour faire face à l'augmentation de la charge de travail des laboratoires et des institutions médicales. Les machines d’automatisation utilisées aujourd'hui se présentent sous différentes formes et tailles. Elles accomplissent un large éventail d'opérations, de la simple manipulation de liquides à la préparation d'échantillons de bout en bout jusqu'au résultat final de l'analyse.

Exemples de fonctions types d'automatisation des laboratoires :

•	Identification et scan : tous les échantillons sont identifiés. Des caméras et des scanners sont utilisés pour identifier, suivre et enregistrer les résultats.
•	Bouchage et débouchage : les échantillons sont stockés dans des récipients tels que des tubes à essai. Lorsque les échantillons sont traités, le récipient doit être ouvert puis refermé.
•	Transfert : de minuscules échantillons doivent être transférés d'un endroit à l'autre. En général, ils peuvent être de différentes tailles ou volumes.
•	Manipulation : les plateaux et les convoyeurs doivent être déplacés d'une station à l'autre.
•	Analyse : le diagnostic comprend typiquement des diverses opérations telles que la centrifugation, des réactions chimiques ou de la spectrométrie, pour n'en citer que quelques-unes.

AVANTAGES DES SOLUTIONS MOTORISEES POUR L'AUTOMATISATION DES LABORATOIRES

Il existe de nombreux avantages lorsqu'il s'agit d'intégrer des moteurs électriques miniatures dans une application d'automatisation de laboratoire. Exemples d'avantages :

•	Longue durée de vie : l'équipement automatisé fonctionne généralement en continu pendant de nombreuses années, ce qui signifie que la durée de vie du moteur est une exigence importante lors de son choix.
•	Fiabilité : toute défaillance ou problème de maintenance retarde le diagnostic et par conséquent le traitement du patient. La fiabilité du moteur est donc primordiale.
•	Vitesse élevée : les moteurs rapides permettent une productivité supérieure et augmentent le nombre de diagnostics par jour.
•	Positionnement précis : des solutions précises sont nécessaires. Les moteurs contrôlent la quantité de réactif placée dans les échantillons ; tout mouvement incohérent risque d'affecter le résultat du diagnostic. Étant donné que certaines applications comportent plusieurs axes automatisés, il est possible de choisir plusieurs technologies de mouvement afin d’optimiser au mieux la machine. Examinons les technologies généralement recommandées.

OPTIONS DE TECHNOLOGIES DE MOTEUR POUR L'AUTOMATISATION DES LABORATOIRES

Moteurs pas-à-pas

Les moteurs pas-à-pas ont une commutation électronique, il n'y a donc pas d'usure mécanique. Ils offrent ainsi une longue durée de vie, ce qui les rend idéaux pour les machines d'automatisation des laboratoires.

Les moteurs pas-à-pas comportent plusieurs pôles magnétisés. Le courant commute donc plusieurs fois pendant une rotation, ce qui permet d'obtenir des positions stables avec un couple élevé. Ils peuvent être commandés facilement et avec une grande précision sans avoir besoin d'un codeur. Ils sont généralement utilisés dans les applications où le positionnement est important.

La vitesse est l'un des compromis des moteurs pas-à-pas. Une commutation à haute fréquence est nécessaire pour travailler rapidement. En raison de l'effet d'inductance de la bobine, le courant a besoin d'un certain temps pour augmenter. Si la fréquence de commutation est trop élevée, le courant n'a pas assez de temps pour atteindre sa valeur cible. Par conséquent, les moteurs pas-à-pas sont limités en vitesse et constituent généralement une solution idéale pour une vitesse de sortie inférieure à 1 000 tr/min. Pour la conception de grands équipements de laboratoire automatisés, les ingénieurs choisissent des moteurs pas-à-pas pour les applications de puissance moyenne.

Moteurs BLDC

Les moteurs cc sans balais (BLDC) combinent les avantages des moteurs cc à balais et des moteurs pas-à-pas. Comme les moteurs pas-à-pas, les moteurs sans balais ont une commutation électronique, permettant une longue durée de vie. Les moteurs BLDC ont un nombre limité de pôles magnétiques (généralement deux ou quatre) ; le nombre de commutations nécessaires pour une rotation du moteur est donc inférieur. Pour la même fréquence de commutation, le moteur cc sans balais fonctionne beaucoup plus rapidement. Grâce à un rotor bien équilibré et à un solide ensemble de roulements à billes, certains moteurs spécifiques peuvent atteidre des vitesses allant jusqu'à 100 000 tr/min. Les moteurs cc sans balais sont donc à privilégier pour répondre aux exigences de vitesse élevée.

