Limburgse samplerobot gaat de hele wereld over
Maastricht Instruments en Idee vierden afgelopen zomer een klein feestje: de honderdste Vitrobot ging over de toonbank. Het apparaat prepareert geautomatiseerd samples voor elektronenmicroscopie en vindt wereldwijd gretig aftrek bij onderzoekers in universiteiten en R&D-laboratoria.
Wie had dat gedacht toen onderzoekers Peter Frederik en Paul Bomans meer dan tien jaar geleden aanklopten bij de voormalige instrumentenmakerij Idee van de Universiteit Maastricht. Ze waren op zoek naar een alternatief voor het slecht reproduceerbare gehannes met microscoopmonsters, dat toen nog de realiteit van alledag was in hun laboratorium. Hun vraag leverde een klinkend Limburgs Life Science-succes op.
Vanaf 1996 werkt Instrument Development, Engineering & Evaluation (Idee) Frederiks en Bomans‘ hersenspinsel uit voor een geautomatiseerd instrument om elektronenmicroscopie-samples te prepareren (zie kader ’Cryo-elektronenmicroscopie‘). Niet lang daarna tonen de universiteiten in Berkeley, Houston, Kyoto en San Francisco belangstelling. De firma Maastricht Instruments (MI), het commerciële verlengstuk van Idee, levert hun in 2002 een bètaversie. De Vitrobot blijkt een hit in onderzoeksland.
Hetzelfde jaar tekent MI een overeenkomst met FEI Company om de Vitrobot in zijn assortiment op te nemen. De interesse van FEI ligt voor de hand: het bedrijf is een wereldwijd opererende maker van elektronenmicroscopen. Ook zijn klanten worstelen met de samplepreparatie. Dat is namelijk ouderwets handwerk.
Als biologen of chemici waardevol materiaal hebben bereid of gewonnen, is het maar de vraag hoe ze dat het beste kunnen preparen om er een mooie elektronenfoto van te maken. Dat is een kwestie van proberen. De kritieke factor is de vitrificatie (het supersnel invriezen) van het materiaal in water. Het is steeds maar weer zoeken naar de omstandigheden die het beste resultaat geven. Luchtvochtigheid, begin- en eindtemperatuur en koelingssnelheid spelen daarin een grote rol. Het resultaat: honderden samplepreparaties per jaar.
Als researchers eenmaal een geslaagde procedure vinden, is het – erg vervelend in de wetenschap – geen sinecure om die te reproduceren. In het lab heersen immers niet altijd de dezelfde omstandigheden. Hoog tijd voor een slimme, geautomatiseerde manier van monsterpreparatie. Gelukkig zaten Idee en MI vlak om de hoek bij Frederik en Bomans.
Precisiebewegingen
Idee en MI zijn nauw met elkaar verweven. Idee is de engineeringfaciliteit van de faculteit Health, Medicine and Life Sciences (FHML) en het Academisch Ziekenhuis Maastricht (AZM). Vroeger heette dat de instrumentenmakerij. Idee ontwikkelt apparatuur en software voor het klinische en wetenschappelijke onderzoek dat in de FHML en het AZM wordt uitgevoerd. Mochten de uitvindingen ook aanslaan bij collega-onderzoekers buiten Maastricht, dan komt MI in beeld.
De spin-off van de UM werkt het concept van Idee verder uit en levert het in experimentele vorm aan een externe partij. Als het aanslaat, is het de bedoeling er een geschikt bedrijf bij te zoeken en het als commercieel product te vermarkten. ’We hebben gespeeld met de gedachte om de concepten helemaal in eigen beheer te houden. Maar zonder saleskanalen en een netwerk voor onderhoud en service is dat geen doen‘, vertelt Frans Smeets, diensthoofd van Idee en managing director van MI.
Het idee van Frederik en Bomans is op het eerste oog vrij simpel. Onderzoekers klemmen een gridje tussen een pincet en stoppen die in de klimaatkamer van de Vitrobot. Daarna brengen ze een druppel van hun monsteroplossing op. Twee bewegende schijven voorzien van filtreerpapier nemen het blotten voor hun rekening. De Vitrobot schiet vervolgens het gridje in een bakje vloeibare ethaan met een temperatuur van rond de -170 graden Celsius.
Na vitrificatie gaat het gridje met sample in een opslagbakje dat één geheel vormt met het ethaanbad. De onderzoeker kan nu nog een paar andere monsters maken voordat hij ze met bakje en al naar de elektronenmicroscoop brengt om ze te imagen. In de tussentijd blijven de sampleplaatjes op temperatuur.
