Smarte Roboter im Labor – für automatisiertes Probenhandling

Medizinische Labore sind mit einem erheblichen Fachkräftemangel konfrontiert. 

Verschärft wird diese Situation durch den demografischen Wandel: Über zwei Drittel der Fachärztinnen und Fachärzte für Laboratoriumsmedizin in Deutschland sind älter als 50 Jahre. In den Krankenhäusern befindet sich ein Viertel der medizinisch-technischen Assistenten (MTA) in diesem Alter, rund die Hälfte ist mindestens 45 Jahre alt. Entsprechend geht in absehbarer Zeit ein Großteil des Personals in den Ruhestand. Zudem steigt in einer alternden Gesellschaft der Bedarf an medizinischen Untersuchungen und somit auch an Prüfkapazitäten. Schon jetzt werden für das Handling von 4.500 Proben pro Schicht in der Regel 8 Personen benötigt. 87 % der deutschen Labore verfügen allerdings schon jetzt nicht über eine ausreichende Zahl an Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Wer wird sich also bald um die Bearbeitung der Laborproben kümmern?

Folglich herrscht dringender Handlungsbedarf, Antworten auf diese Herausforderung zu finden. Genau hier setzt die smarte Roboterzelle ASR600 an, die das Münchner Unternehmen robominds entwickelt hat. Im Zentrum steht die auf künstlicher Intelligenz basierende robobrain® Technologie, die in Kombination mit den passenden Komponenten der Technologiepartner Universal Robots, item, Zimmer Group und SICK eine ganzheitliche Lösung bilden. Dadurch erfährt die Erkennung und Sortierung von Proben eine flexible, smarte Automatisierung – ganz ohne Programmieraufwand und damit verbundene Einstiegshürden.

Mit Intelligenz, Sehvermögen und Skills: So smart können Cobots sein

Die Mission des 2016 gegründeten Unternehmens mit aktuell rund 30 Mitarbeitern lautet „Every robot needs a brain“. Damit ist Folgendes gemeint: „Wir geben Robotern ein Gehirn und die Fähigkeit, zu sehen. Dadurch schaffen wir es, Robotik niederschwellig zu machen. Man muss nicht programmieren können, jede und jeder kann das bedienen“, sagt Christian Fenk, Chief Sales Officer von robominds. Hierbei prägt das robominds-Team ein Verständnis von Innovation, dass eine Technologie erst innovativ ist, wenn sie nicht nur grundsätzlich möglich, sondern ohne Spezialkenntnisse einsetzbar ist. So ist es auch bei der Technologie von robominds: Im Mittelpunkt steht das robobrain® – eine KI-basierte Steuerungsplattform, das dem Roboter sein „Gehirn“, also Intelligenz verleiht. Optischen Input erlangt er durch sein „Auge“, die industrielle 2D/3D-Kamera robobrain.eye. Während die Hand-Auge-Koordination lange Zeit eine große Hürde für Roboter darstellte, verleihen die Anwendungen von robominds Cobots die Fähigkeit, Objekte wahrzunehmen, zu erkennen und zu greifen. Dies setzt natürlich die passenden Endeffektoren voraus, wobei die Produkte von robominds herstellerunabhängig sind und sich mit beliebiger Hardware kombinieren lassen.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass die Cobots im Vorfeld nicht angelernt werden müssen, da die KI-Skills bereits vortrainiert und damit sofort einsatzbereit sind.

Vervollständigt wird das Trio der Produktpalette für intelligente Robotik durch die robobrain.skills. Dabei handelt es sich um individuelle Fähigkeiten für Roboter, um bestimmte Aufgaben zu erledigen. So sind beispielsweise der Smart Item Detection Skill (generische Teilerkennung von kleinen bis mittelgroßen Objekten), Smart Parallel Picking Skill (Erkennung kleiner bis mittelgroßer Teile und Handling mit Zweifingergreifern) und der Sample Tube Detection Skill (Erkennung und Sortierung von Proben in einem Rack nach Größe und Farbe) verfügbar. Letzterer wurde für die Roboterzelle ASR600 entwickelt. Gleichzeitig lassen sich die Skills flexibel und individuell anpassen. Dank dieses Zusammenspiels werden Aufgaben ganz ohne Programmierkenntnisse automatisiert. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass die Cobots im Vorfeld nicht angelernt werden müssen, da die KI-Skills bereits vortrainiert und damit sofort einsatzbereit sind.

Weitere Informationen zur Laborautomatisierung mithilfe von KI und Robotik finden Sie in einem Beitrag auf dem Blog von robominds.

Smarte, flexible Roboter spielen im Labor ihre Vorteile aus

Für eine effiziente und zuverlässige Gesamtlösung bedarf es der richtigen Kombination der einzelnen Komponenten sowie ihrer Interaktion. Neben dem robobrain® als Steuerungsbasis kommen bei der ASR600 Produkte der Baureihe XMS von item für die Einhausung, zwei Cobots UR5e von Universal Robots, Sicherheitstechnik von SICK und Greifer der Zimmer Group zum Einsatz. „Unser zentraler Beitrag war ein eigens trainiertes Netzwerk, das darauf optimiert ist, Blut-, Urin-, Stuhl- und Gewebeproben zu sortieren und zu vereinzeln“, ergänzt Herr Fenk. Mit „Vereinzelung“ ist gemeint, dass verschiedene Probentypen mit unterschiedlichen Kappenfarben vorliegen, die es zu erkennen und zu sortieren gilt. Aufgrund der zahlreichen Arten von Röhrchen, die zudem genormt sind, ergibt sich ein hoher Grad an Komplexität. In der Regel verarbeiten Labore 34 verschiedene Probentypen. Dies machte eine standardisierte Automatisierung zuvor unmöglich.

