Neue Konzepte in der Automatisierung
Zweiarm-Roboter erobern das Labor
Neue Konzepte in der Automatisierung sind auch für analysenmesstechnische Labore in hoch regulierten Bereichen geeignet.
In analysenmesstechnischen Laboren erfolgt die Probenvorbereitung noch weitgehend manuell. Zweiarm-Roboter können hier assistieren – und auch weitere typische Laboraufgaben übernehmen. Im einfachsten Fall werden die vom Roboter zu bedienenden Geräte angepasst, eine Alternative dazu bietet die direkte Übernahme der Handhabungs- und Manipulationsaufgaben durch geeignete robotische Komponenten.
Automatisierung dringt heute in immer mehr Bereiche vor und verändert nachhaltig unser Leben. Aufgrund eines erheblichen Kostendruckes, aber auch eines sich verstärkenden Fachkräftemangels, besteht zunehmend auch für kleinere Analytiklabore ein enormes Interesse an der Automation von Prozessen. Während die eigentlichen Probenmessungen mittels Gas- oder Flüssigchromatographie in Kombination mit intelligenten Detektionssystemen heute weitestgehend automatisiert sind, erfolgt die im Vorfeld erforderliche Probenvorbereitung noch weitgehend manuell. Für die Automatisierung in diesem Bereich bestehen Konzepte, die an eine Komplettautomation aus dem Bereich biologischer Screeningverfahren angelehnt sind. Im Mittelpunkt der Systeme stehen dabei Roboter, die als zentrale Systemintegratoren die Aufgabe des Transportes von Proben und Labware zwischen den einzelnen Stationen und Geräten des Gesamtsystems übernehmen.
Hindernisse bei einer 1:1-Automation
Die einzelnen Schritte der Probenbearbeitung werden durch verschiedene intelligente Teilstationen realisiert. So werden z. B. klassische Dosierprozesse mit Pipetten durch Liquidhandler übernommen. Bei dieser Art der Automation ist eine Adaption der zu automatisierenden Prozesse an die Automation erforderlich. Eine 1:1-Automation, d. h. eine direkte Umsetzung der manuellen Prozesse auf das Automationssystem, ist nicht möglich. Dies stellt ein erhebliches Problem in hochregulierten Bereichen dar, bei der jede Prozessänderung erneute Validierungen und Zulassungen der Methoden zur Folge hat. Dabei entstehen erhebliche Kosten; zudem wird die Vergleichbarkeit der Messergebnisse unterschiedlicher Labore reduziert. Darüber hinaus besteht bei der Automation von Laborprozessen häufig ein großes Interesse, vorhandene, im Laboralltag bewährte Materialien, Komponenten und Systeme auch in Automationsanlagen zu verwenden.
Geräte anpassen – oder Endeffektoren entwickeln
Zweiarmige Roboter finden heute bereits im industriellen Umfeld umfangreiche Anwendungen. Sie sind aber auch für Applikationen in analysenmesstechnischen Laboren von Interesse. Die aktuelle Entwicklung moderner Zweiarm-Roboter ermöglicht hier neue Strategien zur Automatisierung von Life-Science-Prozessen. Hauptaufgabe der Roboter ist dabei der Transport von Proben und Labware zwischen verschiedenen Teilsystemen, Stationen und Geräten. Darüber hinaus können Zweiarm-Roboter aber auch typische Laboraufgaben übernehmen. Sollen dabei klassische Geräte und Hilfsmittel eingesetzt werden, ist für das zuverlässige Greifen der Werkzeuge und Proben die Konstruktion von geeigneten Halterungen bzw. Adaptern notwendig. Häufig ist auch die Einbindung klassischer Laborgeräte wie Heizer, Schüttler, Ultraschallbäder etc. in das Konzept gewünscht. Hier müssen – im einfachsten Fall – die vom Roboter zu bedienenden Geräte angepasst werden, was mit erheblichen Kosten verbunden sein kann. Eine Alternative bietet die Entwicklung von Endeffektoren, die eine Nachbildung des Funktionsumfangs der menschlichen Hand ermöglichen. Damit können auch Aufgaben wie das Drücken von Knöpfen oder das Herausziehen von Schubladen realisiert werden.
15 Freiheitsgrade für flexible Bewegungen
Ein Vertreter dieser Roboterklasse ist der Dual-Arm-Roboter SDA10F mit der Steuerung FS100 von Yaskawa (Kitakyūshū). Seine beiden Arme verfügen über jeweils sieben Freiheitsgrade, so dass einschließlich der Basisrotationsachse insgesamt 15 Freiheitsgrade resultieren. Aufgrund der hohen Zahl der Freiheitsgrade sind sehr flexible Bewegungen möglich. Die Maximallast beträgt 10 kg, so dass auch schwerere Teile bewegt werden können. Die beiden Arme können separat für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden; zudem sind auch synchronisierte Bewegungen mit beiden Armen möglich (synchronized move). Die Wiederholgenauigkeit beträgt ± 0,1 mm.