De aansturing van de bewegende delen in de Vitrobot is mechatronisch geregeld. Achter in het apparaat draait embedded software op een PC/104-module. De zelfgeprogrammeerde FPGA daarin is verantwoordelijk voor de aansturing van de precisiebewegingen die de mechanische onderdelen van de robot moeten uitvoeren.
Fuzzy logic
Zowel het blot- als het schietmechanisme is de afgelopen tien jaar verfijnd. Mechanisch ontwerper Frank Nijpels van Idee en MI: ’In de eerste uitwerkingen van het blotmechaniek werkten we nog met een veer. Dat hebben we vervangen door een pneumatische aandrijving met smoorventielen. Maar voor echt nauwkeurige afregeling zijn we toch bij een stappenmotor uitgekomen. Dat had trouwens ook best een servo kunnen zijn.‘ De perslucht moest er sowieso uit: FEI wilde ervan af. Niet ieder lab beschikt er namelijk over.
De beweging van de blotschijven wordt in de laatste Vitrobot-versie, de Mark IV, geleid door middel van een nok en nokvolger. ’De beweging mag aanvankelijk vrij grof zijn, maar bij het kritische gedeelte willen we optimaal gebruikmaken van de precisie van de stappenmotor. Met een samenspel van de positie van het gridje ten opzichte van de blotschijven, kunnen we het blotten heel precies afregelen. De gebruiker kan de kracht waarmee de schijven op het gridje drukken zelf bepalen, net als de contacttijd tussen filtreerpapier en druppel en de snelheid waarmee de blotschijven dichtklappen‘, vertelt Nijpels.
Het injecteren van het gridje in het ijskoude ethaan gebeurde oorspronkelijk door de pincet met gridje simpelweg los te laten. De zwaartekracht deed de rest. Nijpels: ’Die valbeweging maakte het apparaat onnodig groot. We hebben daarom een versnelling ingevoerd. Aanvankelijk ook met pneumatiek, maar in de laatste Vitrobot-editie is ook die functie vervangen door een stappenmotor.‘
De software op de FGPA is ten slotte ook verantwoordelijk voor de zorgvuldige controle van de omstandigheden in het hart van de Vitrobot: de klimaatkamer. Dicht bij de plaats waar het gridje hangt tijdens het blotten, zit een microthermokoppel. Een Peltier-element draagt zorg voor de af- en aanvoer van warmte. ’Een simpel Pt100-sensortje meet niet snel genoeg. We konden vanwege die vertraging geen goed werkend feedbackmechanisme creëren tussen de ’thermometer‘ en de ’kachel‘. Er zitten nogal wat onvermijdelijke elementen in het design die de klimatologische omstandigheden verstoren, zoals het inbrengen van de pincet. Het is daarom geen lineair systeem. We werken nu met fuzzy logic-technieken om daar een mouw aan te passen‘, legt Nijpels uit.
De luchtvochtigheid is minstens even belangrijk als temperatuur bij de preparatie van Tem-samples uit waterige oplossingen. Luchtvochtigheid en temperatuur zijn bovendien nauw met elkaar verbonden. Een tweede feedbacksysteem bestaande uit een vochtsensor en een ultrasone waterverstuiver regelt het watergehalte in de lucht. ’Die verstuiver heeft een nederige oorsprong. In onze prototypes eind jarig negentig hebben we die gewoon bij het tuincentrum gehaald‘, vertelt Smeets.
Dozen schuiven
De ontwerpers van Idee en MI moesten behalve de software voor de aansturing ook programmatuur ontwikkelen voor de gebruikersinterface. Hardware- en embedded-softwarespecialist Pierre Hermans: ’We waren niet tevreden over de resultaten die een losse pc op Windows gaf, zeker niet toen we die computer óók gebruikten voor de aansturing. Even wiebelen met de muis en je zag de timing van het blotten veranderen. Dat is natuurlijk niet de bedoeling. Als de gebruiker 1,0 seconde instelt, moet het ook 1,0 seconde zijn. Maar de scheduler van Windows geeft geen prioriteit aan de processen die wij willen.‘ Embedded Windows was volgens Hermans geen reële oplossing binnen Idee en MI. ’Daar is ervaring en expertise voor nodig die we niet hebben. We kunnen niet even een blik Embedded Windows-engineers opentrekken.‘
Op de industriële PC/104 draait nu een sterk uitgeklede versie van Ubuntu om de in Delphi ontwikkelde grafische interface te regelen. Ubuntu is een Linux-distributie die op de desktopmarkt de laatste tijd gestaag wint aan populariteit. ’We hebben het zo van internet geplukt en zelf verder aangepast aan onze wensen.‘ In de Mark IV-Vitrobot heeft een geïntegreerd touchscreen de functie van muis en monitor overgenomen.
