Ein integrationsfreundlicher Laborroboter

Die zunehmende Automatisierung in Laboren verlangt nach Robotern, die verschiedene Werkzeuge auswählen und Arbeitsabläufe präzise durchführen können.

Der Markt für Laborautomation wächst und wächst. Unterstützende Tisch- und Laborroboter sind inzwischen weit verbreitet, doch anspruchsvollere Prozesse, die über das einfache Pipettieren hinausgehen, übernehmen sie bisher selten. Andrew Alliance stellte sich dieser Herausforderung, nachdem man über Jahre hinweg das Feedback aus dem Markt ausgewertet hatte. Das Ergebnis ist der Liquid-Handling-Roboter Andrew+. Dank einem breiten Angebot an Zubehör kann das Gerät, im Gegensatz zu vielen Anlagen des Wettbewerbs, mehr als nur automatisch pipettieren (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Liquid-Handling-Roboter Andrew+ kann mit einer ständig wachsenden Palette an Zubehör ausgestattet werden.

Andrew+ gehört zum sogenannten OneLab des Unternehmens, ein über die Cloud verbundenes Ökosystem, mit dem Benutzende Laborprotokolle einfach und wirksam entwerfen und ausführen können. Mit dieser flexiblen Architektur können Anwender:innen mühelos von aufwendigen Pipettierverfahren auf einen fehlerfreien, voll automatisierten Workflow per Roboter umstellen. Und das Beste daran: Es werden keinerlei Vorkenntnisse in der Programmierung oder Expertise in der Laborrobotik oder Automationstechnik benötigt.

Das Grundgerät dieses Liquid-Handling-Roboters wiegt weniger als 16 Kilogramm, sodass es problemlos als Tischgerät verwendet und darüber hinaus problemlos auch in andere Teile des Labors transportiert werden kann, wo es für eine grosse Vielzahl an Aufgaben einsetzbar ist. Der Roboter arbeitet von einem integrierten Werkzeugrack aus. Der Roboter greift das passende Werkzeug für den jeweiligen Vorgang, sichert es und führt anschliessend die entsprechende Funktion aus.

Andrew+ ist ein Baukastensystem, das sich für viele Aufgaben und Einsatzmöglichkeiten anpassen lässt. Dazu zählen die Probenvorbereitung für die QS, analytische Chemie, Verdünnungsreihen, Plasmavorbereitung, DNA-Extraktion, Normalisierung der Konzentration u. v. m. Durch den Einsatz elektronischer Ein- und Mehrkanalpipetten wird ein korrektes Liquid-Handling bei gleichzeitig maximaler Flexibilität für die Anwender:innen gewährleistet. Darüber hinaus kann das Gerät je nach Anwendung auch eine Reihe komplexer Schritte in Experimenten durchführen, z. B. Reihen aufnehmen.

Die Pipetten bieten eine hohe Pipettiergeschwindigkeit und einen dynamischen Volumenbereich von 0.2 µl bis zu 10 ml (siehe Abbildung 2). Flexibilität gehört zur Standardausrüstung: Das Gerät passt auf die meisten Labortische und Biosicherheitsschränke. Es kann mit zwei vollen Dominoreihen betrieben werden (für 7 Mikrotiterplatten bzw. 56 Zentrifugenröhrchen oder 168 Mikroröhrchen) und passt bei einer Tiefe von 60 cm (24 Zoll) selbst unter die kleinste Abzugshaube. Dank seiner kompakten Grösse passt das Gerät zudem in Kühlschränke und kann bis zu einer Minimaltemperatur von 4 °C betrieben werden.

Abbildung 2: Andrew+ ist mit einer Reihe von Pipetten nach Branchenstandard kompatibel, die eine grosse Bandbreite an Volumen bieten.

Drei-Gelenk-Roboter-Antrieb

Die Ingenieur:innen von Andrew Alliance entschieden sich für drei von maxon entwickelte und produzierte Flachmotoren EC 45 – einer für jedes Gelenk. Antoine Jordan, Global Operations Director, erklärt dazu: «Um den Roboter kompakt und leicht zu halten, spielten Grösse und Platzbedarf eine wichtige Rolle.»

