Roboter beschleunigt Neuentdeckungen in der Mikrobiologie
Schneller zum Erreger
Peak Analysis & Automation (PAA) hat eine vollautomatische Arbeitszelle entwickelt, die das US-amerikanische Handelsministerium bei bakteriologischen Studien unterstützt. Herzstück ist ein Knickarmroboter mit eigener Näherungserkennung für sichere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine. Mit dem flexiblen System können Wissenschaftler das Wachstum mehrerer Bakterienkulturen parallel verfolgen, wodurch schnellere Neuentdeckungen zu erwarten sind. Auch das Kontaminationsrisiko sinkt.
Bild: Peak Analysis and Automation (PAA)Als Anbieter für Laborautomatisierung im Bereich Life Sciences ist PAA auf Lösungen zur Verbesserung und Rationalisierung von Test- und Messprozessen spezialisiert.
Bild: Peak Analysis and Automation (PAA)
Nährboden für Innovation
Die Prozessautomatisierung nimmt den Forschenden zeitaufwändige und repetitive Tätigkeiten ab, sodass sie sich auf die Analyse der Labordaten konzentrieren können. Im konkreten Fall bereitet das Robotersystem automatisch die Nährmedien für Bakterien vor, manipuliert die DNA der Organismen und erfasst deren Wachstumsraten sowie gegebenenfalls zugrunde liegende Muster. Die Arbeitszelle verfügt über ein laminares Reinluftsystem, das Verunreinigungen aus der Luft entfernt und die biologischen Proben und Instrumente innerhalb der Zelle vor Kontamination schützt. Die Lösung umfasst 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. Für die verschiedenen Stationen, die innerhalb der Arbeitszelle angeordnet sind, wurde eine automatisierte Pick&Place-Lösung benötigt, die die Proben ohne menschliches Zutun zu allen relevanten Prozessschritten befördert. Außerdem sollte die Zelle ein System für Hochdurchsatz-Screening umfassen, das es ermöglicht verschiedene Tests gleichzeitig durchzuführen. So können Leitstrukturen in einem Bruchteil der für manuelle Verfahren benötigten Zeit erkannt werden.
Bild: Peak Analysis and Automation (PAA)Bewegung innerhalb der Zelle
Bei den von Mitsubishi Electric gelieferten Komponenten handelt es sich um einen Sechsachs-Knickarmroboter der Serie Melfa RV und die dazugehörige Steuerung. Der Roboter ist auf einem Linearschlitten montiert, auf dem er zwischen den Stationen innerhalb der Zelle hin und her fahren kann. "Ein wesentlicher Fokus lag auf der Flexibilität", erklärt Neal Welch, Life Science Sales Manager bei Mitsubishi Electric. "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 Automatisierung überwunden wurde, war die Positionierung der Objekte innerhalb der Arbeitszelle. So arbeitet z.B. 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 Abweichungen 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 ausgerüstet.
Sichere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter
Die neue Zelle kann bei Bedarf Benachrichtigungen und Warnmeldungen ausgeben, etwa 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 Forscher und Bediener die Roboterzelle gefahrlos betreten bzw. hineingreifen können, wurden entsprechende Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt. "Um die Kapazität des Systems voll auszuschöpfen, haben wir eine Roboterlösung realisiert, die auch dann weiterläuft, wenn jemand die Zelle betritt", so Welch. "Der Roboter entfernt sich derweil und arbeitet an anderen Stationen weiter, an denen es nicht zu Kontakt mit dem Menschen kommen kann. Auf diese Weise werden Stillstandszeiten weitestgehend vermieden." 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. Das automatisierte Labor gewährleistet dabei besondere Umgebungsbedingungen für die Vermehrung der untersuchten Organismen. Durch die automatisierte und flexible Lösung können die Wissenschaftler das Kontaminationsrisiko in ihren Experimenten reduzieren und wesentlich schneller zu Standards und Messergebnissen gelangen als mit manuellen Methoden. Das beschleunigt wiederum Neuentdeckungen in der Industrie, an Hochschulen und öffentlichen Institutionen, die von der Arbeit am NIST profitieren. "Es freut uns besonders, dass dieses Projekt der Förderung des Fortschritts im Bereich der Mikrobiologie dient, der schließlich zu Durchbrüchen in der Gesundheitsforschung und Präzisionsmedizin führen kann", schließt Welch. Und wie wichtig das ist, macht die aktuelle Situation mehr als deutlich.
Nährboden für Innovation
Die Prozessautomatisierung nimmt den Forschenden zeitaufwändige und repetitive Tätigkeiten ab, sodass sie sich auf die Analyse der Labordaten konzentrieren können. Im konkreten Fall bereitet das Robotersystem automatisch die Nährmedien für Bakterien vor, manipuliert die DNA der Organismen und erfasst deren Wachstumsraten sowie gegebenenfalls zugrunde liegende Muster. Die Arbeitszelle verfügt über ein laminares Reinluftsystem, das Verunreinigungen aus der Luft entfernt und die biologischen Proben und Instrumente innerhalb der Zelle vor Kontamination schützt. Die Lösung umfasst 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. Für die verschiedenen Stationen, die innerhalb der Arbeitszelle angeordnet sind, wurde eine automatisierte Pick&Place-Lösung benötigt, die die Proben ohne menschliches Zutun zu allen relevanten Prozessschritten befördert. Außerdem sollte die Zelle ein System für Hochdurchsatz-Screening umfassen, das es ermöglicht verschiedene Tests gleichzeitig durchzuführen. So können Leitstrukturen in einem Bruchteil der für manuelle Verfahren benötigten Zeit erkannt werden.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Dieser Artikel erschien in ROBOTIK UND PRODUKTION 2 (Hannover Messe) 2020 - 16.04.20.Für weitere Artikel besuchen Sie www.robotik-produktion.de
