Geautomatiseerde laboratoriumtests met robots

Een robot die speciaal is ontwikkeld voor laboratoriumautomatisering is de dual-arm Motoman CSDA10F robot van Yaskawa. (Bron: Yaskawa)

Een robot die speciaal voor laboratoriumautomatisering is ontwikkeld, is de dual-arm Motoman CSDA10F van Yaskawa. (Bron: Yaskawa)

Voor de gedeeltelijke automatisering van handlingtaken is een collaboratieve robot vereist, die in direct contact met mensen kan worden ingezet. (Bron: Yaskawa) / Een collaboratieve robot is nodig voor de gedeeltelijke automatisering van handlingtaken. Deze kan in direct contact met mensen worden gebruikt. (Bron: Yaskawa)

Voor de gedeeltelijke automatisering van handlingtaken is een collaboratieve robot vereist, die in direct contact met mensen kan worden ingezet. (Bron: Yaskawa) / A collaborative robot is required for partial automation of handling tasks. It can be used in direct contact with humans. (Source: Yaskawa)

In een huidig ontwikkelingsproject worden met de CSDA10F ongeveer een dozijn processen voor de volledig automatische productie van nanodeeltjes achtereenvolgens uitgevoerd. (Bron: Goldfuss Engineering GmbH)

In een huidig ontwikkelingsproject worden met de CSDA10F ongeveer een dozijn processen voor de volledig automatische productie van nanodeeltjes achtereenvolgens uitgevoerd. (Bron: Goldfuss Engineering GmbH)

Robots kunnen in het laboratorium veel taken uitvoeren en processen versnellen. (Bron: Yaskawa) / Robots kunnen veel taken in het laboratorium uitvoeren en processen versnellen. (Bron: Yaskawa)

De huidige situatie toont aan: de gezondheidszorg stuit snel op haar grenzen wanneer labcapaciteit ontbreekt, of wanneer de bestaande testinstallaties niet flexibel genoeg zijn om te worden aangepast voor testvarianten of nieuwe, gewijzigde testmethoden. In deze situatie bieden laboratoriummachines een waardevol alternatief voor handmatige testuitvoering.

In de industrie zijn robots al lange tijd ingeburgerd. Maar ook in laboratoriumomgevingen wint automatisering terrein. In onderzoek en ontwikkeling (farmacie, chemie, life sciences en bio- en nucleaire geneeskunde), bloedanalyse of de productie van persoonlijke cosmetica wordt al sinds enkele jaren succesvol gebruik gemaakt van robotoplossingen die zo flexibel en universeel inzetbaar zijn dat ze ook geschikt zijn voor klinische infectietests. Naast het ontlasten van het laboratoriumpersoneel bieden de robots uitstekende en herhaalbare processtabiliteit en kwaliteit.

Bij robotgestuurde automatisering van een laboratoriumproces bieden zich in principe twee mogelijkheden aan:

a) De gedeeltelijke automatisering, waarbij de robot steeds terugkerende handelingen van het laboratoriumpersoneel uitvoert en zo ontlasting biedt. De robot neemt handlingtaken over, terwijl de procesleiding bij het laboratoriumpersoneel of de analyseautomaat blijft.
b) De volledige automatisering van het testproces, inclusief monsters voorbereiding, pipetteren, testuitvoering inclusief bediening van alle analysetoestellen door de robot. De robot neemt procesleiding en handlingtaken over. Hier wordt geprobeerd zo universeel mogelijk inzetbare standaardwerkcellen op te bouwen, met een twee-armige robot als centraal element, die kan worden omgebouwd en flexibel geprogrammeerd voor verschillende laboratoriumuitrustingen. Een dergelijke oplossing kan laboratoriumprocessen 24 uur per dag autonoom en met de hoogste precisie en reproduceerbaarheid uitvoeren.

Hoe snel kunnen robotgestuurde automatiseringsoplossingen worden ingezet?

In het geval van gedeeltelijke automatisering, dus wanneer de robot wordt aangepast voor handlingdoeleinden, gaat dat zeer snel met collaboratieve robots. Het ontwerp en de herinstallatie van een volledig geautomatiseerde robotcel vergt echter enkele maanden. Als zo'n standaard robotcel eenmaal is geïnstalleerd, de daarvoor geschikte laboratorium- en analysetoestellen rondom de robot zijn opgebouwd, en er in de loop van de tijd een bibliotheek van bewegingspatronen is gegroeid en aanwezig is, "dan kunnen dergelijke cellen snel en eenvoudig worden omgeprogrammeerd voor nieuwe taken", aldus Thomas Goldfuss, directeur van Goldfuss Engineering, dat al meerdere laboratoriummodules met robots van Yaskawa heeft gerealiseerd voor gerenommeerde klanten.

De snelle oplossing: gedeeltelijke automatisering van handlingtaken met collaboratieve robot

Voor de korte termijn ontlasting van het laboratoriumpersoneel kan een gedeeltelijke automatisering van handlingtaken op bestaande handmatige teststations helpen. De robot neemt terugkerende bewegingen over en ontlast daarmee gekwalificeerd laboratoriumpersoneel. Hiervoor is een collaboratieve robot geschikt, die direct in contact met de mens kan worden ingezet en zonder veiligheidshek kan functioneren.

