Светодиодная матрица для освещения планшетов с лунками для клеток и автоматизированная стеллажная система для их обработки - RU2315093C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к использованию систем искусственного освещения для ускорения роста растений и, в частности, к использованию осветительных систем для ускорения роста растительной ткани в планшетах с лунками для клеток.

Уровень техники

В биологических и биохимических системах классификации рассевом, в которых используется растительная ткань, важное значение имеет ускорение роста растительной ткани. На рост растительной ткани влияют несколько факторов: количество и тип питательных веществ, подаваемых в ткань, физическая опора, обеспечиваемая для ткани, температура окружения ткани и количество света, падающего на растительную ткань. Относительно доступности света в большинстве классификационных систем применяется искусственный свет, которым можно управлять и который не зависит от капризов погоды. Дополнительно к этому в классификационных системах обычно используются планшеты, при этом в каждом планшете образовано множество лунок. В каждой лунке содержится изолированно образец ткани для исключения загрязнения другими образцами ткани и окружающей средой.

В существующих системах для ускорения роста растительной ткани обычно используется стеллаж или "отель", имеющий множество полок, на каждой из которых находится множество планшетов с множеством лунок. Над каждой полкой находится набор ламп накаливания или люминесцентных ламп, обеспечивающих освещение планшетов с множеством лунок и содержащейся в них ткани. Однако стеллаж имеет ограниченную по вертикали емкость штабелирования, поскольку источники света необходимо удерживать на безопасном расстоянии от растительной ткани с целью исключения образования излишнего тепла, а лампы накаливания и лампы дневного света являются относительно громоздкими. Каждая комбинация из полки и набора источников света требует около одного фута (30 см) вертикального пространства, что ограничивает количество полок в обычном помещении с высотой потолка восемь футов (2,4 м) с семью или восемью полками. Дополнительно к этому лампы накаливания или лампы дневного света являются не особенно эффективными относительно энергии, требуя около 4,4 Вт для каждого планшета с множеством лунок. Такие высокие требования относительно пространства и мощности в совокупности с ограничениями по стоимости обычно ограничивают плотность стеллажа и пропускную способность систем классификации растительной ткани.

Поэтому было бы предпочтительным иметь систему для ускорения роста растительных тканей, которая обеспечивает подачу достаточного количества света в растительную ткань в планшетах с множеством лунок для увеличения пропускной способности операции классификации. В частности, было бы предпочтительным иметь систему для ускорения роста растительных тканей, которая не занимает слишком много пространства, а также не требует использования большого количества мощности на один планшет.

Сущность изобретения

Данное изобретение нацелено на удовлетворение указанных выше потребностей и обеспечивает другие преимущества за счет создания узла для ускорения роста тканей, требующих свет для поддержания размножения клеток. Узел содержит множество планшетов, каждый из которых образует матрицу из лунок, при этом каждая лунка содержит одну из проб тканей и изолирует свой образец ткани от других образцов ткани. Опору для планшетов обеспечивает стеллаж, который имеет множество штабелированных по вертикали полок, расположенных на относительно небольшом расстоянии друг от друга. Каждая из полок может содержать одно или более фиксирующих углублений, которые вынуждают планшеты опираться на них в заданных положениях. Свет для образцов ткани обеспечивается множеством светодиодных матриц, при этом каждая матрица установлена на монтажной плате. Каждая монтажная плата опирается, в свою очередь, на соответствующий торцевой гребенчатый соединитель стеллажа, так что светодиоды находятся вблизи планшетов, опирающихся на одну из полок под ними. Светодиодная матрица предпочтительно соответствует матрице лунок, опирающихся в заданном положении на полку под ними, так что каждый светодиод находится над центром соответствующей лунки.