Ook de Linux-expertise moesten de betrokken ontwerpers overigens zelf verkrijgen. Smeets: ’We zijn bij Idee en MI generalisten. Het loont niet om experts in dienst te hebben. Specifieke kennis kopen wij in, net als de meeste onderdelen.‘ Dat gaat in Nederland niet altijd even gemakkelijk: er is een communicatieprobleem tussen systeemintegrators en distributeurs. ’Aan leveranciers die alleen maar dozen schuiven, hebben we niets. We hebben technisch advies nodig‘, zegt Smeets. Hermans vult aan: ’Als we met onze vragen bij distributeurs kwamen, was het nogal eens paniek in de tent. Uiteindelijk kwamen we dan uit bij een hoofdkwartier elders in Europa.‘
Smeets ziet wel een lichtpuntje. Producten worden steeds slimmer. Hij neemt de keuze voor de stappenmotor als voorbeeld. ’We zijn kleine afnemers en leveranciers zijn niet altijd even geïnteresseerd in onze klandizie. Gelukkig constateer ik een trend richting programmeerbare devices, waar de sturing geïntegreerd zit in de motor. Configuratie naar de wensen van de klant is dan veel gemakkelijker.‘
Pro/Engineer
Al voor de geboorte van de Vitrobot liepen de Maastrichtse makers van precisie-instrumenten keer op keer tegen een ander communicatieprobleem aan. ’We hebben als onderdeel van de FHML voornamelijk te maken met chirurgen en dokters. Daar moeten we mee samenwerken om het best mogelijke product te maken. Het kost artsen veel moeite om een 2D Autocad-tekening te lezen. Maar wij willen tussentijds wel feedback van ze krijgen over ons ontwerp.‘
Van de aanschaf van de 3D-software waarin de Vitrobot is ontworpen, heeft Smeets dan ook geen moment spijt gehad. ’Pro/Engineer is niet alleen een tool voor de ontwerper. Natuurlijk is het handig dat het programma kan praten met onze tools van Mentor Graphics, waarin we de elektronica ontwerpen. Maar de mogelijkheden tot interactie zijn minstens zo belangrijk. Het is ook een medium om effectief met onze opdrachtgevers te kunnen communiceren.‘
Als klant zag Peter Frederik het even anders. Voordat de Vitrobot aan zijn brein was ontsproten, had hij al vaker met de mannen van Idee samengewerkt. Dat was niet altijd een onverdeeld genoegen. ’Dat geteken schoot echt niet op. Wijzingen doorvoeren ging moeizaam. Ik kreeg er een sik van. Met de ontwerpsoftware ging de doorloopsnelheid met rasse schreden vooruit.‘
Al met al kunnen zowel bedenker als ontwerpers terugkijken op een geslaagde missie. De kroon op hun werk is het succes van hun creatie: de Vitrobot is een hit. De partners leverden de eerste Vitrobot, de Mark I, in augustus 2002 af. Als in 2007 de Mark IV uitkomt, zijn er al meer dan honderd exemplaren over de toonbank gegaan. Ze zijn inmiddels welhaast op elk continent te vinden.
Eigenlijk verkoopt de Limburgse robot zichzelf. ’Wetenschappers doen aan mond-op-mondreclame. Ze publiceren hun methodes en houden spreekbeurten op conferenties‘, vertelt Smeets. Zo ging de Vitrobot als een lopend vuurtje door de onderzoeksgemeenschap. ’Het helpt ook als topinstituten er eentje hebben staan. Sommige hebben er zelfs twee. Vergeet niet dat een Vitrobot door de hogere doorvoer een veel duurdere microscoop kan uitsparen. Er mislukken immers minder samples.‘ Een Vitrobot gaat voor vijftig mille over de toonbank, een elektronenmicroscoop kost een miljoen euro.
Behalve het kostenaspect, is het apparaat gewoon handig. Dankzij de combinatie van klimaatkamer, instelbare blotschijven en het effectieve schietmechanisme prepareert de Limburgse robot samples uiterst reproduceerbaar. Dat is precies wat wetenschappers willen. ’We kregen een mailtje van FEI dat de Mark IV zo in de smaak valt dat zelfs onderzoekers die geen elektronenmicroscopie doen er eentje willen‘, lacht Smeets.