Zo'n robot is de MRK-geschikte Motoman HC10DT van Yaskawa. Voor gebruik in het laboratorium zijn vooral twee varianten van de 6-assige robot geschikt: de in IP67 beschermingsklasse uitgevoerde en daarmee stof- en waterdichte HC10DT IP67 en de hygiënevriendelijke HC10DTF, waarvan de werkstoffen/versnellingsbakvetten een levensmiddelenstatus hebben.

Met de Direct Teach (DT)-methode voert men de robotarm eenvoudig van punt naar punt in een bewegingsvolgorde. Met behulp van vooraf ingestelde knoppen op de robot bepaalt men of een grijper op een positie geopend of gesloten moet worden. Deze bewegingsvolgorde wordt opgeslagen in een bibliotheek, en de robot kan deze sequentie onbeperkt herhalen. Ook een operator zonder robotprogrammeerkennis kan dit uitvoeren.

De volledig geautomatiseerde robotwerkplek – met de twee-armige laboratoriummodule CSDA10F

Een speciaal voor laboratoriumautomatisering ontwikkelde robot is de twee-armige robot Motoman CSDA10F van Yaskawa. Dankzij zijn mensachtige bouw en de twee armen, die zowel individueel als gesynchroniseerd bewegingen kunnen uitvoeren, is hij dankzij multifunctionele gereedschappen en grijpers bijzonder veelzijdig inzetbaar. Hij werkt met vrijwel elke bestaande standaard laboratoriumuitrusting en kan omgaan met gebruikelijke laboratoriummaterialen zoals petrischaaltjes, handpipetten, incubatoren of reactievaten. Automatiseringsvriendelijke uitrusting, zoals pipetteersystemen met dure tips of microtiterplaatstations, is weliswaar nuttig voor het verhogen van de doorvoer, maar niet noodzakelijk.

De aanwezige analysetoestellen worden, inclusief hun softwarematige koppeling, overgenomen zoals ze zijn, ook als ze niet specifiek voor klassieke automatisering zijn ontworpen. Zo zijn bijvoorbeeld dure vloeistofhandling-systemen – met hun kostbare verbruiksmaterialen – niet per se nodig, omdat de robot deze taak direct kan overnemen. In zijn laboratoriumwerkplek kan de robot een breed scala aan taken uitvoeren die voorheen voorbehouden waren aan mensen, zoals het openen en sluiten van reactievaten (het hoeven niet altijd microtiterplaten te zijn), pipetteren en doseren van vloeistoffen of poeders, het maken van voedingsoplossingen met spatels, het instellen en verwijderen van monsters, en het openen, vullen en sluiten van reactievaten, evenals het bedienen van apparaten zoals centrifuges, schudders of incubatoren. De CSDA10F is uitstekend geschikt voor complexe, gestandaardiseerde testprocedures volgens vastgestelde protocollen, die oorspronkelijk voor handmatige uitvoering waren bedoeld. Ook in procesontwikkeling, bijvoorbeeld voor het definiëren, valideren en optimaliseren van processtappen voorafgaand aan de opschaling in een latere productiefase, is de dual-arm robot CSDA10F een interessante oplossing. In grotere installaties wordt hij in Japan al ingezet in biomedische synthese (kankerdrugontwikkeling) en chemische analyse (monstervoorbereiding).
De CSDA10F is gebaseerd op een robot die al in de industriële automatisering zijn waarde heeft bewezen. In deze nieuwe variant is hij speciaal ontworpen voor hygiëne-eisen in het laboratorium, bijvoorbeeld door een bijzonder substantiebestendige coating, wasbaar hygienisch ontwerp, H2O2-sterilisatie en cleanroomgeschiktheid volgens ISO 14644-1.

Het toepassingsbereik van de innovatieve robot is dankzij zijn hoge flexibiliteit breed – hij kan snel en eenvoudig geheel nieuwe werkprocessen leren. Veel karakteristieke bewegingen (pipetteren, "Eppi" openen/sluiten, microtiterplaat hanteren, incubator openen/sluiten, schroefdoppen van flessen openen/sluiten) zijn al gestandaardiseerd en worden als modules in een bewegingsbibliotheek opgeslagen. De interface mens/robot, voor bediening en visualisatie, kan via een pc of een touchpanel worden gerealiseerd. De HMI wordt ofwel gepersonaliseerd, of er wordt een koppeling gemaakt met bestaande workflow-schedulingsoftware (bijvoorbeeld SAMI-EX van Beckman Coulter). Zodra de bewegingsprogramma's eenmaal in de bibliotheek zijn opgeslagen, hoeft de operator geen robotexpert te zijn; hij stelt alleen de afzonderlijke processtappen samen en parametriseert deze voor de gewenste werkvolgorde.

Conclusie

Tot nu toe werd de klassieke automatisering in laboratoria vaak als te inflexibel en te log beschouwd. Maar tegenwoordig zijn gebruiksvriendelijke robotmodellen beschikbaar die in staat zijn een breed scala aan laboratoriumactiviteiten uit te voeren. Ze kunnen taken overnemen die voor mensen te gevaarlijk of te eentonig zijn. Want het inzetten van robots garandeert ook bij het verwerken van een groot aantal monsters een exacte reproduceerbaarheid van de werkresultaten. Met laboratoriumautomatisering kunnen niet alleen tijd en kosten worden bespaard, vooral bij hoge doorvoercapaciteit. Door de ongeëvenaarde hoge precisie creëert het nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar uitgangsstoffen, waarvan de productie tot nu toe niet voldoende procesveilig of reproduceerbaar kon worden uitgevoerd.