Zusätzlich sind die Cobots jeweils mit einem Barcodescanner ausgestattet. Damit ist zweierlei gewährleistet: Zum einen werden Patientendaten korrekt zugeordnet, zum anderen erfolgt eine Überprüfung der Code-Qualität.

Bei der Roboterzelle für automatisiertes Probenhandling im Labor ist das anders: Die Cobots sind dank ihrer Fähigkeiten, die ihnen die KI verliehen hat, in der Lage, das Vereinzeln eigenhändig zu übernehmen und flexibel zu reagieren. Somit lassen sich pro Stunde bis zu 600 Proben bearbeiten. Unterstützt werden Probendurchmesser von 5 bis 80 mm. Zusätzlich sind die Cobots jeweils mit einem Barcodescanner ausgestattet. Damit ist zweierlei gewährleistet: Zum einen werden Patientendaten korrekt zugeordnet, zum anderen erfolgt eine Überprüfung der Code-Qualität. So lässt sich direkt sicherstellen, dass die separate Testanlage im Labor, die ebenfalls automatisiert ist, später die Barcodes verarbeiten kann. In diesem Sinne fungiert die Zelle auch als Quality Gate, das über die Übergabe an den nächsten Prozessschritt entscheidet. Die Nutzung durch Labormitarbeitende ist dank der benutzerfreundlichen Bedienoberfläche so einfach, dass jede und jeder die ASR600 ohne Robotik-Vorkenntnisse bedienen kann.

Mit modularer Bauweise von item für alle Anforderungen bestens aufgestellt

Für eine geschlossene Roboterzelle in Form einer Maschinenkabine entschied man sich vor allem aus Gründen der Sicherheit und Hygiene. Hier konnte die Baureihe XMS ihre Vorteile ausspielen. Dazu zählen auch integrierte Kabelkanäle und reinigungsfreundliche Oberflächen, was die Profile XMS grundsätzlich zur perfekten Basis von Maschinenkabinen für die Reine Produktion macht. Hinzu kam die modulare Bauweise, die alle item Profile auszeichnet. Christian Fenk ist von ihren Qualitäten überzeugt: „Mit item verfüge ich über ein hervorragendes Baukastensystem. Ich kann meine Konstruktion höher, kleiner, dicker oder dünner machen – und an den individuellen Prozess anpassen. So kann ich die mechanische Welt sehr schnell und einfach dort hinbringen, wo und wie es mein Laborkunde benötigt. Das ist sehr angenehm.“ Aufgrund ihrer Modularität lässt sich die Roboterzelle einfach an den individuellen Anforderungen im Labor ausrichten. Hierbei kommt es vor allem auf die Türdurchgangsmaße sowie den Durchsatz an. Anpassungen sind jederzeit möglich und denkbar leicht. Falls etwa doch nur ein einziger Cobot gebraucht wird, kann ein Exemplar mit wenigen Handgriffen entfernt und der benötigte Cobot neu platziert werden. Die KI passt sich automatisch an die Veränderungen an – hier zeigt sich die Harmonie zwischen den Lösungen von robominds und item auf exemplarische Weise.

Das Tolle an item ist, dass auch Sonderwünsche passgenau ankommen. Dann schraubt man das vor Ort einfach zusammen. Somit war die Zelle in Windeseile aufgebaut.

Auch bei anderen Projekten setzt robominds auf den Baukasten für Roboter-Lösungen von item. Hierbei greift man gerne auf Unternehmen aus dem Netzwerk der item pluspartner zurück: „Bei jedem Projekt kann ich mich auf die gleiche Qualität verlassen. Wir entwickeln die Intelligenz des Roboters und mit der Partnerlandschaft können wir sie dann integrieren und das Ganze skalieren. Zugleich haben die Kunden einen lokalen Partner und Support. Bei der Roboter-Hardware machen wir es übrigens genauso“, sagt Christian Fenk. Im Fall der Roboterzelle für Labore wandte man sich nach einem eigenen Vordesign mithilfe des item Engineeringtools direkt an item. Der Zelle wurde im Zuge dieser Kooperation der letzte Schliff verliehen. „Das Tolle an item ist auch, dass Sonderwünsche ebenfalls passgenau ankommen. Somit war die Zelle innerhalb kurzer Zeit aufgebaut. Hinzu kamen noch die Roboter und Montageplatten, damit die Roboter auf das Standardprofil passen“, berichtet Herr Fenk.

Premiere auf der analytica für die neue Form der Laborautomatisierung

Auf der analytica, der Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie, stellte robominds die Roboterzelle vom 21.06. bis 24.06.2022 der Fachöffentlichkeit vor. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in medizinischen Laboren, sondern auch in vielen verwandten Bereichen ein großer Bedarf an Automatisierung besteht. Unternehmen hatten sich im Vorfeld detailliert informiert und kamen mit konkreten Anliegen an den Messestand. So wurden auf der Messe erste Projekte für Abwasserproben, Lebensmitteltests und die Analyse von Hefekulturen für eine Brauerei initiiert. Christian Fenk hebt die Relevanz der Thematik hervor: „Anhand der intensiven Gespräche zeigt sich eben auch der starke Bedarf der verschiedenen Branchen. Und das Entscheidende ist, dass die KI verstanden hat, was eine Probe ist und was sie damit machen soll. Dabei kommt es nicht darauf an, ob eine Blut- oder Gewässerprobe vorliegt. Hier muss nichts umprogrammiert werden.“ Man darf also gespannt sein, welche Robotik-Anwendungen in diesem Umfeld noch entstehen werden.

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