Schema eines einarmigen Cobots mit zwei EOAT

Schema eines Cobots mit drei Gelenken und zwei EOAT: einem Sensor (grau schraffiert) und einem Zweifinger-Greifer (hellgrau)


Wie Cobots den Laboralltag erleichtern können

In der chemischen Analyse nimmt die Probenvorbereitung bis zu zwei Drittel des gesamten Zeitaufwands ein. Einen großen Teil dieser Aufgaben können Cobots, kollaborative Roboter, übernehmen. Ihre Integration in den Laboralltag geschieht bisher aber eher vereinzelt. In ihrem Übersichtsbeitrag in der Zeitschrift Talanta zeigen Chemiker des IUTA, welche Anwendungen für Cobots bisher entwickelt wurden und welche Herausforderungen für den breiteren Einsatz noch zu meistern sind.

Gute Analyseergebnisse erfordern eine exakte Probenvorbereitung

Die manuelle Probenvorbereitung ist nicht nur arbeits- und zeitaufwändig, sondern birgt auch eine gewisse Fehleranfälligkeit – Irren ist eben menschlich. Gleichzeitig wird ein Großteil der Arbeitszeit von hochqualifizierten Fachkräften für sich wiederholende Tätigkeiten genutzt, die noch keinen wirklichen Erkenntnisgewinn bedeuten.

Laborautomation kann hier Abhilfe schaffen: Angefangen von Automaten für einzelne Aufgaben wie z.B. das Einwiegen, Pipettieren oder Mischen von Substanzen, geht der Trend nun zur Automatisierung kompletter Workflows bis hin zu vollständig autonomen Laboren. Derartige vollautomatische Systeme sind in der Regel statisch und eher geeignet für bestimmte Anwendungen und spezifische Analyse-Protokolle. Außerdem sind sie sehr teuer und brauchen die Unterstützung durch externe Spezialist:innen beim Aufbau wie bei der fortlaufenden Instandhaltung.

Was unterscheidet Cobots von Industrierobotern?

Beim Gedanken an Industrieroboter haben wir oft Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie vor Augen: Große, sich schnell bewegende Arme mit Werkzeugen, die an den vorbeiziehenden Bauteilen sich immer wiederholende Arbeitsschritte durchführen. Diese Roboter werden zum Schutz der in der Halle arbeitenden Menschen in abgesperrten Umgebungen installiert.

Cobots dagegen sind kleiner und leichter als Industrieroboter und können Seite an Seite mit den Labormitarbeitenden eingesetzt werden. Sie brauchen keine Schutzzäune, denn sie sind mit Sensoren ausgestattet, die „Zusammenstöße“ mit Menschen oder Inventar verhindern. Eine glatte oder ummantelte Oberfläche oder abgerundete Kanten minimieren das Verletzungsrisiko durch Berührungen. Auch bewegen sich Cobots langsamer als Industrieroboter. Trotzdem können sie Workflows insgesamt beschleunigen, weil sie unabhängig und 24 Stunden pro Tag durcharbeiten.

Die häufigste Ausführungsform von Cobots ist die eines kompakten Arms mit mehreren beweglichen Gelenken (s. Bild).

Für die Übernahme von Routineaufgaben können Cobots von ihren menschlichen Kolleg:innen trainiert und programmiert werden. Im Gegensatz zu vollautomatischen Systemen sind sie leichter an wechselnde Aufgaben anpassbar. Damit befriedigen sie einen steigenden Bedarf nach mehr Flexibilität für manche Anwendungen wie beispielsweise die Umweltanalytik.

Cobots in der Probenvorbereitung: bisherige Anwendungen

In ihrer Studie sichteten Dr. Kjell Kochale und Dr. Thorsten Teutenberg die englischsprachigen, wissenschaftlichen Veröffentlichungen seit 2015, in denen ein Cobot in einem Analyselabor eine zentrale Rolle innehat und mindestens eine Aufgabe aus dem Bereich der Probenvorbereitung übernimmt.

Erfolgreiche Anwendungen gibt es in der Materialwissenschaft:

  • bei der Entwicklung von Photokatalysatoren,
  • in der Metallografie,
  • zur vollautomatisierten Synthese und Charakterisierung von anorganischen Pulvern und
  • zur automatischen Charakterisierung von Stahl-Grenzflächen.

Im Bereich Life Sciences wurden bisher Cobots eingesetzt

  • zur Probenvorbereitung von Zellkulturmedien für die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS),
  • zur Probenvorbereitung und für das Probenhandling für die Dünnschicht-Chromatographie,
  • für die automatische Überwachung von Bio-Assays und
  • die automatische Synthese eines Arzneiwirkstoffs.

Darüber hinaus geben die Autoren Beispiele für Anwendungen in klinischen Laboren und ein Beispiel für außergewöhnliche Cobots in einem chemischen Analysenlabor: Hier erledigen Mini-Drohnen den Transfer von Proben zu verschiedenen Arbeitsstationen.

Schlüsselkomponenten für die erfolgreiche Integration von Cobots

Die Hardwarekomponenten und ihre Fähigkeit, mit ihrer Umgebung Daten auszutauschen, sind die entscheidenden Faktoren, um Cobots erfolgreich in die Arbeitsabläufe von Laboren zu integrieren.

Die Hardware-Ausstattung bestimmt die Einsatzbereiche und die Aufgaben, die ein Cobot übernehmen kann:

  • die Zahl der Freiheitsgrade,
  • die maximale Traglast, die das Gewicht der gehandhabten Objekte und der zu bedienenden Geräte (z.B. Deckel oder Türen öffnen) decken muss,
  • die Reichweite,
  • die Wiederholgenauigkeit,
  • die Schnittstellenkompatibilität
  • die IP-Schutzklasse,
  • die Gelenkwinkel und die Armkonfiguration (ein oder mehrere Arme)
  • die Werkzeugauswahl, das End-of-Arm Tooling (EOAT), und
  • die Sensormodule zur Umgebungs- und Prozesskontrolle.

Neben den Hardwarekomponenten braucht es Schnittstellen und Steuerungssoftware, die eine Anbindung an die IT-Infrastruktur des Labors und eine Einbindung in den digital gesteuerten bzw. überwachten Workflow ermöglichen. Dieses können die jeweiligen Interfaces einzelner Sensoren am Cobot sein oder eine integrierte speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die mit modernen Laborinfrastrukturen zusammenarbeitet.

Während Cobots selbst mittlerweile relativ einfach zu programmieren sind, stellt eine Integration und Programmierung von Arbeitsabläufen, die intuitiv, kostengünstig und umfassend ist, noch eine Herausforderung dar.

Essenziell für die Einbindung von Cobots sind auch Sicherheitsmechanismen, die Unfälle mit umgebenden Menschen und Geräten verhindern, sowie die Protokollierung von Fehlermeldungen.

Publikation: K. Kochale, T. Teutenberg: Cobot-based automation in sample preparation. Talanta 312 (2027) 130317. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2026.130317. Die Druckversion erscheint im Februar 2027.

Ansprechpartner

Dr. rer.nat. Kjell Kochale
kochale@iuta.de

Hinweis zur Verwendung von KI: für die Extraktion von Informationen aus der Originalpublikation und anderen online verfügbaren Quellen wurde Vibe (Mistral) benutzt, zur Texterstellung nicht.