Hocheffizientes Labor mit schutzzaunloser Robotik und Machine Learning

Cobot im Mittelpunkt

Moderne Forschungs- und Testlabore stehen vor großen Herausforderungen: Angesichts der Covid19-Pandemie, des zunehmenden globalen Wettbewerbs und Kostendrucks sowie des Fachkräftemangels müssen Labore Kosten sparen und ihre Effizienz steigern. Eine neue Lösung eröffnet die robotergestützte Automatisierung mit Cobots, wie dem Kompaktroboter Cobotta von Denso Robotics, die speziell für die sichere Mensch/Roboter-Kollaboration ausgelegt sind. Wie das funktionieren kann zeigt das Futurelab, ein zukunftsgerichtetes Laborkonzept des Startups bAhead.

(Bild: Denso Robotics Europe / Denso Europe B.V.)

Das Labor von morgen soll auf einfache Weise und flexibel digitalisiert werden. „Roboter wie der Leichtbauroboter Cobotta und sein Ökosystem dürften aufgrund der bestimmter Vorteile und der Weiterentwicklung im Bereich der künstlichen Intelligenz, zum neuen Standard für Laborautomation werden“, sagt Rainer Treptow, Gründer und CEO des Startups bAhead, das mit IAV Automotive Engineering und Denso Robotics zwei Partner aus der Industrie gefunden hat. „Wir kombinieren erstmals im Laborbereich drei disruptive Technologien miteinander – kollaborative Roboter, Drohnen sowie künstliche Intelligenz.“ So entstehe eine höhere Dynamik als bei einer herkömmlichen Laborautomatisierung, vor allem für Labore, die trotz kleiner Probenzahlen automatisieren müssten, so der Unternehmer.

(Bild: Denso Robotics Europe / Denso Europe B.V.)

Flexible und wirtschaftliche Laborautomatisierung

„Der entscheidende Vorteil des Cobots ist die zentrale Funktion für eine unkomplizierte Vernetzung der Geräte im Labor“, erklärt Carsten Busch, Produktmanager Cobots, Denso Robotics. „Unser Roboter macht eine aufwändige Schnittstellenprogrammierung überflüssig, so dass bereits im Labor vorhandenes Equipment weiter verwendet werden kann – das spart Kosten und Zeit.“ Cobotta soll so für Life Science, Biotech und Medtech-Labore eine effektive, flexible und kosteneffiziente Laborautomatisierung ermöglichen, die sich auch für Umwelt-, Lebensmittel- und Industrielabore eignet. Da der Cobot ohne Schutzzelle und aufwändige Programmierung auskommt, rechnet sich der Einsatz wirtschaftlich auch für mittelständische Unternehmen. Die Anschaffung amortisiert sich meist in wenigen Monaten. Der modulare, multifunktionale Aufbau des Futurelab kann die Wettbewerbsfähigkeit und Flexibilität eines Labors erhöhen, so dass sich etwa ein Vielfaches des Probenaufkommens zu einem Bruchteil der Kosten bewältigen lässt.

(Bild: Denso Robotics Europe / Denso Europe B.V.)

Cobot als vielseitiges Werkzeug

Das verbindende Schlüsselelement im Futurelab ist der Denso-Cobot, dessen zentrale Funktion darin besteht, alle Geräte im Labor miteinander zu vernetzen. Darüber hinaus nimmt der Roboter unterschiedliche Laboraufgaben wahr. Eine am Arm montierte Autofokus-Kamera erkennt Positionen und Veränderungen, z.B. von Mischern oder Rotoren, die sich so über KI nachsteuern lassen. Das macht den Roboter zum vielseitigen Werkzeug – vom intelligenten Pick&Place und Öffnen bzw. Schließen von Gefäßen über die Gerätebedienung bis hin zur Ablesung von Displays, Barcodes und Datenübertragung. Der Roboter kann z.B. eine Mikrotiterplatte – ein Standardprobenformat zur Untersuchung biologischer Eigenschaften von Proben -, mit 96 Wells (kleine Gefäße für die Proben) mit einer Geschwindigkeit von nur 50s je Well auf 5/100mm genau anfahren und jeweils in ein Well eintauchen.

Das Unternehmen hat sich nach einem ausführlichen Produktvergleich für das Robotermodell Cobotta entschieden, weil es eine passende Kombination für eine rundum sichere MRK-Lösung geboten habe. Überzeugt habe der Cobot aufgrund seiner offenen Plattform, der einfachen Bedienbarkeit sowie der TÜV-zertifizierten, funktionalen Sicherheit mit einem inhärent sicheren Design. Entscheidend für die Anwendung waren die technischen Parameter des Roboters wie die an den Menschen angepasste Geschwindigkeit, die hohe Wiederholgenauigkeit (±0,05mm) und das geringe Eigengewicht von 4kg bei einer Traglastfähigkeit bis 500g.

Linearsystem für erweiterten Aktionsbereich

Im Futurelab macht ein Schienensystem den Cobot mobil an verschiedenen Arbeitsplätzen einsetzbar und erweitert seinen Aktionsradius – auf den Arbeitstischen und in der Höhe, denn die meisten Anwendungen befinden sich ca. 10cm über den Arbeitsflächen oder erfordern ein Hineingreifen, z.B. wenn der Roboterarm in eine Zentrifuge greifen muss. Das Linearsystem erweitert so das Leistungsspektrum des Labors und erhöht die Effizienz: Der Roboter kann in wenigen Minuten an verschiedenen Arbeitsplätzen eine jeweils andere Aufgabe übernehmen und bringt so gerade in der Startphase einer Laborautomation einen hohen Mehrfachnutzen und eine deutliche Kostenersparnis.

Zur intelligenten Logistik gehören ferner das sogenannte Tower-Hotel, ein kosteneffizientes, multifunktionales und vollautomatisches Hochregallager für standardisierte Container für unterschiedliche Inhalte wie Laborverbrauchsmaterialien, Proben oder Reagenzien (chemische Stoffe, die bei Kontakt mit anderen Stoffen eine spezifische Reaktion zeigen), sowie Drohnen für die Laborlogistik. Eine weitere Technologie im Einsatz ist die künstliche Intelligenz: als Gehirn des Labors fungiert ein KI-basiertes, zentrales Steuerungssystem, das alle Prozesse, also Geräte, Drohnen, Tower-Hotel und Cobotta, versteht und ggf. über KI oder Schwarmintelligenz steuert. Die Arbeitsabläufe werden über ein Endgerät wie etwa Tablet oder Laptop, geplant, gestartet und überwacht. Die Systemsteuerung dokumentiert jeden Schritt und ermöglicht so ein datenbasiertes Qualitätsmanagement. Hinzu kommt eine Anbindung an eine Cloud, u.a. ausgestattet mit einer Open-Source-Datenbank für Cobotta-Programmmodule, Geräte und Consumables, auf die Nutzer Zugriff haben: Langfristig entsteht so ein sich selbst verbesserndes System mit wertvoller Datenbank.

Gegenwärtig werden Prototypen und teilweise existierende Konstruktionsmuster für das Laborsystem weiter angepasst und verbessert, so dass ein Komplettaufbau des ersten Futurelab Mitte 2021 und die Betatestphase Ende des Jahres erfolgen können.