Согласно одному варианту выполнения данное изобретение включает узел для ускорения роста образцов ткани, требующих свет для поддержания роста клеток. Узел включает планшет, образующий множество лунок, расположенных в виде матрицы лунок. Каждая из множества лунок выполнена с возможностью обеспечения опоры и изоляции одной из проб ткани. Кроме того, узел включает множество светодиодов, расположенных в виде матрицы светодиодов. Светодиодная матрица соответствует матрице лунок, так что каждый из светодиодов расположен вблизи соответствующей одной лунки, так чтобы бросать свет в соответствующую одну из лунок. Падающий в лунки свет ускоряет рост клеток ткани, размещенной в лунке. Каждый из светодиодов предпочтительно расположен над центром соответствующей лунки. Кроме того, каждый из светодиодов предпочтительно излучает белый свет и находится на расстоянии одного дюйма (2,54 см) или менее от пробы ткани в соответствующей лунке.

Согласно другому варианту выполнения данного изобретения множество планшетов и матриц светодиодов могут опираться на стеллаж с большой плотностью расположения. Стеллаж содержит множество полок, находящихся на расстоянии друг от друга по вертикали, при этом каждая из полок выполнена с возможностью обеспечения опоры, по меньшей мере, для одного из множества планшетов. Каждая из матриц светодиодов опирается на стеллаж над соответствующей одной из полок. Свет от светодиодов падает в лунки планшета, опирающегося на полку, расположенную ниже, для ускорения роста ткани проб, содержащихся в планшете.

Каждая из матриц светодиодов, опирающихся на стеллаж, предпочтительно соответствует матрице лунок планшета, расположенного ниже, так что каждый из светодиодов расположен над соответствующей одной из лунок. Дополнительно к этому полки стеллажа могут содержать фиксирующие углубления, которые заставляют расположенные на них планшеты занимать заданные положения, так что каждый из светодиодов находится над центром соответствующей лунки. Стеллаж может также содержать множество торцевых гребенчатых соединителей, каждый их которых выполнен с возможностью приема монтажной платы, на которой установлены светодиоды с образованием матрицы светодиодов. Торцевые соединители расположены с возможностью обеспечения опоры для монтажных плат и установленных на них светодиодов над полками, на которые опираются планшеты. Полки предпочтительно расположены на расстоянии менее двух дюймов (5 см) друг от друга, что обеспечивает относительно высокую плотность размещения планшетов в стеллаже, даже если ограничено вертикальное пространство для размещения.

В еще одном варианте выполнения стеллаж с высокой плотностью расположения можно применять с системой манипуляции для использования для классификации с высокой пропускной способностью. Система манипуляции содержит манипулятор планшетов, который имеет определенную дальность перемещения. Стеллаж расположен так, что опирающиеся на него планшеты находятся в пределах дальности перемещения манипулятора планшетов. Манипулятор планшетов способен обеспечивать опору и удаление каждого планшета из стеллажа для автоматической обработки, такой как операция секвенирования с большой пропускной способностью.

Данное изобретение имеет несколько преимуществ. Использование светодиодов, которые менее громоздки и излучают меньше тепла, чем лампы дневного света и лампы накаливания, позволяет более тесное расположение по вертикали полок стеллажа. Расположенные более тесно по вертикали полки увеличивают эффективность хранения за счет уменьшения величины пространства, необходимого для размещения адекватного количества проб ткани. Это особенно важно для операций классификации с высокой пропускной способностью, когда ежедневно необходимы тысячи образцов. Дополнительно к этому больше планшетов являются доступными для автоматических манипуляторов планшетов, которые имеют ограниченную дальность перемещения. Согласование и выравнивание каждой из лунок с ее собственным светодиодом позволяет калибровать расхождение и интенсивность луча света для оптимального роста ткани. Кроме того, светодиоды используют свет более эффективно и имеют меньшее потребление мощности для ускорения роста ткани, чем лампы накаливания и лампы дневного света, в среднем около 1,3 Вт для стандартного планшета 4 × 6 по сравнению с 4,4 Вт для систем с лампами накаливания или лампами дневного света.

