Experimente mit Roboter-Unterstützung: Automatisierung im Chemie-Labor

Ein Roboter, der Experimente 1.000 Mal schneller durchführt? Das klingt nach einer bahnbrechenden Entwicklung für die Forschung. An der Uni Liverpool haben Chemie-Studierende genau das geschafft. Ein autonomer KMR iiwa von KUKA unterstützt die Wissenschaftler bei der Suche nach bestimmten Stoffkombinationen.

Wissenschaftliche Forschung bedeutet in vielen Fällen vor allem eines: Geduld. Denn um an gesicherte Ergebnisse zu kommen, müssen Versuchsreihen oft unzählige Male wiederholt werden. Dabei ist absolute Genauigkeit erforderlich, denn auch geringe Abweichungen –­ etwa in der Stoffzusammensetzung –­ können entscheidend sein.

Der mobile Roboter im Labor an der Uni Liverpool

Unzählige präzise Wiederholungen? Das ist die perfekte Aufgabe für einen Roboter, dachten sich Forscher der Universität in Liverpool an der Fakultät für Chemie, und entwickelten kurzerhand eine Automatisierungslösung, die Forschungsreihen durchführen und überwachen kann, um autonome Entscheidungen über das weitere Vorgehen zu treffen.

Robotik für Sisyphus-Aufgaben

Die Gruppe um Professor Andy Cooper brachte einem mobilen Roboter KMR iiwa von KUKA bei, sich in einem Labor selbständig zu bewegen, Experimente durchzuführen und deren Ergebnisse zu bewerten, um die nächsten Schritte festzulegen.

„Diese Forschung drehte sich darum, einen neuen Fotokatalysator zu entwickeln“, erklärt Andy Cooper von der Universität Liverpool. Das sind chemische Stoffe, die unter Sonneneinstrahlung Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Vor allem für die Gewinnung von sauberer Energie, also ohne fossile Brennstoffe, ein wichtiger Prozess.

Das Problem: Die richtige Kombination aus chemischen Elementen zu finden, die dazu fähig sind, gleicht einer Sisyphus-Aufgabe: „Rein rechnerisch gab es mehr als 98 Millionen Kombinationen, daher ist es oft schwierig zu wissen, womit man starten soll“, erklärt Cooper.

Mit künstlicher Intelligenz zum richtigen Ergebnis

Für menschliche Labormitarbeiter eine schier unlösbare Aufgabe. „Der Roboter nutzt daher einen Optimierungs-Algorithmus, um die Zahl der Experimente zu reduzieren.“

Angeleitet lediglich von einem Computerprogramm, das drahtlos mit der mobilen Plattform verbunden ist, führt der KMR iiwa selbständig Experimente durch. Der Leichtbauroboter LBR iiwa mischt Proben in Glaskolben, setzt sie einer Lichtquelle aus und analysiert das Ergebnis mit Hilfe eines Gaschromatographen.

Wie ein menschlicher Forscher ist die künstliche Intelligenz des Roboters dabei in der Lage, seine nächsten Schritte an das Ergebnis eines Experiments anzupassen. Der große Unterschied zu seinen menschlichen Kollegen: Der Roboter kann ununterbrochen arbeiten, in zehn Dimensionen denken und verliert niemals seine Konzentration.

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Ergebnisse 1.000 Mal schneller liefern 

In nur acht Tagen schaffte es der KUKA Roboter, 688 Experimente durchzuführen und zu dokumentieren. Da der Roboter pro Tag lediglich 90 Minuten Pause benötigt, um seine Akkus zu laden, liefert er Ergebnisse etwa 1.000 Mal schneller, als es ohne Automatisierung möglich wäre.

„Der große Vorteil einer Automatisierungslösung liegt aber nicht unbedingt in der Geschwindigkeit“, gibt Prof. Cooper zu bedenken. „Vielmehr geht es darum, Forschern die Möglichkeit zu eröffnen, ambitioniertere und größer angelegte Experimente überhaupt durchführen zu können, die allein mit menschlicher Kraft nicht möglich oder nicht sinnvoll wären.“

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Navigieren über Laser-System

Selbstständig unterwegs im Labor: der mobile Roboter KMR iiwa

Zur Navigation im Raum nutzt die mobile Plattform ein lasergestützte System. Damit erkennt der Roboter zuverlässig, wenn sich Hindernisse auf seiner Bahn befinden, wenn beispielsweise ein Mitarbeiter seinen Weg kreuzt. Der große Vorteil: So lässt sich die mobile Plattform praktisch in jedem Raum verwenden, ohne darin Veränderungen vorzunehmen oder neue Werkzeuge anschaffen zu müssen.

„Kurz gesagt: Womit ein Mensch arbeiten kann, kann auch der Roboter arbeiten“, sagt Cooper. Der Einsatz von Robotersystemen könnte daher das Leben von Forschern sowohl an Universitäten als auch in industriellen Forschungslabors erheblich erleichtern.

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