Intelligente robots voor gerichte bestrijding van virussen en bacteriën

In het project MobDi worden desinfectierobots ontwikkeld voor gebruik in gebouwen en in vervoermiddelen. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez en Fraunhofer IMW/Grafiek: Stefanie Irrler

Mobiele Desinfectie – MobDi © Fraunhofer IPA

Servicerobots kunnen bijdragen aan het regelmatig en met constante hoge kwaliteit reinigen en desinfecteren van gebouwen en vervoermiddelen. Sinds oktober 2020 werken twaalf instellingen van de Fraunhofer-Gesellschaft aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor dit toepassingsgebied. Onder leiding van het Fraunhofer IPA bundelen de partners in het onderzoeksproject »Mobile Desinfection« (MobDi) hun expertise om bij te dragen aan een veilig »New Normal« in pandemietijden. Het project maakt deel uit van het actiepogramma »Fraunhofer vs. Corona«.

Een sleutelfactor in de strijd tegen COVID-19 is het minimaliseren van het besmettingsgevaar. Dit wordt aangepakt in het project »Mobile Desinfection« (MobDi), waarin de betrokken Fraunhofer-experts nieuwe hardware- en softwareoplossingen ontwikkelen voor mobiele servicerobots. Deze moeten enerzijds mogelijk maken om potentieel besmette oppervlakken in gebouwen en vervoermiddelen doelgericht en voorzichtig te desinfecteren met een robot. Anderzijds moeten de ontwikkelingen bijdragen aan het automatiseren van materiaaltransport in ziekenhuizen, om zo de verspreiding van kiemen door het personeel tegen te gaan.

Nieuwe desinfectie- en transportrobots

Voor de desinfectie in gebouwen en vervoermiddelen ontwikkelen de projectpartners elk gespecialiseerde servicerobots. De technische basis voor de desinfectie in gebouwen vormt de »DeKonBot« van het Fraunhofer IPA, dat het instituut vorig jaar ontwikkelde in het gelijknamige eerdere project. De gereedschappen voor de wisdesinfectie worden door de onderzoekers verder verbeterd en het platform als geheel geoptimaliseerd voor latere serieproductie. De robot voor de desinfectie in vervoermiddelen wordt ontwikkeld bij het Fraunhofer IFAM. Een bijzonder uitdagend aspect is de ontwikkeling van een modulaire aandrijvingsondersteuning om spleten en opstapjes te overwinnen. Voor beide robots ontwikkelen de projectpartners verschillende gereedschappen die desinfecteren door te vegen, spuiten, UV- of plasmabehandeling. Deze robots kunnen deze gereedschappen automatisch wisselen indien nodig.

Het Fraunhofer IPA ontwikkelt daarnaast een nieuwe transportrobot die verschillende handwagens kan vervoeren, zoals die typisch in ziekenhuizen worden gebruikt. In vergelijking met bestaande producten onderscheidt de nieuwe ontwikkeling zich door compacte afmetingen en een bijzonder wendbaar onderstel. Het Fraunhofer IVV ondersteunt bij de hygiënische vormgeving van de verschillende robots. Daarnaast ontwikkelt het instituut concepten voor zelfreiniging, zodat de machines zelf niet tot besmettingsrisico worden.

Verbeterde waarnemingsfuncties

Dankzij intelligente waarnemingsfuncties kunnen de desinfectierobots doelgericht reinigen. Hiervoor wordt een nieuwe multimodale 3D-sensor van het Fraunhofer IOF ingezet. Met behulp van deze sensor herkennen de robots tijdens het in bedrijf stellen zelfstandig alle objecten die ze moeten desinfecteren en het materiaal waaruit deze bestaan. De objectherkenning van het Fraunhofer IPA en de materiaalherkenning van het Fraunhofer IPM analyseren de sensordata met methoden van machinaal leren. Hierdoor bereiken ze een robuuste herkenning, zelfs als de objecten er in elke gebruiksomgeving iets anders uitzien.

Een meerdelig omgevingsmodel van het Fraunhofer IOSB brengt alle benodigde informatie samen en stelt de robots in staat om reinigingsprocessen zelfstandig te plannen. Het bevat een kaart van de omgeving, de positie van alle te reinigen objecten en hun materiaal. Niet altijd hoeven de omgevingsgegevens handmatig te worden ingeleerd. Op basis van het werk van Fraunhofer Italia wordt het mogelijk om deze informatie automatisch te laden uit het zogenaamde »Building Information Modeling« (BIM), een digitale weergave van alle bouwelementen die al in veel gebouwen aanwezig is.

Ook in de reguliere bedrijfsvoering zal in de toekomst een waarnemingsfunctie worden ingezet voordat individuele objecten worden gedesinfecteerd: op basis van de vervuilingsgraad kunnen de robots de reiniging optimaliseren en het succes ervan verifiëren. Het Fraunhofer FEP voert in het project eerste fundamentele onderzoeken uit naar de mogelijkheid om deze vervuilingen te detecteren.