Краткое описание чертежей

После общего описания изобретения ниже приводится подробное описание со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 - классификационная система с высокой пропускной способностью, согласно одному варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.2 - планшет с множеством лунок, опирающийся и центрированный под матрицей светодиодов, согласно другому варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.3 - стеллаж, согласно фиг.1, содержащий множество расположенных по вертикали на расстоянии друг от друга полок и торцевых гребенчатых соединителей для опоры множества луночных планшетов и матриц светодиодов, показанных, соответственно, на фиг.2, в изометрической проекции;

фиг.4 - стеллаж, согласно фиг.3, на виде сзади;

фиг.5 - матрица светодиодов, согласно фиг.2, в изометрической проекции;

фиг.6 - матрица светодиодов, согласно фиг.2, включая монтажную плату для опоры светодиодов, на виде снизу; и

фиг.7 - стеллаж, согласно фиг.3, с установленными на нем матрицами светодиодов и планшетами с множеством лунок, согласно фиг.2, в изометрической проекции.

Подробное описание изобретения

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты выполнения изобретения. Однако данное изобретение может быть выполнено во многих различных вариантах выполнения и не ограничивается приведенными ниже вариантами выполнения; эти варианты выполнения приведены лишь для полного раскрытия объема изобретения для специалистов в данной области техники. При этом одинаковыми позициями обозначены подобные элементы.

В одном варианте выполнения данное изобретение содержит классификационную систему 10 с высокой пропускной способностью, которая включает робот 11 для автоматической манипуляции планшетами 12 с множеством лунок, расположенными в стеллаже высокой плотности или отеле 20, при этом каждый из планшетов с множеством лунок содержит множество проб 13 растительной ткани, как показано на фиг.1 и 2. Над каждой матрицей лунок расположена матрица 30 светодиодов, опирающаяся на монтажную плату 31, которая бросает свет на пробы 13 растительной ткани в лунках 14, образованных в планшетах 12.

Стеллаж 20 высокой плотности содержит прямоугольную основу 21, пару боковых стенок 22, множество полок 23, множество торцевых гребенчатых соединителей 24 и пару опор 25 для соединителей, как показано на фиг.3. Пара боковых стенок 22 расположена на расстоянии друг от друга по горизонтали на прямоугольной основе 21. В частности, боковые стенки 22 прикреплены и проходят вертикально вверх от левой и правой сторон прямоугольной основы 21. Полки 23 расположены на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении и проходят между боковыми стенками 22. Пара боковых стенок соединена с полками для опоры правой и левой кромок каждой из полок 23. Полки 23 находятся на расстоянии около 2 дюймов друг от друга, что позволяет разместить друг над другом более 40 полок в помещении с высотой потолка 8 футов. Кроме того, на каждой полке предпочтительно образовано, по меньшей мере, одно углубление 26, выступ, кромка или другое механическое или электрическое устройство (такое как магнитное поле), которое заставляет опирающийся на него один из планшетов 12 занимать фиксированное положение, известное роботу 11, для удаления в сторону и манипуляции, как показано на фиг.1. Стеллаж 20, согласно данному изобретению, не следует ограничивать указанным выше вариантом выполнения. Стеллаж может содержать любую структуру или узел, который обеспечивает опорные поверхности или опоры с различной ориентацией и плотностью размещения для желаемого количества планшетов 12 или поддонов, удерживающих планшеты. Однако опорные поверхности предпочтительно должны иметь достаточный просвет для доступа робота-манипулятора 11 и некоторое фиксирующее устройство для выравнивания планшетов 12 с соответствующей матрицей 30 светодиодов и приведения в положение, известное роботу, для последующего извлечения.

Опоры 25 для соединителей имеют каждая L-образную форму, при этом одно плечо соединено с соответствующей одной из боковых стенок 22, а другое плечо проходит внутрь в направлении другой боковой стенки и вдоль задней части стеллажа 20, как показано на фиг.4. Каждый из торцевых гребенчатых соединителей 24 установлен на опоры 25 над соответствующей одной из полок 23 и вблизи следующей полки в вертикальном направлении. Каждый из торцевых соединителей 24 образует горизонтальную щель с размерами, обеспечивающими размещение кромки одной из монтажных плат 31. Горизонтальные щели обеспечивают также правильное расположение монтажных плат 31 и, тем самым, матриц 30 светодиодов над полками 23.

