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Marion Annutsch

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E-Mail: marion.annutsch@yaskawa.eu.com

Allershausen, 27. März 2020

Automatisierte Labortests mit Robotern

Die aktuelle Lage zeigt: Das Gesundheitswesen stößt schnell an seine
Grenzen, wenn Laborkapazität fehlt, oder wenn die bestehenden TestInstallationen nicht flexibel genug umrüstbar sind für Testvariantenoder neue, abgewandelte Testverfahren. In dieser Situation bieten
Laborroboter eine wertvolle Alternative zur manuellen
Testdurchführung.
In der Industrie sind Roboter schon seit Langem etabliert. Doch auch inLaborumgebungen hält die Automation Einzug. In der Forschung undEntwicklung (Pharma, Chemie, Life Science und Bio- und Nuklearmedizin),
der Blutanalytik oder der individuellen Kosmetikherstellung setzt man schon
seit einigen Jahren erfolgreich auf Roboterlösungen, die so flexibel unduniversal einsetzbar sind, dass sie sich auch für klinische Infektionstestseignen. Neben der Entlastung des Laborpersonals bietet der Roboter dabei
hervorragende und wiederkehrende Prozessstabilität und Qualität.
Bei der robotergestützten Automatisierung eines Laborprozesses bieten
sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten:a) Die Teilautomatisierung, bei der der Roboter immer
wiederkehrende Handhabungstätigkeiten des Laborpersonals
durchführt und so eine Entlastung bringt. Der Roboter übernimmtHandhabungsaufgaben, die Prozessführung bleibt beim
Laborpersonal bzw. beim Analyseautomaten.
b) Die komplette Automatisierung des Testvorgangs, inklusive
Probenvorbereitung, Pipettierung, Testdurchführung einschließlichder Bedienung aller Analysegeräte durch den Roboter. Der Roboter- Seite 1 von 8 -übernimmt Prozessführung und Handhabungsaufgaben. Hierversucht man möglichst universell verwendbare StandardArbeitszellen aufzubauen, mit einem zweiarmigen Roboter als
zentralem Element, den man auf beliebige Laborausrüstung
umbauen und flexibel umprogrammieren kann. Eine solche Lösung
kann Laborprozesse 24 Stunden am Tag autark und mit höchster
Präzision und Wiederholgenauigkeit durchführen.
Wie schnell sind robotergestützte Automatisierungslösungeneinsetzbar?
Im Falle einer Teilautomatisierung, also wenn der Roboter zu
Handlingzwecken nachgerüstet werden soll, geht das mit kollaborativen
Robotern sehr schnell. Die Konzeption und Neuinstallation einer
vollautomatisierten Roboterzelle hingegen benötigt einige Monate. Wenneine solche Standard-Roboterzelle jedoch einmal installiert ist, die in Frage
kommenden Labor- und Analytikgeräte um den Roboter herum aufgebaut
sind, und wenn im Laufe der Zeit eine Bibliothek von Bewegungsmusterngewachsen und vorhanden ist, „dann können solche Zellen schnell undeinfach für neue Aufgaben umprogrammiert werden“, so Thomas Goldfuss,
Geschäftsführer der Firma Goldfuss Engineering, die bereits mehrere
Labor-Zellen mit Robotern von Yaskawa für namhafte Kunden umgesetzt
hat.

