通风橱可为化学实验过程中产生的高毒蒸气与气溶胶提供防护，是全球化学实验室的标准配置。然而，传统通风橱专为人工操作设计，适配其有限空间的多功能机器人系统仍十分稀缺。在受限空间内复现熟练化学实验员的操作多样性存在显著工程挑战。针对此，研究人员开发了一款集成于标准实验室通风橱（50 cm × 120 cm × 170 cm）内的自动化平台，该平台搭载机械臂，可在橱内独立完成液体移取、固体称量、旋盖/开盖、加热搅拌、过滤及样品成像等操作。研究人员通过三类材料研究案例验证了系统的广泛适用性：基于染料的孔隙率高通量筛选、多孔有机笼（Porous Organic Cage, POC）合成以及邻苯二甲酰亚胺（Phthalimide）合成。所有合成流程的成功率均经核磁共振（NMR）、X射线衍射（XRD）、质谱（MS）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）离线确证。
研究背景与意义
化学实验室长期依赖通风橱（Fume Hood）保障人员安全，但其设计初衷完全服务于人工操作。随着自动化与数字化成为化学研发的核心驱动力，现有自动化方案多采用流动化学、定制组装或独立工作站，极少整合至已大规模部署的通风橱基础设施中。这导致两个核心矛盾：一方面，高危实验虽可由机器人执行，但昂贵且复杂的全封闭自动化系统难以普及；另一方面，全球存量巨大的通风橱资源未被智能化利用。此外，在受限空间内复现人类实验员的灵巧操作（如精密装配、复杂工步衔接）极具挑战。为此，研究人员开发了名为RobInHood（Robot-In-a-Fume-Hood）的平台，首次在标准通风橱空间内部署七自由度机械臂系统，旨在将自动化直接嵌入化学家最熟悉的安全工作单元，推动实验室基础设施的智能化升级。该研究发表于《Digital Discovery》。
关键技术方法
研究人员采用模块化设计理念，将Emika Panda七自由度机械臂作为核心转运单元，配合定制化指尖夹具处理样品瓶与定量给药模块。硬件系统集成九大功能模块：样品存储、液体分配（双注射泵系统支持高挥发性溶剂隔离）、搅拌子添加、旋盖/开盖、固体精确称量（Mettler Toledo Quantos）、加热搅拌、视觉分析、真空过滤及铝型材框架。软件层面基于Python开发控制架构，利用Pylabware框架集成商业设备驱动，通过Arduino板卡控制气动与电机执行器，并采用CSV文件管理试剂与样品信息，实现工作流灵活编排。验证实验选取三个代表性化学场景：染料法孔隙率筛选、多孔有机笼CC3合成、邻苯二甲酰亚胺衍生物合成，产物经离线波谱学表征确证。
研究结果
RobInHood工作站概述
平台成功在50×120×170 cm³标准通风橱内集成了全部核心单元操作。机械臂仅负责拾放任务，其余功能由专用模块承担，显著降低运动规划复杂度并提升可靠性。铝型材框架锚固于橱体侧壁，消除位置漂移。定制夹具兼容20 mL样品瓶与固体给药弹匣。各模块均配备定位适配器，确保重复定位精度。
液体分配模块
采用双注射泵（Tecan Cavro陶瓷阀与TriContinent PCTFE阀）分别处理互溶风险溶剂，避免交叉污染。配备主动清洗与 priming 状态追踪功能，经甲基橙染色测试验证无残留。泵体在50–1000 μL量程内精度符合实验要求。创新集成搅拌子自动分发装置，通过日内瓦轮机构将搅拌子经滑槽投入样品瓶，规避预置搅拌子对称重精度的影响。
视觉模块
设计紧凑型光箱，采用鱼眼镜头（100°视场）在4 cm超短距离捕获样品图像。线性推杆控制舱门开闭以屏蔽环境光，内置LED确保光照均一性，为比色分析提供稳定输入。
过滤模块
开发仿布氏漏斗原理的真空辅助过滤系统。核心为可更换过滤弹匣，早期版本采用白色树脂（经¹H NMR验证耐水性），后续升级为聚四氟乙烯（PTFE）滤杯以提升溶剂兼容性。弹匣通过橡胶垫圈与玻璃漏斗形成真空密封。系统包含废液接收瓶、倾注机械臂（带磁力防搅拌子脱落）、回收针及清洗程序。工作流程分为预润洗、过滤、滤液回收（可选）及后清洗四个阶段，支持定时或人工确认模式。
软件架构
基于Python构建分层控制体系：底层驱动封装硬件通信，中间层定义RobInHood类封装基础动作（如移液、加热），顶层工作流脚本调用基础函数。通过samples.csv文件定义批次任务，系统自动校验试剂可用性并缓存状态信息，大幅降低操作错误率。代码开源发布于GitHub。
案例研究1：染料法孔隙率筛选
成功将半自动化流程升级为全自主工作流。系统自动完成6 mg样品称量、9 mL染料溶液分配、24小时搅拌反应及真空过滤。视觉模块量化六种尺寸各异染料（荧光黄、丽春红、甲基橙、结晶紫、藏红花红O、吖啶橙）的脱色率，以≤1 ppm为阈值判定孔隙率。对共轭微孔聚合物（CMPs）、多孔有机笼（POCs）及金属有机框架（MOFs）的测试结果与文献BET法高度一致（仅CC19因校准差异被误判），验证了平台可靠性。真空过滤替代原有人工针式过滤，解决了自动化场景下的安全性与固相回收难题。
案例研究2：多孔有机笼CC3合成
复现经典CC3合成路径。系统依次执行：Quantos称量100 mg 1,3,5-三甲酰基苯（TFB）→ 添加含催化量三氟乙酸的二氯甲烷（DCM）→ 加入(1S,2S)-(+)-1,2-二氨基环己烷→ 加盖反应48小时→ 补加8 mL乙醇沉淀→ 三次过滤洗涤。所得固体经粉末X射线衍射（PXRD）、FTIR及¹H NMR确认为α晶型CC3，微量杂质源于残留溶剂或未完全活化前驱体。
案例研究3：邻苯二甲酰亚胺合成
实现4-硝基邻苯二甲酸酐与3,4-亚甲二氧基苯胺的缩合反应。系统完成：193 mg固体投料→ 9 mL醋酸溶液添加→ 110℃加热搅拌18小时→ 加水淬灭→ 过滤洗涤。³H NMR、¹³C NMR及质谱证实产物结构与预期一致，三次重复实验收率稳定在23%–24%，证明平台适用于药物中间体合成。
结论与展望
本研究证实RobInHood平台可在标准通风橱内安全执行涵盖合成、后处理、分析的完整化学工作流。七自由度机械臂相比笛卡尔机器人显著提升空间利用率与操作灵活性。当前局限在于通风橱物理空间限制了通量与试剂容量，过滤弹匣需手动更换。未来改进将聚焦于：通风橱门自动化与样品交接模块开发，实现与移动机器人及大型仪器（LC-MS、NMR）的互联；引入数字孪生技术优化路径规划；集成RGB-D相机与传感器反馈实现闭环控制；开发AI辅助工作流配置界面降低使用门槛。研究人员强调，下一代通风橱需预留设备通信接口与线缆通道，而物联网（IoT）技术的融入将加速“自动驾驶实验室”愿景的实现。Longley, L.等开发的这一平台，为利用存量庞大的通风橱基础设施推进化学自动化提供了可扩展的新范式。
