Robotik in der Qualitätskontrolle Ein Buddy fürs Labor

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Wie ein sehender Roboterarm die Automation im Labor auf eine neue Stufe hebt, veranschaulicht das Anwendungsbeispiel bei einem Hersteller von Kits für ELISA-Assays. Lesen Sie, welche Vorteile der Cobot „Buddy“ bei der Qualitätskontrolle und anderen Laboraufgaben bringt.

Für Labore gibt es derzeit viele Herausforderungen zu bewältigen: Fachkräftemangel, Lieferengpässe, die zu Änderungen der Prozesse oder Umstrukturierung der Arbeit führen, und eine generell steigende Nachfrage, die es zu bedienen gilt. Gleichzeitig ist der Automatisierungsgrad vielerorts noch sehr gering. Große Labore mit hohem Durchsatz können zwar viele Prozesse mit Vollautomaten oder Förderbändern automatisieren, aber die Mehrheit der Labore ist dafür zu klein und die Varianz an unterschiedlichen Assays zu hoch, um sie mit großen und teuren Geräten zu automatisieren. Automatisierungen im Markt sind bisher nicht flexibel genug und entweder beschränkt in ihrem Anwendungsgebiet, oder nur individuell und mit hohem manuellem Aufwand anpassbar. Oft schrecken schon die hohen Anschaffungskosten der Systeme ab, teils müssen aber auch bestehende Geräte ersetzt werden, da die älteren nicht digitalisierbar sind.

Diese Herausforderungen wurden auch dem Hamburger Start-Up Bahead immer wieder vor Augen geführt. Da gerade einfache händische Aufgaben im Labor automatisiert werden müssen, hat ein Team dort ein System entwickelt, das der Funktionsweise eines menschlichen Arms nachempfunden ist – und dank integrierter Kamera auch ein eigenes „Auge“ zum Sehen zur Verfügung hat.

Digital Twin

Bahead nutzt einen „digitalen Zwilling“ zur Simulation und Berechnung der Bewegungsabläufe des Cobots.

Durch die Videoerkennung wird die Laborumgebung digital abgebildet und der Cobot berechnet und simuliert, wie er den Ablauf durchläuft. So kann bei neuen Prozessen vorab geprüft werden, ob und wie der Ablauf des Assays vom Cobot durchlaufen wird, um ggf. noch Anpassungen zu machen, oder um schlicht sicherzugehen, dass der Prozess exakt so durchgeführt wird, wie ihn sich die Laboranwender vorgestellt haben.

Pilotprojekt mit Vorbildcharakter

Die aktuellen Herausforderungen der Automation im Labor werden in der Qualitätskontrolle des ELISA-Kit-Bereichs von Labortechnik-Hersteller Tecan besonders deutlich. Neben der Schwierigkeit, gute Fachkräfte zu finden, ist auch der hohe Anspruch an Prozess-Konsistenz beim Hersteller von Kits für die In-vitro-Diagnostik (IVD) ein Grund, Prozesse zu automatisieren. Gemeinsam mit Bahead hat man sich an die Zukunft der Laborautomatisierung herangewagt – und Erfolg gehabt.

Zunächst kommen in der Qualitätskontrolle des Kit-Herstellers viele Faktoren zusammen: Eine hohe Varianz unterschiedlicher ELISA-Assays, verschiedene zu integrierende Geräte, die teils über keine Schnittstelle verfügen und exakte zeitliche Abläufe, die es einzuhalten gilt. Genau hier spielt die Lösung von Bahead ihre Stärken aus: Geräte können herstellerunabhängig integriert werden, Schnittstellen werden nicht zwingend benötigt und die Lösung lässt sich flexibel an verschiedene Abläufe anpassen.

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Ein sehender Roboter ist die Lösung

Im Mittelpunkt der Automationslösung steht ein Cobot namens Buddy. Cobots sind kollaborierender Roboter, die speziell für die Zusammenarbeit mit Menschen entwickelt wurden. Buddy kann alle Aufgaben übernehmen, die im Labor klassischerweise manuell erledigt werden: Vom Pipettieren über das Bedienen von Zentrifugen, das Einlegen von Mikrotiterplatten in ein Lesegerät oder die Steuerung weiterer Geräte – nahezu jede Tätigkeit ist umsetzbar. Durch ein Wechselsystem kann Buddy sich mehrerer Greifer bedienen und z. B. eigenständig zwischen Pipette und Greifer wechseln. TÜV-geprüft, ist er für die Arbeit Hand in Hand mit Menschen zugelassen.

Eine am Roboterarm integrierte 3D-Kamera ermöglicht dem Cobot die Verfolgung sämtlicher durchzuführender Laborarbeiten und erhöht deren Präzision. Buddy kann beispielsweise Geräte, Verbrauchsmaterialien und deren exakte Position erfassen und bedienen. Mittels Bilderkennung lassen sich bereits vorhandene Laborgeräte auch ohne physische Schnittstelle direkt in die Automatisierung integrieren und bedienen. Buddy verwendet das Gerät notfalls exakt wie ein Mensch: durch Drücken von Knöpfen und Öffnen von Klappen. Das ermöglicht die Integration von bestehendem Laborequipment, was sowohl günstiger ist, aber vor allem auch nachhaltiger, da es die Produktlebenszyklen der bestehenden Laborgeräte erhöht.