Пара выводов 32 для электропитания проходит вертикально вдоль задней стороны торцевых соединителей 24. Выводы 32 электропитания электрически соединены с горизонтальной щелью каждого из соединителей посредством пайки со смежными лапками 33 на задней стороне торцевых соединителей 24. Один из выводов 32 электропитания соединен с лапкой наверху горизонтальной щели, в то время как другой соединен с лапкой внизу горизонтальной щели. Каждая монтажная плата 31 получает энергию с подачей питания в светодиоды посредством введения в соответствующий торцевой соединитель 24. Над выводами электропитания может быть установлен защитный щиток 34, проходящий в горизонтальном направлении вдоль задней части стеллажа 20, для физической защиты паяных соединений, а также экранирования от помех. Хотя торцевые соединители 24 обеспечивают простую установку и удаление каждой матрицы 30 светодиодов, монтажные платы 31 можно также устанавливать с жестким соединением на стеллаже 30.

Количество, размеры и расположение лунок 14 в планшетах 12 обеспечивают совместимость с существующим оборудованием для обработки планшетов, таким как робот 11. Например, планшет предпочтительно имеет 24 лунки в матрице 4 × 6 (как показано на фиг.2) или 48 лунок в матрице 6 × 8 для обеспечения совместимости с большинством устройств обработки. Можно использовать также другие плотности размещения лунок, такие как 6 лунок или 96 лунок, что также обеспечивает совместимость с обычными устройствами. Однако можно использовать также нестандартные плотности размещения лунок, такие как одна лунка или 1000 лунок. Планшеты 12 могут содержать также прозрачные крышки, которые дополнительно изолируют пробы 13 ткани, находящиеся в лунках, при одновременном обеспечении прохождения света от светодиодов 30 к пробам ткани.

Светодиоды предпочтительно являются имеющими большую яркость, белыми светодиодами (Nichia Model No. NSPW-500BS, предлагаемые фирмой Alpinetech of Irvine, Калифорния, США), которые обеспечивают достаточный свет для роста ткани, когда расстояние до ткани 13 менее 1 дюйма. Белые светодиоды излучают относительно полный спектр световых частот по сравнению с небелыми светодиодами. Полный спектр излучения белых светодиодов предпочтительно устраняет проблемы согласования различных светодиодов, имеющих разные спектры, с различной светочувствительностью различных растительных тканей для ускорения роста. Дополнительно к этому все белые светодиоды можно питать от единственного источника энергии.

Кроме того, светодиоды 30 находятся в эпоксидном корпусе толщиной 5 мм с двумя выводами и включены последовательно в печатной монтажной плате 31 с образованием матрицы, как показано на фиг.5 и 6. В качестве альтернативного решения некоторые или все светодиоды 30 могут быть подключены по отдельности для обеспечения отдельного управления каждым светодиодом. Каждая монтажная плата 31 предпочтительно имеет контакт сверху и снизу платы, так чтобы соединительная кромка располагалась в соответствии с верхней и нижней лапками каждой горизонтальной щели. Как указывалось выше, светодиоды не обязательно должны опираться на печатную монтажную плату, а могут быть жестко соединены проводом с желаемой конфигурацией матрицы и в положениях, необходимых для подачи достаточного света на луночные планшеты 12.

Светодиоды 30 предпочтительно находятся в каждой матрице на расстоянии, соответствующем расстоянию между лунками 14, образованными в каждом из клеточных луночных планшетов 12. В результате каждый светодиод 30 находится над центром соответствующей лунки 14, когда планшеты 12 расположены правильно. Другими словами, каждый отдельный светодиод 30 связан в соотношении один к одному с соответствующей лункой 14. Такой связи в соотношении один к одному способствует излучение белого света светодиодами, что исключает необходимость наличия нескольких разных типов небелых светодиодов, освещающих каждую пробу растительной ткани.