Les moteurs BLDC sont généralement contrôlés en utilisant un retour d'information de position, tel que des capteurs à effet Hall intégrés ou des codeurs. La position du rotor étant toujours connue, les moteurs BLDC constituent une technologie fiable sans risque de perte de pas, comme avec un moteur pas-à-pas.

Les moteurs sans balais existent en deux versions :

1	Les moteurs cylindriques ont une longueur supérieure à leur diamètre. Ils sont généralement utilisés dans les pipettes robotisées. (Figure 6, colonne de gauche)
2	Les moteurs plats (ou moteurs « pancake »), ont un diamètre plus grand que à la longueur. Un aimant disque et des bobines plates sont utilisés dans cette conception de moteur. Ils sont généralement utilisés dans les bras robotiques. (Figure 6, colonne de droite)

Grâce à leur densité de puissance élevée, les moteurs BLDC sont idéaux pour les applications nécessitant une importante puissance dans un ensemble compact. Dans les machines d'automatisation de laboratoire, ces moteurs constituent une solution idéale pour des tâches nécessitant fiabilité et à haute productivité.

Les moteurs sans balais sont de plus en plus utilisés pour diverses applications d'automatisation, notamment les pipettes robotisées, ainsi que les bras et les pinces :

the change producing them. This is what reduces the speed of the magnet.

Recommandations de technologies de moteur pour l'automatisation des laboratoires

Les moteurs BLDC sont généralement utilisés pour les axes nécessitant des solutions à haute densité de puissance. Leur avantage réside dans les performances à haute vitesse.

Les moteurs pas-à-pas quant à eux, sont employés pour déplacer les plateaux, tandis que des modèles plus petits peuvent être utilisés pour commander de petites vannes.

CONCLUSION ET NOUVELLES TENDANCES

La tendance dans les laboratoires est de disposer d'équipements de plus en plus automatisés et rapides, avec une meilleure précision. Ceci est possible grâce à l'utilisation de moteurs électriques. Les progrès réalisés dans les technologies des composants électroniques participent à l'optimisation nécessaire pour ces applications critiques. Enfin, on note également une autre tendance ou les diagnostics ou des tests de surveillance de l'état de santé ne sont plus effectués directement dans un laboratoire, mais plutôt à l'endroit où le patient est soigné, que ce soit à l'hôpital, chez le médecin ou à son domicile. Le diagnostic est ainsi plus rapide, ce qui permet de détecter précocement les problèmes ou d’identifier les tendances négatives qui pourraient avoir des conséquences néfastes sur la santé.

Cette nouvelle tendance est possible grâce au développement d'une série de mini-analyseurs, appelés analyseurs « Point of Care » (POC). Il s'agit de machines compactes et portables, généralement alimentées par une batterie et comprenant des cartouches de réactifs qui permettent un diagnostic rapide en quelques minutes. Ces appareils POC sont généralement utilisés par les hôpitaux, les établissements de soins à domicile, par le patient lui-même ou dans les pharmacies pour des détections spécifiques, comme les maladies infectieuses.

En termes de mouvement, les analyseurs POC utilisent des moteurs miniatures pour certaines opérations, notamment le mélange des réactifs, le déplacement de la cartouche et la rotation du miroir (pour les tests de spectrométrie). Les critères de sélection sont principalement la taille, les performances, le prix et l'efficacité. La plupart des ingénieurs choisissent des moteurs cc à balais sans fer, qui constituent une solution économique et performante, ou des petits moteurs pas-à-pas faciles à commander.

Il n'existe pas de technologie de moteur universelle adaptée à toutes les applications. En revanche, il existe plusieurs solutions de mouvement, chacune ayant ses propres avantages. Ceci offre aux ingénieurs la flexibilité nécessaire pour rendre leurs machines plus compactes et plus rapides. Travailler en collaboration avec un fabricant de moteurs fiable permet de développer des machines de laboratoire uniques et personnalisées. Choisir la solution motorisée adéquate garantit une machine de laboratoire fiable pendant des opérations continues et une longue durée de vie.

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