Der zentrale Roboter wird entsprechend seiner Reichweite von Labortischen umgeben, auf denen die Prozessierung der Proben erfolgen kann. Proben und Labware (z. B. Mikrotiterplatten, Vials oder Pipettenspitzen) werden in einem Lagersystem bereitgestellt, aus dem der Roboter diese nach Bedarf entnehmen kann. Heizer, Schüttler, Vortexer oder Ultraschallbäder werden direkt auf dem Deck positioniert. Ein intelligentes Deckdesign, bei dem alle Positionen standardisierte Maße haben, ermöglicht eine einfache Positionierung aller Komponenten und erleichtert Systemänderungen (z. B. bei der Integration neuer Komponenten oder der Neuorganisation der Komponenten auf dem Deck). Für Dosierprozesse können klassische Pipetten eingesetzt werden. Aufgrund seiner zwei Arme ist der Roboter in der Lage, diese analog zum Menschen zu bedienen, wobei ein Arm die Pipette hält und der andere Arm die Dosierung (Bild 1) sowie das Abwerfen der Pipettenspitzen übernimmt (Bild 2).
Variables Dosieren mit elektronisch einstellbaren Pipetten
Nicht sinnvoll realisierbar ist die Einstellung des Dosiervolumens der eingesetzten Pipetten durch den Roboter. Daher werden mehrere Pipetten mit fest definierten Volumina eingesetzt. Soll eine Dosierung von 125 µl erfolgen, kann so u. U. die Nutzung mehrerer Pipetten erforderlich sein; das Volumen kann z. B. in zwei Teilschritten mit 100 µl sowie 25 µl dosiert werden. Dies hat zusätzliche Bewegungen des Roboters zur Folge (zweimal Greifen der Pipette, Aufnahme der Pipettenspitzen, Dosierung, Abwurf der Pipettenspitzen, Ablage der Pipette) und resultiert in längeren Bearbeitungszeiten. Als Alternative können elektronisch einstellbare Pipetten eingesetzt werden. Das zu dosierende Volumen wird dabei variabel je nach Prozessschritt vom Steuersystem übergeben. Damit können erforderliche Transportschritte minimiert werden; zusätzlich wird eine größere Flexibilität in den zu dosierenden Volumina erreicht. Hierbei sind allerdings Fragen der Energieversorgung sowie der Datenübergabe vom Steuerungssystem an die elektronische Pipette zu lösen. Erforderliche Kabel müssen so geführt werden, dass eine Behinderung der Bewegungsfreiheit des Roboters ausgeschlossen wird.
Eine Herausforderung stellt die Einbindung von Geräten dar, die entweder nicht über geeignete Schnittstellen verfügen (z. B. Ultraschallbäder) oder bei denen ein Öffnen erforderlich ist wie z. B. bei Zentrifugen oder Thermoschüttlern (Bild 3). In diesen Fällen muss der Roboter die Tätigkeiten in Analogie zum Menschen übernehmen, was eine entsprechende Gestaltung der Greifer erfordert.
Für eine Verbindung von Probenvorbereitung und Analytik in einem Gesamtsystem erfolgt die Einbindung klassischer Messsysteme. Diese Systeme sind i. d. R. nicht für eine Systemintegration vorgesehen. Dies zeigt sich u. a. in der Probenzuführung. So muss z. B. vor der Probenzuführung in eine HPLC eine Klappe geöffnet werden, deren anschließender sicherer Verschluss Voraussetzung für den Start der Messungen ist. Auch hier muss eine Kombination aus Greiferkonstruktion und Programmierung gefunden werden, die die Realisierung dieser Aufgabe übernimmt.
Ansteuerung des Robotersystems
Um eine möglichst gute Bedienerfreundlichkeit zu erreichen, wird das vorgestellte Automationssystem über die Prozesssteuer- und Scheduling-Software „SAMI Workstation Ex 4.1“ (Beckman Coulter, Krefeld) gesteuert. Dafür sind die benötigten Programme (Jobs) zur Steuerung des Roboters zu integrieren, welche flexibel einsetzbar sein müssen. Um diese Flexibilität zu erzielen, erfolgt die Programmierung des Zweiarm-Roboters sowohl auf dem Controller FS100 (Yaskawa, Kitakyūshū) in der menügesteuerten Programmiersprache Inform III als auch mit dem Motoman SDK in der Programmiersprache C#. Für einen automatisierten Ablauf werden die erstellten Programmmodule mit Hilfe der Middleware „R-Interface“ (Roboter-Interface) in „SAMI Workstation EX“ integriert. Darüber hinaus ist die automatisierte Steuerung der Messinstrumente (LC/MS und GC/MS) möglich. Für die Kommunikation mittels TCP/IP zwischen der Prozesssteuersoftware und dem Messinstrument wurde jeweils ein separates Softwareinterface entwickelt. Dieses aus drei Ebenen aufgebaute Softwaresystem erlaubt durch seine grafische Benutzeroberfläche, dass das Laborpersonal ohne Programmierkenntnisse in der Lage ist, Prozesse mit dem Zweiarm-Roboter zu erstellen.