Правильное расположение планшетов 12 обеспечивается с помощью фиксирующего углубления 26, которое заставляет соответствующий планшет занимать заданное положение на одной из полок 23. Например, матрица 4 × 6 лунок 14 одного из планшетов 12 в своем фиксированном положении соответствует и центрирована под матрицей 4 × 6 светодиодов 30, как показано на фиг.2 и 7. Центрирование светодиода над каждой лункой обеспечивает калибровку расстояния между светодиодом и тканью на дне лунки для обеспечения оптимальной величины расхождения и интенсивности луча света для ускорения роста ткани. Расхождение луча для каждого светодиода предпочтительно составляет около 40° по конусу. Выходная интенсивность при полном напряжении и токе составляет 5,6 свечей (15-16 люмен/Вт при токе 20 мА). Цветовая температура составляет от 6000 до 6500 К. Однако оптимальные угол расхождения и интенсивность могут изменяться в зависимости частично от типа растительной ткани и желаемой скорости роста. Для обеспечения таких изменений может быть предусмотрено ограничение тока светодиодов с использованием резисторов для уменьшения выходной мощности. Выходную мощность можно также уменьшать с помощью импульсного режима, уменьшения рабочего цикла и/или уменьшения напряжения. Увеличение выходной мощности может быть обеспечено с помощью увеличения напряжения и пульсации с более коротким рабочим циклом.

Можно использовать также матрицы 30 светодиодов, соответствующих планшетам со стандартными матрицами с 48 или 96 лунками. В другом альтернативном варианте выполнения можно выполнять матрицу 30 светодиодов в соответствии с нестандартной матрицей лунок, как, например, матрицей из 3 или 1000 расположенных на планшете с неравномерными интервалами лунок. В еще одном альтернативном варианте выполнения матрица светодиодов 30 может соответствовать нескольким планшетам 12, расположенным на одной из полок 23. Например, три планшета 12 с матрицами из 4 × 6 лунок могут опираться в фиксированных положениях на одну и ту же полку 23, а расположенная над ними матрица 30 светодиодов является матрицей из 12 × 6 светодиодов.

В одном примере штабелирования с высокой плотностью планшетов 12 в стеллаже 20 небольшое тепло и небольшой размер светодиодов 30 обеспечивают расположение полок 23 на расстоянии 2 дюймов друг от друга по вертикали. На полке с размером 96 × 19 дюймов можно разместить 90 планшетов 12 с 4 × 6 лунками и размещать друг над другом по вертикали, по меньшей мере, 40 полок на 8 футах вертикального пространства (обычное помещение для хранения). Таким образом, всего 3600 планшетов можно хранить и снабжать светом в объеме 101 кубический фут (3000 дм³). Число проб ткани для такой конфигурации составляет 86400. Для сравнения, необходимо 505 кубических футов для размещения того же количества проб при использовании освещения лампами дневного света на полках, расположенных на расстоянии 1 фута друг от друга, и тех же планшетов с 4 × 6 лунками. Кроме того, пониженное потребление мощности светодиодами 30 уменьшает мощность, необходимую для освещения каждого планшета с 4,4 Вт для ламп дневного света до 1,3 Вт для светодиодов. Меньшее потребление мощности обеспечивается частично за счет расположения светодиодов относительно лунок 14, что улучшает эффективное распределение света светодиодов. Другими словами, больше света, создаваемого светодиодами, достигает ткани, чем в системах с люминесцентным освещением, требуя в целом создания меньше света.

Во время использования классификационной системы 10 с высокой пропускной способностью монтажные платы 31, содержащие матрицы светодиодов 30, выбираются так, чтобы соответствовать матрицам лунок 14 планшетов 12, используемых в операции классификации. Монтажные платы 31 соединены каждая с соответствующим торцевым гребенчатым соединителем 24 посредством введения монтажной платы в горизонтальную щель соответствующего соединителя. Такое введение электрически соединяет верхнюю и нижнюю контактные зоны на плате с лапками 33, что обеспечивает подачу электропитания по выводам 32. После подачи электропитания в платы 31 светодиоды 30 включаются и начинают отдавать свет.