Die schnelle Lösung: Teil-Automatisierung von Handlingaufgaben mit
kollaborativem Roboter
Zur kurzfristigen Entlastung des Laborpersonals kann eine TeilAutomatisierung von Handlingaufgaben an vorhandenen manuellenTeststationen helfen. Der Roboter übernimmt wiederkehrende
Bewegungen und entlastet damit das qualifizierte Laborpersonal. Dafürbietet sich ein kollaborativer Roboter an, der im direkten Kontakt mit dem
Menschen eingesetzt werden und ohne Schutzzaun auskommen kann.
Ein solcher Roboter ist der MRK-fähige Motoman HC10DT von Yaskawa.
Für den Einsatz im Labor sind vor allem zwei Varianten des 6-Achsers
geeignet: der in der Schutzart IP67 ausgeführte und damit sowohl staub- Seite 2 / 8 -als auch wasserdichte HC10DT IP67 und der hygienegerecht ausgeführte
HC10DTF, dessen Betriebsstoffe/Getriebefette eine Lebensmittelzulassung
besitzen.
Mit dem Direct Teach (DT)-Verfahren führt man den Roboterarm einfach
von Punkt zu Punkt einer Bewegungssequenz. Mit Hilfe vorbelegter Tasten
am Roboter bestimmt man, ob ein Greifer an einer Position geöffnet odergeschlossen werden soll. Diese Bewegungssequenz speichert man in einer
Bibliothek ab, und der Roboter kann diese Sequenz beliebig oft
wiederholen. Dazu sind auch ein Bediener in der Lage, der kein RoboterProgrammierexperte ist.
Die vollautomatisierte Roboter-Arbeitsstation – mit dem zweiarmigen
Laborroboter CSDA10F
Ein speziell für die Laborautomatisierung entwickelter Roboter ist derzweiarmige Roboter Motoman CSDA10F von Yaskawa. Mit seiner
menschenähnlichen Statur und den beiden Armen, die sowohl individuell
als auch synchronisiert Bewegungen ausführen können, ist er dank
multifunktionaler Werkzeuge und Greifer ausgesprochen vielseitig
einsetzbar. Er arbeitet mit nahezu jeder vorhandenen StandardLaborausrüstung und ist in der Lage, mit herkömmlicher Laborausstattung
umzugehen, wie sie von Handarbeitsplätzen her bekannt sind: z. B.
Petrischalen, Handpipettierern, Inkubatoren oder Reaktionsgefäßen.
Automatisierungsgerechte Ausstattung, wie Pipettierer mitsamt teurer
Spitzen oder Mikrotiterplatten-Bahnhöfe sind zwar hinsichtlich einer
Durchsatzverbesserung hilfreich, aber nicht erforderlich.
Die vorhandenen Analytikgeräte werden, mitsamt ihrer
softwaretechnischen Anbindung, übernommen, so wie sie sind, auch wenn
sie eigentlich nicht für die klassische Automatisierung optimiert wurden. Sosind z. B. teure Liquid-Handling-Systeme – mit ihrem kostspieligen
Verbrauchsmaterial – nicht unbedingt erforderlich, da der Roboter dieseAufgabe direkt mit übernehmen kann. In seiner Labor-Arbeitsstation kannder Roboter eine Vielzahl von Aufgaben abarbeiten, die bisher dem
Menschen vorbehalten schienen, wie das Öffnen und Schließen vonbeliebigen Reaktionsgefäßen (es müssen nicht immer Mikrotiterplatten- Seite 3 / 8 -sein), das Pipettieren und das Dosieren von Flüssigkeiten oder Pulvern,das Herstellen von Nährlösungen mit Spateln, das Einstellen undHerausnehmen von Proben sowie das Öffnen, Befüllen und Schließen vonReaktionsgefäßen, sowie die Bedienung von Geräten wie Zentrifugen,Rüttlern oder Inkubatoren. Der CSDA10F eignet sich ausgezeichnet fürkomplexe, standardisierte Testabläufe nach gegebenen Protokollen, dieeigentlich für die manuelle Abarbeitung geschrieben wurden. Auch in derVerfahrensentwicklung, z. B. zur Definition, Absicherung und Optimierung
von Prozessschritten vor dem Upscaling des Durchsatzes in einer späteren
Produktionsstraße, ist der Dual-Arm-Roboter CSDA10F daher eineinteressante Lösung. In größeren Installationen ist er in Japan bereits in der
Biomedizin-Synthese (Cancer Drug Development) und in der chemischen
Analytik (Probenaufbereitung) im Einsatz.
Der CSDA10F basiert auf einem Roboter, der sich in derIndustrieautomation bereits bewährt hat. In dieser neuen Variante wurde erspeziell für die Hygieneanforderungen im Laborbereich ausgelegt, z.B.
durch eine besonders substanzresistente Lackierung, abwaschbares
Hygienic Design, H2O2-Sterilisation und Reinraumtauglichkeit gem. ISO
14644-1.
Das Einsatzspektrum des innovativen Roboters ist dank seiner hohen
Flexibilität breit gefächert – er kann schnell und einfach völlig neue
Arbeitsabläufe hinzulernen. Viele charakteristische Bewegungen(Pipettieren, „Eppi“ öffnen/schließen, Mikrotiterplatte handhaben, Inkubatoröffnen/schließen, Schraubverschlüsse von Flaschen öffnen/schließen)
wurden bereits standardisiert und werden bedarfsgerecht als Module ineiner Bewegungs-Bibliothek hinterlegt. Die Schnittstelle Mensch/Roboter,zur Bedienung und Visualisierung, kann über einen PC oder ein
Touchpanel realisiert werden. Das HMI wird entweder individualisiert, oderes wird eine Anbindung an vorhandene Workflow-Scheduling-Softwarevorgenommen (z.B. SAMI-EX von Beckman Coulter). Wenn die
Bewegungsprogramme einmal in der Bibliothek hinterlegt sind, muss derBediener kein Roboter-Experte sein; er komponiert und parametriert dannlediglich die einzelnen Prozessschritte seiner gewünschten Arbeitsfolge.
- Seite 4 / 8 -Fazit
Bislang galt die klassische Automation in Laboren häufig als zu unflexibelund zu sperrig. Doch heute sind einfach zu bedienende Robotermodelleverfügbar, die in der Lage sind, eine Vielzahl verschiedenster
Labortätigkeiten auszuführen. Sie können damit Arbeiten übernehmen, die
für den Menschen zu gefährlich oder aber auch zu monoton sind. Denn derEinsatz von Robotern garantiert auch bei der Verarbeitung einer großen
Anzahl von Proben eine exakte Reproduzierbarkeit der Arbeitsergebnisse.
Mit der Laborautomation lassen sich aber, gerade bei hohen Durchsätzen,nicht nur Zeit und Kosten sparen. Durch die unerreicht hohe Präzision
schafft sie neue Voraussetzungen für die Forschung an
Ausgangssubstanzen, deren Erzeugung bisher nicht ausreichend
prozesssicher oder reproduzierbar möglich war.

