SEYMOUR TRI-21：精密ロボティクスがマイクロニードル組立を革命する

SEYMOUR TRI-21は、SEYMOUR Advanced Technologies（SAT）が構築したロボット準自律マシンです。眼科手術用マイクロニードルを、従来比400%高速で組み立てます。クリーンルームの狭いスペース向けに設計され、3台のMeca500六軸ロボットアームを搭載し、わずか60マイクロメートル（約0.0015インチ）のクリアランスで、長さ25mmのロッドを中空シリンダーに挿入できます。これは塩の粒や人間の髪の毛の太さほどです！

製薬企業は、2022年末までにさらに6台のSATマシンを追加し、スループットを2000%向上させる予定です。

 

背景

ある眼科製薬企業が、眼科手術用マイクロニードルを開発しました。医療業界では、組立がシームレスかつ無菌であることが極めて重要であり、この企業はこれらのマイクロニードルをより効率的に組み立てる方法の必要性を認識していました。

目標は、バイオバーデン（汚染菌数）を大幅に削減しつつ、生産性を約70%向上させることでした。この野心的な目標に直面し、ゼロから全く新しいロボティクス・ソリューションを構築し、非常に特定のニーズを満たせる自動化エンジニアを雇うことが最重要でした。このレベルの専門知識を持つエキスパートを探した結果、自律産業技術プロバイダーであるSEYMOUR Advanced Technologies（SAT）の協力を得て、手術用ツールの極めて精密な組立プロセスを自動化する唯一無二のロボット準自律マシンを作成しました。

課題

長さ25mmのロッドを、わずか60マイクロメートル（0.0015インチ）のクリアランスしかない中空シリンダーに正確に挿入する、自動化・無菌・精密な組立プロセスを構築すること。

 

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現在の製造環境では、このプロセスは高倍率ルーペと人の手を使って手作業で行われています。これは極めて面倒で時間がかかり、正確に生産できるのは平均で時間あたりわずか63本のマイクロニードルです。挿入プロセス中の針折れによる廃棄も大量に発生します。また、「バイオバーデン」（滅菌前の材料中の汚染生物数）による汚染リスクも高まります。

この取り組みにより、製薬企業の多くの問題が解決されます：

• 組立プロセスの迅速化
• 不必要な廃棄とコストの排除
• 作業スペースの滅菌

さらに、組立プロセス作業中にSATは共通の課題に気づきました。ロボットが引き出すたびに針が正確に同じ位置にないため、挿入プロセスが極めて困難でした。

解決策

これらの課題に対応して、SATはSEYMOUR TRI-21を創出しました。精度、滅菌、廃棄排除を実現する準自律マシンです。3台の6軸Meca500ロボットがシリンジをポイントAからポイントBへ移動させ、25mmワイヤーを針に確実に挿入します。

SEYMOUR TRI-21ソリューションをさらに信頼性の高いものにしているのは、同社のマイクロニードルが、他メーカーが使用する手動・半自動プロセスとは異なり、完全自動化環境で生産されることです。

 

• 強力なマシンビジョン
  この唯一無二のプロセスは、物体をピックアップし、可変ストロボ技術（"構造化光モジュラリゼーション"としても知られる）を使用するマイクロ解像度カメラの下に配置することから始まります。この技術は影を検出して、物体の物理的部分が特定の近傍にどこにあるかを特定します。
  
  厚さ、長さ、直線性が計算されます。次に、SATはこの生データを用いて相対位置誤差を計算し、正確な組立を可能にする新しい位置にロボットを移動させます。このプロセスは極めて重要です。内部部品がピックアップされるシェル内で「浮動」しているためです。繰り返し精度は高いものの、部品組立に必要な公差よりも繰り返しウィンドウがはるかに大きいため、干渉なしでの組立が困難だからです。
  
  

機械学習による精度向上

前述の通り、組立される要素の特性上、自動化プロセスは極めて高精度である必要がありました。そのためSATは機械学習（ML）を実装しました。これにより、データを自動的に追跡し、過去のサイクルから学習し、将来のサイクルのために調整・効率化を行うことが可能になり、各針挿入でワイヤーと針が完璧にアラインメントされることを保証します。目標許容成功率は90%以上、生産性70%向上の両方をSEYMOUR TRI-21で達成予定です。

 

 

設計：

SEYMOUR TRI-21の設計は、製薬企業のニーズに合わせて調整されることが重要でした。これらには以下が含まれます：

• 診断用ハンドル
  SATは垂直ハンドルを平行位置に再配置し、より目立たせつつ、ユーザーの動きの制約を最小限に抑えました。その後、データをハンドルに送り、色モードを通じてオペレーターにマシンの健全性を警告するプロセスを確立し、メンテナンスと保全の管理を支援します。
  
  
• ISO 7レベル・クリーンルーム
  Seymour TRI-21は、機械内への粒子混入量を制御する医療用ガラスで作られ、すべてのユニットがISO 7レベル要件で無菌であることを保証します。ドライベアリングも使用し、製造環境からグリース汚染を排除しました。
  
  
• モノのインターネット（IoT）
  インダストリー4.0に沿った、IoTの接続エコシステムにおいて、SATはリモート・コンピューター・インターフェースを提供し、アプリを通じてスマホやタブレットからマシンをリモート操作できるようにします。
  
  
• 監視
  別のマシンの部品を作るマシンは慎重に監視する必要があります。力、トルク、速度、加速度、時間、圧力、体積、重量・質量、並進、回転などすべての要素を監視する必要があります。

7つのSI基本単位は以下で構成されます：

• • 長さ - メートル (m)
  • 時間 - 秒 (s)
  • 物質量 - モル (mol)
  • 電流 - アンペア (A)
  • 温度 - ケルビン (K)
  • 光度 - カンデラ (cd)
  • 質量 - キログラム (kg)

これら、または製品に関連するサブセットを監視することで、SATソリューションは製品が反復可能かつ予測可能になることを検証し、最終的に技術を改善・進化させます。

SATはまた、操作と指示をサポートするデータを監視・提供します。製品品質に影響する変数は多数ありますが、製品が一貫して動作する窓は狭いです。このプロジェクトでは、品質ウィンドウは60マイクロメートルでした。

• 小さなフットプリント、大きなアウトプット

現在の1,000平方フィートのクリーンルームスペースでは、最大2人が8時間シフトで作業可能です。訓練された作業員1人あたり、約63ユニット/時間（1ユニット/分）生産可能。典型的なシフトでは、1人あたり平均500ユニットです。

新しい60インチ幅×42インチ奥行×77インチ高のSEYMOUR TRI-21とオペレーター1名で、約250ユニット/時間（4ユニット/分）、または2,000ユニット/8時間シフトを生産可能。これはスループット400%増です！

これらのモジュール式ロボットマシンは、R&Dだけでなく、適正製造規範（GMP）商業生産にも使用できます。同じクリーンルームに6台の異なる装置を配置し、独立して稼働させ、同時に2〜10人のオペレーターが作業可能になります。

今後の展開

SATのCEO、ロブ・シーモア氏によると、「眼科製薬企業がSEYMOUR TRI-21を完全導入すれば、全体生産性を少なくとも70%向上させ、最低95%の成功率を達成できる。バイオバーデンも大幅に削減される。」とのこと。さらに、「来年にかけて、同社は6台のSATロボットをラインに追加し、2022年末までに生産量を2000%増やす予定だ」としています。

この記事のバージョンは最初にSATの公式ウェブサイトに掲載されました。許可を得て再掲載しています。

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