Пробы 13 ткани помещаются в лунки планшетов 12, и в лунки впрыскивается свежая жидкая среда, предпочтительно с использованием автоматизированной системы, такой как устройство для обработки жидкостей GENESIS, изготавливаемое фирмой TECAN of Mannedorf, Швейцария. Планшеты 12, содержащие свежие пробы 13 растительной ткани, захватывает манипулятор робота 11 и устанавливает на полки 23 стеллажа 20. При расположении планшетов 12 на соответствующих полках 23 фиксирующие углубления 26 заставляют планшеты занимать центрированное положение под соответствующей матрицей светодиодов 30. С интервалами, необходимыми для процесса классификации, например для пополнения жидких питательных веществ, отбора жидкости из лунок, удаления некоторых проб ткани из лунок или замены одного планшета другим, робот 11 получает доступ к соответствующему месту на одной из полок 23 и удаляет планшет из его положения в фиксирующем углублении 26.

Данное изобретение имеет несколько преимуществ. Использование светодиодов 30, которые менее громоздки и излучают меньше тепла, чем лампы дневного света и лампы накаливания, обеспечивает более тесное по вертикали расположение полок 23 стеллажа 20. Более плотно расположенные полки увеличивают эффективность хранения за счет уменьшения пространства, необходимого для размещения адекватного количества проб 13 ткани. Это особенно важно для операций классификации с высокой пропускной способностью, где ежедневно необходимы тысячи проб. Дополнительно к этому больше планшетов являются доступными для автоматизированных манипуляторов планшетами, таких как рычаги роботов, которые имеют ограниченную дальность перемещения. Согласование и выравнивание каждой из лунок 14 с ее собственным светодиодом обеспечивает калибровку расхождения и интенсивности светового луча для оптимального роста ткани. Кроме того, светодиоды 30 имеют меньшее потребление мощности, чем лампы накаливания или лампы дневного света, в среднем около 1,3 Вт на стандартный планшет 4 × 6 по сравнению с 4,4 Вт в системах с люминесцентными лампами и лампами накаливания. Излучающие белый свет светодиоды имеют преимущество излучения полного спектра частот и поэтому их можно использовать для многих различных типов растительной ткани. Дополнительно к этому использование белых светодиодов способствует связи в соотношении один к одному каждого светодиода с его собственной клеточной лункой.

Специалисты в данной области техники могут себе представить различные модификации и другие варианты выполнения данного изобретения на основе идей, представленных в приведенном выше описании и прилагаемых чертежах. Поэтому следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами выполнения и что модификации и другие варианты выполнения включены в объем прилагаемой формулы изобретения. Хотя в ней применяются специальные понятия, они используются лишь в общем и описательном смысле и не с целью ограничения изобретения.

Реферат

Изобретение относится к технике для выращивания тканей растений. Узел для ускорения роста растительных тканей содержит множество планшетов, образующих матрицы лунок. Каждая лунка содержит образец ткани. Опору для планшетов обеспечивает стеллаж, содержащий множество вертикально штабелированных полок, содержащих одно или более фиксирующих углублений, которые принудительно приводят планшеты в заданные положения. Свет для образцов ткани обеспечивается множеством матриц светодиодов, установленных на монтажных платах. Светодиоды излучают белый свет. Каждая монтажная плата поддерживается соответствующим торцевым гребенчатым соединителем стеллажа, так что светодиоды находятся вблизи планшетов, опирающихся на полки, расположенные ниже. Матрица светодиодов предпочтительно соответствует матрице лунок, опирающейся в фиксированном положении на полку, расположенную ниже, так что каждый светодиод центрирован над соответствующей одной из лунок. Конструкция узла обеспечивает создание системы обработки образцов ткани, требующих свет для поддержки размножения клеток, которая обладает высокой пропускной способностью. 7 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула