Was Roboter können und leisten könnten

Roboter im Laboreinsatz

Was Roboter können und leisten könnten: Der Autor von ABB stellt Robotiklösungen, die bereits im Einsatz sind, und Prototypen vor.

© ABB

Labore sowie medizinische und analytische Dienstleister stehen unter hohem Druck: Sie benötigen innovative Lösungen, um die Effizienz ihres Betriebs, die Qualität ihrer Produkte und Leistungen zu optimieren und gleichzeitig die Kosten unter Kontrolle zu halten. Zur Forderung nach schnellen Analysen kommen Forschungs- und Entwicklungszeiten und ein immer schnellerer Time-to-Market erschwerend hinzu – ganz zu schweigen vom Mangel an qualifizierten Fachkräften. Eine robotergestützte Automatisierung kann hier unterstützen. Denn Roboter sind in der Lage, monotone und repetitive Aufgaben bis zu 50 Prozent schneller zu erledigen, als wenn sie manuell durchgeführt würden. Dies steigert nicht nur die Produktivität, sondern ermöglicht es dem gut ausgebildeten Personal, sich produktiveren Aufgaben zu widmen. Und indirekt erhöhen sie die Arbeitssicherheit des Personals. Robotiklösungen könnten Fachpersonal in Medizin und Analytik nicht nur tatkräftig unterstützen – sie könnten auch zur Optimierung von Qualität, Auslastung und Betriebskosten in Laboren und Forschungseinrichtungen beitragen.

Präzise, schnell, flexibel, unermüdlich und 24 Stunden am Tag einsatzbereit – dank dieser Attribute eignen sich Roboter geradezu ideal für stets wiederkehrende Tätigkeiten. Sie sind jedoch ebenso flexibel genug, um je nach Bedarf zwischen verschiedenen „Jobs“ zu wechseln. Längst nicht mehr mit ihren großen und schweren Vorgängern vergleichbar, die vornehmlich für die Automobilindustrie entwickelt wurden, benötigen Roboter eine weitaus kleinere Stellfläche, sind flexibler, verfügen über integrierte Vision-Systeme und sind zudem in hygienischen, abwaschbaren Varianten erhältlich. SCARAs (Selective Compliance Articulated Robot Arms) stehen exemplarisch hierfür. Sie lassen sich auf Tischen montieren und passen dank kleiner Stellfläche gut in Räume mit beengten Platzverhältnissen, wie sie typischerweise in pharmazeutischen Produktionsanlagen vorzufinden sind.

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Auch Roboter mit kollaborativen Eigenschaften finden zunehmend in Laboratorien Einsatz. Sie kommen bei vielen Applikationen ohne Sicherheitszäune aus und arbeiten zuverlässig neben ihren menschlichen Kollegen. Zudem ermöglicht die Kollaboration ein Plus an Flexibilität und Effizienz, da Mensch und Roboter sich die gleichen Arbeitsräume teilen und sogar bei den gleichen Aufgaben zusammenarbeiten können – ohne Abstriche bei der Geschwindigkeit und der Sicherheit hinnehmen zu müssen.

Anwendungen in Labor und Medizin

Moderne Roboter sind also längst nicht mehr nur in Produktionsumgebungen oder Logistikzentren zu finden. Sie werden zunehmend in medizinische Laboranwendungen integriert, unterstützen Forschungseinrichtungen von Hochschulen und der Pharmaindustrie sowie Untersuchungen und Tests im Gesundheitswesen. Aktuelle Robotergenerationen können mehrere Aufgaben ausführen, sind leicht zu programmieren und können bald möglicherweise sogar Laborgeräte verwalten und überwachen.

Bei allgemeinen Laboraufgaben etwa ist der kollaborative Roboter „YuMi®“ von ABB in der Lage, eine Reihe von repetitiven, filigranen und zeitaufwändigen Labortätigkeiten auszuführen, wie das Dosieren, Mischen und Pipettieren, das Zusammenstellen steriler Instrumente sowie das Be- und Entladen von Zentrifugen. Mit Hilfe robotergestützter Anlagen und Anwendungen lassen sich zudem auch temperatursensible Arbeitsschritte ausführen: Der Roboter setzt beispielsweise automatisch Proben in spezielle Öfen ein und entnimmt diese anschließend wieder. So wird sichergestellt, dass die Proben unter den korrekten Bedingungen inkubiert werden.

Yumi ist derzeit im Vergleich zu anderen kollaborativen Robotern äußerst schnell – sein Design ist von Haus aus auf Sicherheit ausgelegt. Dank gepolsterten Armen ohne Quetschstellen sowie Kollisionserkennung kann er sicher mit seinen menschlichen Kollegen in relativ unstrukturierten Umgebungen arbeiten, ohne dass zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, wie Schutzzäune, erforderlich sind. So kann er eine Vielzahl an repetitiven Aufgaben in hoher Taktzahl erledigen, selbst wenn diese eine menschenähnliche Geschicklichkeit erfordern oder sich kurzfristig ändern. In Zusammenarbeit mit seinen menschlichen Kollegen im Labor unterstützt er beispielsweise bei der Gerätewartung, bei der Entnahme und Lagerung sowie bei Probentransport und -ablage.

Roboter hilft bei Assay-Vorbereitung

Forscher des Europäischen Instituts für Onkologie (European Institute of Oncology) haben Yumi eingesetzt, um das Personal bei der Vorbereitung eines Immuno-Assays zu unterstützen. Dieser wird zur Quantifizierung von Virusantikörpern eingesetzt. Die Assay-Vorbereitung gestaltete sich extrem zeitaufwändig, da das Laborpersonal zuvor mehrere, stets wiederkehrende Arbeitsschritte ausführen musste, darunter das Waschen der Wellplatten. Dabei konnte Yumi den Waschprozess problemlos und zuverlässig übernehmen.