Autor und Kontakt:
Christopher Schneider,
Produktmanager Kollaborative Roboter
Yaskawa Europe GmbH – Robotics Division
Yaskawastr. 1 – 85391 Allershausen
Tel. +49-8166-90-0
robotics@yaskawa.eu.com
www.yaskawa.eu.com- Seite 5 / 8 -Bildunterschriften:
Gern senden wir Ihnen druckfähige Bilddaten – E-Mail genügt:
marco.voeroes@prospero-pr.deRoboter können im Labor viele Aufgaben erfüllen und damit Prozesse beschleunigen.
(Quelle: Yaskawa)

Ein speziell für die Laborautomatisierung entwickelter Roboter ist der Dual-Arm-Roboter
Motoman CSDA10F von Yaskawa. (Quelle: Yaskawa)- Seite 6 / 8 -Für die Teil-Automatisierung von Handlingaufgaben ist ein kollaborativer Roboter
erforderlich, der im direkten Kontakt mit dem Menschen eingesetzt werden kann. (Quelle:Yaskawa)In einem aktuellen Entwicklungsprojekt werden mit dem CSDA10F etwa ein Dutzend
Prozesse für die vollautomatische Produktion von Nanopartikeln verkettet ausgeführt.
(Quelle Anlage: Goldfuß engineering GmbH)- Seite 7 / 8 -Presse-Kontakt:
Marion AnnutschMarketing / PR / Communications
Yaskawa Europe GmbHP +49-8166-90-203
marion.annutsch@yaskawa.eu.com
www.yaskawa.eu.com
Über Yaskawa:
Yaskawa ist mit 480 Mrd. Yen (rund 3,8 Mrd. Euro) Jahresumsatz ein global agierenderTechnologielieferant im Bereich Robotik, Antriebs- und Steuerungstechnik sowie bei Lösungen imEnergiebereich. Gegründet 1915 in Japan, ist Yaskawa seit über 100 Jahren der Philosophie treu,
Produkte höchster Qualität zu liefern, und hat sich damit eine weltweite Spitzenposition erarbeitet. Dabei
hat sich Yaskawa vom Motorenhersteller zunächst zum Automatisierungsanbieter und schließlich überdas Industrie-4.0-Konzept i3-Mechatronics zum Lösungsanbieter weiterentwickelt.
Die Geschäftsaktivitäten von Yaskawa bestehen aus Drives (Frequenzumrichter GA700), Motion Control(Servoantriebe und Servomotoren Sigma-7, Maschinensteuerungen), Robotics (Motoman
Industrieroboter, Robotersysteme), System-Engineering (Generatoren und Konverter) sowie Information
Technology (Software-basierende Produkte). Seit 2012 umfasst das Yaskawa-Portfolio dabei auch
Steuerungstechnik, Visualisierungssysteme und Chip-Lösungen der ehemaligen VIPA GmbH inHerzogenaurach. Im Oktober 2019 wurde die Verschmelzung rechtskräftig abgeschlossen. Die Marke
Profichip wird seitdem bei Yaskawa als eigene Produktsparte „Profichip Embedded Solutions“
weitergeführt. Darüber hinaus wurde im Oktober 2014 das in den Bereichen Wind-, Schiffs- und Turbo/Industrieanwendungen tätige Unternehmen The Switch Engineering Ltd. von Yaskawa übernommen.
Damit ist Yaskawa weltweit eines von wenigen Unternehmen, das Komponenten und Lösungen für fast
alle Branchen aus einem Haus anbieten kann.
Mit umfangreichen Investitionen in Forschung und Entwicklung hat das Unternehmen eine Vielzahl vonErfindungen, Patenten und Innovationen hervorgebracht. Dieser technologische Anspruch hat dieGeschäftsbereiche zu einer bedeutenden Marktposition in verschiedenen Industrien geführt, darunter:
Maschinenbau und Anlagenbau (Verpackungsmaschinen, Pumpen/Kompressoren, Textilmaschinen,
Digitaldruckmaschinen, Herstellung von Kränen und Hebezeugen, Anlagen für Halbleiter- undElektronikfertigung, Maschinen zur Gewinnung und Bearbeitung von Holz, Glas, Metall, Steine/Erden)sowie in der Aufzugs-Industrie, im Fahrzeugbau und in der Montage- und Handhabungstechnik.
Industrieroboter der Marke Motoman finden zum Beispiel beim roboterbasierten Schweißen, in derLaborautomation, beim Verpacken und Handling sowie beim automatisierten Lackieren Anwendung.
Die Yaskawa Europe GmbH mit Sitz in Eschborn bei Frankfurt gliedert sich in die Geschäftsbereiche
Drives Motion Controls (Automatisierung, Antriebs- und Steuerungstechnik), Robotics (Industrieroboter,Systeme) und Environmental Energy (Umwelttechnik) und betreut die Märkte Europa, Afrika, Mittlerer
Osten sowie den Bereich der früheren Sowjetunion.
www.yaskawa.eu.com- Seite 8 / 8 -