Unterschiedliche Applikationen realisierbar
Das vorgestellte System verfügt über einen breiten Funktionsumfang, der die Realisierung klassischer Laborvorgänge wie Dosieren, Filtrieren, Heizen, Schütteln, Vortexen oder eine Ultraschallbehandlung von Proben ermöglicht. Entsprechend des Funktionsumfanges können daher unterschiedlichste Applikationen durchgeführt werden. So wurde das System bislang erfolgreich für die automatisierte Bestimmung von Enantiomerenüberschüssen chiraler Verbindungen sowie zur Bestimmung von Cholesterin in Inkrustationen von okkludierten Gallengangstents eingesetzt und validiert. Dabei wurden die Wiederholpräzision, die Wiederfindungsrate, die laborinterne Vergleichspräzision, die Messpräzision sowie die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen bestimmt, womit eine erfolgreiche Übertragung der manuellen Methoden auf das Automationssystem bestätigt werden konnte.
Durch die Einbindung einer auf dem Überdruckprinzip basierenden Festphasenextraktion ist die Ausweitung der Applikationen möglich. Mögliche Applikationen sind hier die Bestimmung von dentalen Werkstoffen aus Zahnmaterialien, von Benzoesäurederivaten in Boden- und Wasserproben sowie die Bestimmung von Wirkstoffkonzentrationen in Zellen oder Zellüberständen. In allen Fällen ist eine direkte Automation der manuellen SOPs möglich, ohne dass Änderungen einzelner Prozessschritte erforderlich sind.
Fazit
Der Einsatz von Zweiarm-Robotern im analysenmesstechnischen Labor eröffnet neue Möglichkeiten in der Automation von Laborprozessen. Stationäre Roboter sind dabei von einem Deck umgeben, auf dem notwendige Geräte, Werkzeuge, Labware und Verbrauchsmaterialien positioniert sind. Mit intelligenter Programmierung ist eine flexible Gestaltung des Decks nach den Anforderungen der eigentlichen Prozesse möglich. Eine Erweiterung des Konzeptes stellen mobile Zweiarm-Roboter dar, die sich zwischen verschiedenen Laboren und Laborstationen bewegen. Neben der reinen Transportfunktion zwischen den Stationen ist auch eine Probenmanipulation an den verschiedenen Stationen möglich.
Mit dem Einsatz von Zweiarm-Robotern gelingt eine direkte Übertragung manueller SOPs auf ein Automationssystem. Wird auf Änderungen von Prozessschritten verzichtet, entfällt die Erfordernis von Neuvalidierungen und Zulassungen der Prozesse. Somit liegt nun auch ein Automationsansatz für hoch regulierte Bereiche vor.
Danksagung
Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, Deutschland) für die finanzielle Unterstützung (FKZ: ZF4066003DB6). Weiterer Dank gilt Dr.-Ing. Thomas Roddelkopf, Dr.-Ing. Steffen Junginger, Dipl.-Ing. Lars Woinar und Heiko Engelhardt für die technische Unterstützung sowie allen Doktoranden und Studenten (Bachelor und Master), die bei der technischen Umsetzung im Rahmen wissenschaftlicher Arbeiten mitgewirkt haben.
AUTOREN
PD Dr.-Ing. habil. Heidi Fleischer
Institut für Automatisierungstechnik
Universität Rostock
Dr. Michael Klos
Yaskawa Europe GmbH
European Headquarters, Eschborn
Prof. Dr.-Ing. habil. Kerstin Thurow
Center for Life Science Automation
Universität Rostock
Literatur
(1) Fleischer, H.; Thurow, K.: Automation Solutions for Analytical Measurements: Concepts and Applications. Wiley-VCH, Weinheim, 2017 (ISBN: 3-527-34217-6), 260 Seiten.
(2) Fleischer, H.; Baumann, D.; Joshi, S.; Chu, X.; Roddelkopf, T.; Klos, M.; Thurow, K.: Analytical Measurements and Efficient Process Generation Using a Dual–Arm Robot Equipped with Electronic Pipettes. Energies, 2018, 11(10), Artikel-Nr. 2567, 1-21 (DOI: 10.3390/en11102567).
(3) Fleischer, H.; Drews, R.R.; Janson, J.; Chinna Patlolla, B.R.; Chu, X.; Klos, M.; Thurow, K.: Application of a Dual-arm Robot in Complex Sample Preparation and Measurement Processes. JALA - Journal of the Association for Laboratory Automation, 2016, 21 (5), 671-681 (DOI: 10.1177/2211068216637352).
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