Bereiche mit Bio-Gefährdung

Integriert in HEPA-gefilterte Biosicherheitsarbeitsplätze handhabt der kollaborative Roboter bei Copan Diagnostics (USA) Gewebe-, Knochen- und sterile Flüssigkeitsproben und transportiert Abstriche und Blutkulturen. Sobald der technische Mitarbeiter einen Barcode gescannt hat, platziert der Roboter automatisch bestimmte Platten und Materialien zur Probenimpfung. Anschließend bestreicht der Roboter die Platten und gibt sie an eine Anlage weiter, die den Transportvorgang abschließt.

Ob Reagenzgläser, Tabletten oder Injektionsspritzen: SCARAs - hier in einer Schutzeinhausung - agieren schnell und genau und führen gelenkige Punkt-zu-Punkt-Bewegungen aus, wie Pick-and-Place. © ABB

Die Tatsache, dass Roboter ein stets wachsendes Spektrum an Aufgaben übernehmen können, begrenzt menschliches Eingreifen auf ein Minimum. Dies kommt Unternehmen u. a. beim Handling von schädlichen Substanzen und biologisch gefährlichen Materialien zugute. Roboter können diese Aufgaben übernehmen, die potenziell gefährlich für Mitarbeiter sind, und diese so schützen. Auch das Risiko von Kontaminationen sinkt beim vermehrten Einsatz von Robotern im Laborbetrieb.

Mit dem Einsatz automatisierter Anlagen und Verfahren können Unternehmen auch Risiken – wie menschliches Versagen, Fälschungen oder Manipulationen – minimieren. So sind Roboter dank integrierter Bildverarbeitung in der Lage, Strichcodes auf den Verpackungen zu scannen, die sämtliche Rückverfolgungs- und Transaktionsdaten des jeweiligen Produkts oder jeder Probe enthalten.

Ausblick

Laut interner Studien von ABB soll der weltweite Markt auf knapp 60 000 medizinische Roboter für nicht-operative Anwendungen wachsen, was einer Vervierfachung gegenüber 2018 entspricht. Im Oktober 2019 eröffnete ABB ein neues Forschungszentrum am Texas Medical Center (TMC) in den USA, um gemeinsam mit Spezialisten aus Wissenschaft und Medizin neue Roboter- und Automatisierungskonzepte für Krankenhäuser und medizinische Einrichtungen, Labore, die Pharmaindustrie und Hersteller medizinischer Geräte zu erarbeiten. Das TMC ist mit zehn Millionen behandelten Patienten pro Jahr das größte medizinische Zentrum der Welt.

„Roboter sind heutzutage in immer mehr hygienegerechten Ausführungen erhältlich und können dabei ein zunehmend breiteres Aufgabenspektrum bewältigen. So hilft eine robotergestützte Automatisierung der gesamten Gesundheits- und Pharmaindustrie dabei, Produktion, Testverfahren sowie Forschung und Entwicklung effizienter und produktiver zu gestalten“, betont Marc Segura, Managing Director Consumer Segments & Service Robotics bei ABB. Zu den Prototypen, die ABB seit der Eröffnung des Healthcare Research Hub vorgestellt hat, gehören Yumi-Roboter, die potenziell bei der Reinigung von Zentrifugen und der Handhabung von Reagenzgläsern helfen können. Zudem könnte ein ABB-Roboter des Typs IRB 1 200 Flüssigkeiten pipettieren und transportieren.

Ein weiterer Prototyp in der Reihe der Healthcare-Roboter von ABB ist ein mobiler Yumi-Roboter. Er wurde entwickelt, um medizinisches Personal bei Labor- und Logistikaufgaben in Krankenhäusern zu unterstützen. Dabei kann er seine menschlichen Kollegen selbstständig erkennen und um sie herum seinen Weg finden. Er lernt, verschiedene Wege von einem Ort zum anderen zu nehmen. Darüber hinaus kann der Roboter ein breites Spektrum wiederkehrender und zeitaufwändiger Tätigkeiten übernehmen und unter anderem Medikamente vorbereiten, Zentrifugen be- und entladen, pipettieren, mit Flüssigkeiten umgehen sowie Reagenzgläser aufnehmen und sortieren.

All diese gängigen medizinischen Laboraufgaben ließen sich durch robotergestützte Automatisierung ausführen, indem konstante Leistung mit größerer Flexibilität und Dauerbetrieb kombiniert werden. Auf diese Weise können der Mengendurchsatz und die Qualität erhöht und gleichzeitig die Kosten gesenkt werden. Sämtliche Prototypen stellen keine medizinischen Geräte dar und stehen aktuell noch nicht zum Verkauf zur Verfügung. Obwohl solche und andere Robotiklösungen von ABB für unterschiedlichste Zwecke im Gesundheitswesen eingesetzt werden könnten, muss jedes medizinische Gerät selbstverständlich strenge Tests durchlaufen. Nur so lässt sich sicherstellen, dass es seinen beabsichtigten Zweck sicher und zuverlässig erfüllen kann, bevor es auf den Markt kommt. Es liegt dabei in der alleinigen Verantwortung der Hersteller von Medizinprodukten, alle geltenden Gesetze, Normen und Richtlinien einzuhalten.

AUTOR

Jürgen Stühler
ABB Automation GmbH, Friedberg
http://www.abb.com/robotics

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