Wissen aus etablierten Applikationen zusammengetragen

Das Automatisierungssystem bedient sich dabei Technologien, die in anderen Branchen schon längst Standard sind. Der vom Partner Denso bereitgestellte Cobot wird seit Jahren erfolgreich in der Automobilindustrie eingesetzt, z. B. zum Erkennen und Sortieren von Schrauben. Firmen wie Tesla arbeiten seit Jahren an der komplexen Erkennung von menschlichen Bewegungen im Straßenverkehr, bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen. Dagegen ist die Erkennung der Instrumente im Labor regelrecht einfach. Mit der Adaption dieser beiden Technologien auf die Laborumgebung hat Bahead eine Lösung geschaffen, die Routinetätigkeiten im Labor übernimmt. „Die Entwicklungszyklen in der Life-Science-Branche sind in der Regel erheblich länger und durch den begrenzten Markt logischerweise auch mit geringeren Stückzahlen und höheren Preisen versehen“, erklärt Rainer Treptow, CEO und Gründer von Bahead. „Für uns war daher von Beginn an klar, dass wir auf Mainstream Technologien setzen müssen, die erheblich schnellere Entwicklungszyklen bei deutlich geringeren Endpreisen bieten.“ Die Robotik-Lösung der Hamburger Firma befindet sich gerade in den letzten Schritten zur Serienreife, weshalb man sich in einem Pilotprojekt mit den Experten der Automatisierung von Tecan zusammengetan hat.

Buddy im Einsatz

Mittlerweile ist das Projekt abgeschlossen und der automatisierte ELISA-Assay ein Erfolg. Der vormals komplett händische Workflow wird nun von Buddy übernommen und es zeigen sich weitere Vorteile des Systems. So können nun die Inkubationszeiten in Assays immer auf die Sekunde exakt eingehalten werden, gleichzeitig werden auch die Pipettierschritte, Pipettierwinkel etc. immer exakt gleich durchgeführt, was zuvor je nach technischem Assistenten (TA) leicht variieren konnte. Gerade in der Qualitätskontrolle wurde somit eine noch genauere Prüfung der Kits erreicht und es wurden die hohen Qualitätsansprüche von Tecan erfüllt.

Bei Tecan ist man mit den Ergebnissen des Pilotprojekts zufrieden. „Wir haben mit einer Applikation angefangen und sehen so ein großes Potenzial, dass wir Schritt für Schritt weitere Teile des Labors mithilfe von Bahead automatisieren wollen“, sagt Dr. Mark Hünken, Head of Produkt Development. „Die einfache Bedienung und die hohe Flexibilität sind gerade für uns ein großer Vorteil. So können zukünftig mehrere Automatisierungen oder Applikationen von einem System erledigt werden.“

Im nächsten Schritt soll die Lösung nun noch variabler eingesetzt werden. In einer ersten Demo haben die Entwickler bereits gezeigt, was über die jetzige Lösung hinaus möglich ist. „Wir können Buddy mittlerweile auch remote steuern, was einerseits flexibleres Arbeiten für die TAs im Labor ermöglichen kann, andererseits aber auch uns ermöglicht, einen Remote Service aus der Ferne für Labore anzubieten“, zeigt Bahead-Gründer Treptow die Vorteile auf. „Sollten doch mal Probleme auftauchen, können wir uns auf Nachfrage direkt auf den Cobot und die Kamera schalten und das Problem lösen, ohne aufwändige Terminkoordination, Anreisezeit und Kosten.“

Eine Beispielapplikation von Cobot „Buddy“ zeigt das folgende Video:

Schrittweise an Robotik heranführen

Derzeit befindet sich das System in der letzten Phase der Pilotierung, es ist in vielen Fällen aber längst den Wünschen vieler Anwender voraus. „Die Anforderungen der Labore sind oft deutlich einfacher als das, was unser System kann“, sagt Hauke Heller, CTO von Bahead. „Viele Labore möchten bewusst erst einmal simple Bewegungen wie Scannen oder das Befüllen von Racks mit Proben automatisieren. Dass wir aber auch z. B. komplette ELISA-Assays automatisieren können, wie bei Tecan gezeigt, ist vielen zunächst nicht bewusst.“ Heller rechnet daher damit, dass sich viele Labore erst an das Thema Automatisierung herantasten werden – doch auch dafür ist die Lösung durch den geringen Einstiegspreis und die modulare Erweiterung optimal geeignet. „Üblicherweise empfehlen wir anfangs die Automatisierung von besonders einfachen, sich häufig wiederholenden Tätigkeiten, so überzeugt sich das Laborpersonal selbst vom Nutzen der Lösung und es regt gleichzeitig den Denkprozess an, was noch alles möglich ist“, sagt der CTO von Bahead. Er und seine Kollegen sehen ihr Unternehmen und die Robotik im Labor erst am Anfang und glauben, dass in wenigen Jahren – genau wie in anderen Industrien schon heute – die Roboter aus dem Alltag im Labor nicht mehr wegzudenken sein werden.

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