RAINBOTTM：基於數字孿生的低成本自動液體處理機器人平台

實驗室自動化能夠顯著加速科學發現進程，然而傳統商業液體處理系統的高昂成本、封閉的專有設計以及有限的遠程監控能力，極大地限制了其在中小型實驗室中的普及。為了解決這一困境，來自哈馬德·本·哈利法大學的研究團隊提出了一種名為RAINBOTTM的低成本、可公開復現的液體處理機器人。該機器人基於消費級笛卡爾3D打印機（Elegoo Neptune 4 Max）進行改造，通過替換打印機擠出機為精密單通道移液器，並利用打印機原有的G代碼驅動X-Y-Z龍門架實現精確定位。移液器的柱塞運動和槍頭彈出則由兩個小型線性執行器在Python控制下完成，整體硬件成本控制在1300美元以內，僅為入門級商業液體處理系統的十分之一左右。

為了提升實驗的透明度和可遠程監督性，研究團隊實現了基於瀏覽器的數字孿生系統。該系統與物理平台雙向同步，實時反映運動學和移液狀態，研究人員可以通過任何網絡瀏覽器查看實驗進程、進行遠程干預甚至執行緊急停止操作。在概念驗證實驗中，RAINBOTTM成功完成了不同顏色水溶液的順序交換任務，並利用集成的顏色傳感器對混合結果進行定量分析。測量得到的紅、黃、藍三色響應值與預期混合行為之間的平均絕對誤差僅為兩個百分點，充分驗證了機器人精確執行和實時追蹤的能力。

更進一步，該平台與CEIDTM（協同逆設計探索器）框架進行了耦合。CEIDTM框架將傳統的迭代手動猜測實驗模式轉變為目標導向的逆設計搜索，同時保持人類研究人員在迴路中提供指導。這一閉環控制架構使RAINBOTTM能夠自主探索實驗參數空間，加速材料或化學配方的優化。整個系統不僅成本極低，而且設計開放，所有硬件和軟件細節均可被其他實驗室復現，為自驅動實驗室自動化建立了一個易於訪問的物理-虛擬融合框架。