Knickarmroboter: So unterstützt Prozessautomatisierung die Mikrobiologie

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Der Einsatz von Knickarmrobotern in der Mikrobiologie kann den Forschern repetitive Abläufe abnehmen und so die Innovationszyklen verkürzen.

Nicht nur in der Industrie sind Roboterzellen gefragt, auch in der Mikrobiologie kann ein Knickarmroboter den Forschern repetitive Abläufe abnehmen und so die Innovationszyklen verkürzen.

Von Peter Stiefenhöfer

Knickarmroboter für eine sichere Zusammenarbeit

Zusammen mit Mitsubishi Electric hat Peak Analysis & Automation (PAA) eine vollautomatische Arbeitszelle entwickelt, die das National Institute of Standards and Technology (NIST) des US-amerikanischen Handelsministeriums bei bakteriologischen Studien unterstützt. Herzstück ist ein Knickarmroboter mit eigener Näherungserkennung für sichere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine. Mit dem flexiblen und zuverlässigen System können Wissenschaftler am NIST das Wachstum mehrerer Bakterienkulturen parallel verfolgen, wodurch schnellere Neuentdeckungen zu erwarten sind und das Kontaminationsrisiko sinkt.

Automatisierung entlastet Mikrobiologen

Die Prozessautomatisierung nimmt den Forschenden zeitaufwändige und repetitive Tätigkeiten ab, sodass sie sich auf die Analyse der Labordaten konzentrieren können. Im konkreten Fall planten NIST und PAA ein System, das automatisch die Nährmedien für Bakterien vorbereitet, die DNA von Organismen manipuliert und deren Wachstumsraten sowie gegebenenfalls zugrunde liegende Muster erfasst.

Die Arbeitszelle verfügt über ein Reinluftsystem, das Verunreinigungen aus der Luft entfernt und die biologischen Proben und Instrumente innerhalb der Zelle vor Kontamination schützt. Die Arbeitszelle beherbergt zudem Vorrichtungen zur Lagerung der Mikrotiterplatten mit den Kulturen sowie Lesegeräte und Inkubatoren zur Erfassung des Bakterienwachstums unter kontrollierten Bedingungen.

Darüber hinaus ermöglicht die Zelle die Manipulation von Organismen mittels Vektor-Gentransfer. Weitere wichtige Komponenten sind Liquid Handler zum Befüllen der Mikrotiterplatten mit Nährmedien, Mechanismen zum Öffnen und Versiegeln der Platten sowie thermostatgesteuerte Zentrifugen zum Auftrennen von Proben.

Pick-and-Place-Lösung durch Knickarmroboter

Für die verschiedenen Stationen, die innerhalb der Arbeitszelle angeordnet sind, wurde eine automatisierte Pick-and-Place-Lösung benötigt, die die Proben ohne menschliches Zutun zu allen relevanten Prozessschritten befördert. Außerdem sollte die Zelle ein System für Hochdurchsatz-Screening (High-Throughput Screening – HTS) umfassen, das es ermöglicht verschiedene Tests gleichzeitig durchzuführen. So können Leitstrukturen in einem Bruchteil der für manuelle Verfahren benötigten Zeit erkannt werden.

Die von Mitsubishi Electric gelieferten Komponenten sind ein Sechs-Achs-Knickarmroboter der Serie Melfa RV und die dazugehörige Steuerung. Der Roboter ist auf einem Linearschlitten montiert, auf dem er innerhalb der Mikrobiologiezelle zwischen den Stationen hin und her fahren kann.

Neal Welch, Life Science Sales Manager bei Mitsubishi Electric, erläutert: „Ein ganz wesentliches Merkmal unserer Technologien ist deren Flexibilität. So konnten wir den Greifraum des Roboters innerhalb der Arbeitszelle anpassen und den Roboterarm an vorhandene Software von NIST und PAA anbinden.“

Eine weitere Herausforderung, die durch die flexible Automatisierungslösung überwunden wurde, war die Positionierung der Objekte innerhalb der Arbeitszelle. Beispielsweise arbeitet der Liquid Handler mit Einwegspitzen, deren Koordinaten von Mal zu Mal leicht variieren können. Indem er seine eigenen Raumdaten genau erfasst, kann der Roboter kleine Positionsabweichungen ausgleichen und seine eigene Position in Relation zum Verbrauchsmaterial neu berechnen. Auf diese Weise bleibt die Präzision im Betrieb dauerhaft erhalten.

Da an der mikrobiologischen Station mit flüssigen und pulverförmigen Stoffen gearbeitet wird, wurde der Roboter von Mitsubishi Electric außerdem mit Schutzart IP67 gegen das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit ausgestattet.

Andy Mash, Integration Manager bei PAA, kommentiert: „Wir pflegen die Beziehung zu Mitsubishi Electric seit vielen Jahren und mit großem Erfolg. Wir bevorzugen die Automatisierungsprodukte des Unternehmens vor allem deshalb, weil sie einfach zu integrieren, hochpräzise und zuverlässig sind.“

Mensch-Maschine-Kollaboration

Die neue Zelle kann bei Bedarf Benachrichtigungen und Warnmeldungen ausgeben, beispielsweise wenn Verbrauchsmaterialien zur Neige gehen. So können diese rechtzeitig nachgefüllt und ungeplante Ausfallzeiten vermieden werden.

Während die Zelle die meiste Zeit über autark arbeitet, erfordert das Nachfüllen von Prozessstoffen manuelles Eingreifen. Damit Forschende oder Bediener die Roboterzelle gefahrlos betreten und hineingreifen können, sind entsprechende Sicherheitsvorkehrungen notwendig. Auch hierfür hatte Mitsubishi Electric eine Antwort.

Neal Welch: „Um die Kapazität des Systems maximal auszuschöpfen, haben wir eine Roboterlösung realisiert, die auch dann weiterläuft, wenn jemand die Zelle betritt. Der Roboter entfernt sich derweil und arbeitet an anderen Stationen weiter, an denen es nicht zu Konflikt mit dem Menschen kommen kann. Auf diese Weise werden Stillstandszeiten weitestgehend vermieden.“

Integrierte Systeme für die Wissenschaft

Der Forschungsauftrag des Wissenschafts- und Technologielabors am NIST besteht in der Entwicklung und Förderung gemeinsamer Leitlinien, Praktiken und Normen für Industrie, öffentliche Einrichtungen und Hochschulen. Diese Standardisierungsprozesse dienen der Förderung der Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit der USA.

Andy Mash von PAA erklärt: „Das NIST ist eine renommierte Institution und dass man dort zufrieden ist, heißt dass wir in die richtige Richtung arbeiten. Auch dank der Zusammenarbeit mit Mitsubishi Electric konnten wir im konkreten Fall eine Lösung mit moderner Automatisierungstechnik liefern.“

Neal Welch von Mitsubishi ergänzt: „Besonders freut es uns, dass die Lösung der Förderung des Fortschritts im Bereich der Mikrobiologie dient. Diese können schließlich zu Durchbrüchen in der Gesundheitsforschung und Präzisionsmedizin führen.“

Durch die von Mitsubishi Electric und PAA entwickelte Multifunktionslösung können die Wissenschaftler am NIST das Kontaminationsrisiko in ihren Experimenten reduzieren und wesentlich schneller zu fundierten Standards und Messergebnissen gelangen als früher mit den manuellen Methoden.