Analyse van reinigingsmethoden

Voor doelgerichte en zachte reiniging voeren de projectpartners experimenten uit met verschillende reinigings- en desinfectatiemethoden op veelvoorkomende oppervlaktetypen zoals roestvrij staal en kunststoffen. Naast de analyse van de afzonderlijke methoden onderzoeken ze ook combinatiemogelijkheden van verschillende reinigings- en desinfectiemethoden. Zo zouden de robots bijvoorbeeld eerst een deurklink vegen en daarna UV-licht inzetten om ook de kiemen op moeilijk bereikbare plaatsen te neutraliseren. Het Fraunhofer ILT zal specifiek de gecombineerde inzet van UV- en plasmabronnen analyseren.

Voor de verschillende methoden evalueren de onderzoekers van de Fraunhofer-instituten FEP en IFAM het desinfectieproces op basis van verontreinigingen met bacteriën en virussen. Daarnaast onderzoekt het Fraunhofer IST mogelijke materiaalschade en bestudeert het Fraunhofer IWS de vorming van schadelijke afbraakproducten. Zo wordt een methodiek ontwikkeld om voor elke desinfectieprocedure, afhankelijk van het materiaal en de vervuilingsgraad, de meest geschikte methoden te selecteren.

Vraaggerichte ontwikkeling

De technische ontwikkelingen in »MobDi« zijn gebaseerd op door het Fraunhofer IMW uitgevoerde eisen-, nut- en kosteneffectiviteitsanalyses. Om de robots af te stemmen op de behoeften en praktijk, ontwikkelden de projectpartners vanaf het begin samen met gebruikers scenario’s die met de robots moeten worden uitgevoerd, en haalden hieruit de technische eisen af. Daartoe voerden ze talrijke gesprekken met logistiek- en hygiëne-experts in ziekenhuizen, evenals met exploitanten en schoonmaakpersoneel in gebouwen en personenvervoer. De gebruikers worden ook bij het project betrokken om intuïtieve gebruikersinterfaces te ontwikkelen voor het instellen en dagelijks gebruik van de robots.

Tot de voltooiing van het project in september 2021 worden de ontwikkelde robots ook in de praktijk geëvalueerd. De projectpartners zullen deze eerst in hun eigen laboratoria testen en daarna in realistische inzetomgevingen, zoals in een openbaar gebouw, personenvervoer of een ziekenhuis. De resultaten worden vergeleken met zogenaamde »Key Performance Indicators« (KPI’s). Al bij de start van het project werden deze KPI’s, dat wil zeggen criteria voor een succesvol gebruik van de robots in het betreffende toepassingsgebied, vastgesteld samen met potentiële gebruikers.

Deelnamemogelijkheden

Aangezien de robots modulair zijn opgebouwd en standaard interfaces gebruiken, kunnen de in »MobDi« ontwikkelde technologieën eenvoudig worden overgedragen op andere machines en robots. Dit ondersteunt de snelle vertaling van onderzoeks- en ontwikkelingswerk naar de praktijk. Geïnteresseerde fabrikanten kunnen zich gerust wenden tot de projectpartners als ze willen deelnemen aan de ontwikkeling. Naast het overdragen van afzonderlijke technologieën naar bestaande producten, is het ook mogelijk om de ontwikkelde robots als totaal systeem in een nieuw product te integreren.

Samenvatting

Volledige projecttitel: Mobile Desinfection – MobDi
Looptijd: 01.10.2020 tot 30.09.2021
Subsidie: Het project maakt deel uit van het actiepogramma »Fraunhofer vs. Corona«, dat nog talrijke andere initiatieven voor de bestrijding van de pandemie ondersteunt.

Projectpartners en hun bijdrage

- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA: projectleiding, ontwikkeling van de nieuwe transportrobot, integratie van nieuwe technologieën en functionaliteiten in de desinfectierobot voor gebruik in openbare gebouwen, (door)ontwikkeling van navigatie- en objectherkenningssoftware
- Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW: proces- en behoefteanalyses, identificatie van relevante prestatieparameters, gebruikersevaluatie en kosteneffectiviteitsanalyses
- Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB: 3D-kaartmapping van de omgeving, laaggebaseerd omgevingsmodel, ontwikkeling en ontwerp van UV-C-bronnen
- Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM: ontwikkeling van een desinfectierobot voor het openbaar personenvervoer, een modulaire aandrijvingsondersteuning voor het overwinnen van spleten en opstapjes, en een reinigingseindeffector, validatie van het desinfectieproces
- Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST: ontwikkeling van plasmabronnen voor reiniging en desinfectie, beoordeling van de werking en materiaaleigenschappen van desinfectiemethoden
- Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP: vervuilingherkenning, oppervlakterwerking met UV, validatie van het desinfectieproces
- Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF: ontwikkeling van een multimodale 3D-sensor voor betrouwbare datalevering op verschillende materialen
- Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS: reinigingsconcepten voor het verwijderen van reactie- en afbraakproducten uit de lucht
- Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM: materiaalherkenning
- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT: ontwikkeling van gecombineerde UV-/plasma-bronnen
- Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV: hygiënisch ontwerpconcept voor nieuw ontwikkelde hardwareoplossingen
- Fraunhofer Italia Research Konsortialgesellschaft GmbH: integratie van Building Information Modeling (BIM) met het laaggebaseerde omgevingsmodel