Automatisierung im Labor 30. Mrz 2020 Von Martin Ciupek

Wie Roboter bei Corona-Tests helfen können

Zuverlässige Tests auf das Coronavirus Sars-CoV-2 sind aufwendig und erfordern zahlreiche Wiederholungen in den Prozessen. Roboter könnten das Personal in den Laboratorien dabei entlasten.

Der Dual-Arm-Roboter wurde speziell für die Laborautomatisierung entwickelt. Er arbeitet mit der Laboraussattung die auch bei manuellen Vorgängen vom Menschen genutzt wird.
Foto: Yaskawa

Noch mehr Tests sollen schnell Klarheit über die Verbreitung des Coronavirus und auch die Immunisierung bereits Erkrankter liefern. Doch die zuverlässigsten Tests sind aufwendig und Labore arbeiten bereits mit hoher Auslastung. Wenn Roboter zumindest Teilprozesse übernehmen, könnte damit das Laborpersonal entlastet werden. Für den Aufwand sorgt das bei der Suche nach Viren bevorzugte Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion – kurz PCR. Der Prozess dient dazu, einen Teil des im DNA-Strang abgebildeten Erbgutes zu vervielfältigen, um diesen schließlich zu analysieren. Üblicherweise erfolgt das in 20 bis 50 Zyklen, in denen die Lösung mit der Probe mehrfach erwärmt und abgekühlt wird. Das Enzym DNA-Polymerase sorgt dabei für eine künstliche Vervielfältigung der Erbgutinformation. Dazu werden die flüssigen Lösungen mehrfach pipettiert und in Reaktionsgefäße gefüllt – meist mehrere gleichzeitig. Anschließend geht es in sogenannte Thermocycler, deren Heizblöcke für die passende Temperatur sorgen. Mitarbeiter im Labor protokollieren jeden dieser Pipettierprozesse.

Teil- oder Vollautomatisierung sind denkbar

Genau diese monotonen Prozesse bieten sich zur Automatisierung an. Dabei sind zwei Automatisierungsstufen denkbar: einerseits die Teilautomation einzelner Prozessschritte und andererseits die Komplettautomation vom Pipettieren und Dokumentieren bis hin zur Analyse der Probe. Unterschiedliche Roboterhersteller, zumeist aus Asien, haben in Laboranwendungen bereits kleine Knickarmroboter im Einsatz. Doch diese sind meist speziell für die Anforderungen der Kunden entwickelt und auf den Einsatzbereich angepasst. Corona-Labore damit kurzfristig nachzurüsten erscheint somit nicht sinnvoll, da schnell Lösungen benötigt werden. Größere Potenziale für eine kurzfristige Integration in bestehende Umgebungen bieten hier Zweiarmlösungen, die von ihren Bewegungsmustern alle Arbeiten übernehmen können, die sonst der Mensch ausführt.

Die Teilautomation mit kollaborierenden Robotern ist die schnellste Möglichkeit, Handlingaufgaben im PCR-Testverfahren zu erledigen. Statt eine komplette Roboterzelle zu entwickeln, was oft einige Monate dauert, können diese in den Prozess integriert werden. Die Roboter übernehmen dann wiederkehrende Bewegungen und entlastet damit das qualifizierte Laborpersonal. Kollaborative Roboter können dazu im direkten Kontakt mit dem Menschen eingesetzt werden und ohne Schutzzaun arbeiten. Sie müssen im Gegensatz zu typischen Industrierobotern nicht aufwendig angelernt werden. Stattdessen reicht es den Roboterarm einfach von Punkt zu Punkt einer Bewegungssequenz zu führen. Mithilfe vorbelegter Tasten am Roboter kann dabei bei vielen Modellen bestimmt werden, ob ein Greifer an einer Position geöffnet oder geschlossen werden soll. Fachleute sprechen bei diesem Vorgang von teachen, also anlernen. Die Bewegungssequenz wird schließlich in einer Bibliothek abgespeichert. Der Roboter kann diese Sequenz beliebig oft wiederholen.

Anders sieht es aus, wenn bereits standardisierte Roboterzellen im Labor eingesetzt werden, die infrage kommenden Labor- und Analytikgeräte um den Roboter herum aufgebaut sind und im Laufe der Zeit eine Bibliothek von Bewegungsmustern gewachsen und vorhanden ist. „Dann können solche Zellen schnell und einfach für neue Aufgaben umprogrammiert werden“, berichtet Thomas Goldfuss, Geschäftsführer der Firma Goldfuss Engineering. Das Unternehmen hat bereits mehrere Laborzellen mit Robotern von Yaskawa für namhafte Kunden umgesetzt.

Vorkonfigurierte Lösungen komplett einbinden

Speziell für die Laborautomatisierung entwickelt wurde beispielsweise der zweiarmige Roboter Motoman CSDA10F von Yaskawa. Mit seiner menschenähnlichen Statur und den beiden Armen, kann er sowohl individuelle als auch synchronisierte Bewegungen ausführen. Mit multifunktionalen Werkzeugen und Greifern ist er in der Lage mit jeder vorhandenen Standardlaborausrüstung umzugehen, wie sie an Handarbeitsplätzen verwendet wird. Das sind allgemein z. B. Petrischalen, Handpipettierer, Inkubatoren oder Reaktionsgefäße. Eine automatisierungsgerechte Ausstattung, wie Pipettierer mitsamt spezieller Spitzen oder Mikrotiterplatten-Bahnhöfe ist laut Hersteller zwar hinsichtlich einer Durchsatzverbesserung hilfreich, aber nicht erforderlich.

Die Lösung ist so konzipiert, dass die vorhandenen Analytikgeräte mitsamt ihrer softwaretechnischen Anbindung übernommen werden können. Laut Yaskawa gilt das auch für Geräte, die eigentlich nicht für die klassische Automatisierung optimiert wurden. So sind z. B. teure Liquid-Handling-Systeme – mit ihrem kostspieligen Verbrauchsmaterial – nicht unbedingt erforderlich, da der Roboter diese Aufgabe direkt mit übernehmen kann. In seiner Laborarbeitsstation erledigt der Roboter dann auch eine Vielzahl von Aufgaben, die bisher dem Menschen vorbehalten schienen. Er öffnet und schließt beliebige Reaktionsgefäße, pipettiert und dosiert Flüssigkeiten, entnimmt Proben und bedient Geräte wie Zentrifugen, Rüttler oder Inkubatoren. In größeren Installationen ist er laut Hersteller in Japan bereits in der Biomedizinsynthese und in der chemischen Analytik bei der Probenaufbereitung im Einsatz. Der Roboter basiert auf einem Modell, dass sich in der Industrieautomation bereits bewährt hat. Für den neuen Anwendungsbereich wurde er speziell für die Hygieneanforderungen im Labor ausgelegt. Dazu gehört unter anderem eine besonders substanzresistente Lackierung sowie ein abwaschbares und für die Sterilisation geeignetes Design (Hygenic).

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