Das Unternehmen hat bereits früher Produkte von maxon verwendet und verfügte daher bereits vor dem Einsatz in der neuen Entwicklung über umfangreiche Erfahrungen mit der Motortechnologie. Die Stabilität des Motors machte Eindruck und die grosse Bandbreite an kompatiblen Produkten zusammen mit einer Vielzahl von Anwendungen ermöglichte eine flexible Entwicklung für das Projekt. Darüber hinaus entschied man sich bei Andrew Alliance, für die Anwendung bei Bedarf eine leicht angepasste Version des Motors zu verwenden.

Nachdem die Entscheidung über die Motoren gefällt war, konnten die Entwicklungsparameter präzisiert werden, sodass schlussendlich ein hochpräzises System produziert werden konnte. Da in einem automatischen Laborroboter eine hohe Genauigkeit das A und O ist, wurde ein Absolutwertgeber für den Betrieb des Systems in einer geschlossenen Regelschleife integriert. Auf diese Weise konnte die für die Endanwendung benötigte Präzision erreicht und beibehalten werden. Der Roboter benötigte diese extreme Genauigkeit für beide Schlüsseloperationen – sowohl für präzise Bewegungen bei der Aufnahme der verschiedenen Instrumente bzw. Werkzeuge als auch zur Durchführung des entsprechenden Arbeitsschritts mit dem aufgenommenen Werkzeug.

Abbildung 3: Am Andrew+ kommen drei bürstenlose DC-Flachmotoren EC 45 zum Einsatz, einer für jedes Gelenk.

Die richtigen Motoren

Eine der kritischsten Entscheidungen war die Integration der bürstenlosen DC-Flachmotoren EC 45 in die Anwendung (siehe Abbildung 3). Neben der für den Einsatz notwendigen Präzision mussten die Motoren während der gesamten Bewegungssequenz ein schnelles Ansprechverhalten zeigen. Abhängig von der aktuellen Position des Roboterarms wurden höhere Drehmomente benötigt, vor allem für den Auslegerbetrieb. Mithilfe von in die Anlagensteuerung integrierten Sensoren wird gewährleistet, dass der Arm ohne Berührung anderer Anlagenkomponenten wieder in die Ausgangsstellung zurückfährt.

Die 4-poligen bürstenlosen Motoren, die elektronisch kommutiert werden, ermöglichen eine extra lange Lebensdauer und einen geräuscharmen Betrieb. Durch die Verwendung von hochenergetischen Neodym-Magneten sind die Motoren sehr reaktionsschnell bei gleichzeitig minimaler Gesamtgrösse. Die Dauerausgangsleistung beträgt 200 W bei einer maximalen Drehzahl von 12000 U/min und einem maximalen Dauerdrehmoment von bis zu 265 mNm (37 oz-in), je nach Wicklung.

Bei den im Andrew+ eingesetzten EC 45-Motoren handelt es sich um leicht modifizierte Standardmotoren. Da maxon bereits mehrere Variationen dieses Motors im Angebot hat, war es ein leichtes Spiel für die beiden Teams, gemeinsam ein Produkt zu finden, das bereits praktisch erprobt und für diese spezielle Anwendung einfach zu konfigurieren war. Nachdem die Motoren ausgewählt und konstruktiv angepasst waren, wurden sie in Serienmengen zur Verfügung gestellt. Seitdem läuft das Projekt wie am Schnürchen.

Fazit

Die Leute von Andrew Alliance erkannten, dass sie durch Zusammenarbeit mit dem Lieferanten ihres Vertrauens die passenden Komponenten für ihren Laborroboter Andrew+ finden und auswählen konnten. Mit den EC 45 Motoren standen die Drehzahlen, Drehmomente und die Präzision zur Verfügung, die sie für die breite Palette an Tätigkeiten, für die der Roboter entwickelt wurde, benötigten. Auch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit waren absolut kritische Anforderungen, die bei der Auswahl der passenden Motoren zum Tragen kamen. Beim Einsatz auf einem solch anspruchsvollen Gebiet wie der Laborautomation kommt es sowohl auf Expertise in der Entwicklung als auch auf die richtige Technologie an.