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Automatisierung

Fliegender Wechsel mit Anabel

Immer weniger Labortechniker hantieren noch mit Reagenzglas und Pipette. Roboter übernehmen einen Großteil der Arbeiten vom Wirkstoff-Screening bis zur systematischen Substanzanalyse. Die Umstellung manueller Tätigkeiten auf automatische Abläufe allerdings ist arbeitsintensiv und damit teuer. Ein einfacher Systemwechsel kommt deshalb wie gerufen. 

Der Einsatz von Automatisierungstechnik und Robotern in medizinischen Aufgabenfeldern nimmt zu, kennt aber auch zahlreiche Handicaps, die es zu bewältigen gilt. Eine der Hürden ist die Programmierung der Automaten, die vor allem ungeübte Benutzer abschreckt. Lange Entwicklungszeiten sind keine Ausnahme. Schon in einem einfachen Pipettierroboter, der mit mehreren Mikrotiterplatten selbstständig umgehen muss, steckt viel Programmierarbeit, damit das Gerät jede Plattenpositionen exakt ansteuert.

In den Labors nimmt der Zeitdruck zum Testen oder Analysieren von Proben ständig zu. Ein Grund mehr, manuelle Abläufe auf die automatisierte Prozessierung von Laborarbeiten umzustellen. Dabei kommt es nicht nur auf den hohen Durchsatz von Analyseproben an. Automatisierungslösungen müssen auch einfach zu handhaben und flexibel einsetzbar sein. Den Weg dazu ebnet das Basissystem Anabel des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT im saarländischen St. Ingbert. Die softwaregestützte Arbeitsplattform, die in der IBMT-Außenstelle in Potsdam entwickelt wurde, ist so ausgelegt, dass sie verschiedene manuell ausgeführte Standardarbeitsabläufe im Labor direkt in die Automatisierungsumgebung integriert.

Grundlage des Systems ist ein eingehauster 6-Achs-Knickarmroboter, der über eine von Fraunhofer-Experten entwickelte Schnittstelle auf Basis des gängigen Internetprotokolls TCP/IP kommuniziert und so für beliebige Programmier-Hochsprachen zugänglich ist. Das bedeutet, dass Anwender dem Roboter mit einfachen Scriptsprachen oder jeder anderen Programmiersprache alles beibringen können, wozu sonst spezielle Roboter-Programmierungen nötig sind. Ein besonderes Augenmerk legten die Entwickler auf die Verwendung von üblichen Arbeitsmitteln. Anabel kommt mit herkömmlichen Werkzeugen ebenso zu recht, wie mit gängigen Verbrauchsmaterialien. So können beispielsweise über einen pneumatischen Wechselflansch aus dem Maschinenbau verschiedene elektrische Pipetten vollautomatisch vom System gewechselt, angesteuert und zusammen mit Standardpipettenspitzen verwendet werden.

Der pneumatische Wechselflansch nimmt nahezu jedes Werkzeug aus dem Laborbetrieb auf. Zur Steuerung stehen 15 elektrische und sieben pneumatische Verbindungen zur Verfügung. Diese Grundeigenschaft des Systems ermöglicht zum Einen den Wechsel von einer manuellen Entwicklung zur automatisierten Anwendung unter Beibehaltung der Arbeitsmaterialien und stellt zum Anderen genau deshalb den schnellsten und kostengünstigsten Weg dazu dar. Die Arbeitsatmosphäre im Innenraum der Arbeitszelle lässt sich über ein Laborabzugssystem beeinflussen. Im Dach der Einhausung strömt die Zuluft über ein Wechselfiltersystem in den Innenbereich und verteilt sich gleichmäßig über die gesamte Arbeitsfläche. Bis zu acht weitere Geräte oder Stationen können mit individuell geregeltem Unterdruck versorgt werden. Die Arbeitsfläche selbst besteht aus einem chemisch besonders widerstandsfähigen Kunststoff und ist mit einem gleichmäßigen Lochraster zur vereinfachten Probenpositionierung versehen. Die Kunststoffplatten vierteln die Arbeitsfläche und sind zum schnellen Wechsel experimenteller Aufbauten einzeln austauschbar. Unter der Arbeitsfläche befinden sich Edelstahlwannen mit Abfluss und Absaugung zur Aufnahme ungeplant ausgetretener Flüssigkeiten oder Substanzen.

Auch daran haben die Anabel-Entwickler gedacht: Damit bei einer Neubeschickung der Arbeitszelle der Betrieb aufrechterhalten bleibt, drückt der Labortechniker auf einen Knopf. Ein Teil der Arbeitsfläche fährt dann als Schublade nach Außen. Dabei wird die Öffnung zur Sicherheit und zum Erhalt des Unterdrucks durch einen Schieber automatisch verschlossen. Der Roboter spult sein Arbeitspensum ungehindert weiter ab, während neues Probenmaterial per Schubfach nachkommt. Für die Ver- und Entsorgung größerer Flüssigkeitsmengen, beispielsweise während einer Bibliothekssynthese, stehen unterhalb der Arbeitsfläche zwei große, mit Edelstahl ausgekleidete Schwerlastschubladen zur Verfügung.

Die Arbeitszelle ist rundum mit Glasscheiben von der Umgebung abgeschirmt. Der Arbeitsautomat ist folglich für das Bedienpersonal gut sichtbar. Geht es um schwierigere Greif- und Handlingaufgaben, muss der Anwender nicht gleich in neue Geräte investieren. Anabel lässt sich ohne weiteres mit einer robotischen Dreifingergreifhand ausstatten. Kupplung und Schnittstelle sind bereits vorhanden. Ein taktiles Sensorsystem mit etwa 200 Sensorpunkten an jedem der sechs Fingerelemente überwacht die eingesetzte Kraft und bietet so die Möglichkeit unterschiedlich schwere und dimensionierte Objekte sicher zu handhaben.

Als eine der ersten praktischen Anwendungen werden zurzeit kontinuierlich ablaufende Bibliothekssynthesen implementiert. Die hohe Flexibiltät des Gesamtsystems ermöglicht zusammen mit einer intelligenten Ablaufsteuerung der Synthesen die diskrete Behandlung jeder einzelnen Synthese. Das breite Einsatzspektrum von Anabel gegenüber den Standardlösungen mit begrenzter Funktionalität freilich hat auch seine Grenzen. Den enormen Durchsatz von spezialisierten High-Throughput-Screening-Portalen erreicht die Laborarbeitsplattform aus St.Ingbert nicht. Die Stärke liegt vielmehr darin, auch bei manipulationsintensiven Arbeiten eine hohe Zuverlässigkeit und konstante Qualität bei maximaler Flexibilität zu erreichen.