Roboterkochen: Der Weg zu automatisierten Laboren der Zukunft

Die Zukunft der Laborautomatisierung: Roboter, die kochen und entdecken

In einer faszinierenden Entwicklung in der Welt der Robotik und Automatisierung könnte man sagen, dass der Ausgangspunkt das Unterrichten eines Roboters zum Kochen war. Der Computerwissenschaftler Ron Alterovitz aus Carolina präsentierte kürzlich seine Forschung vor den Fakultätsmitgliedern verschiedener Universitätsabteilungen, in der er darlegte, wie sein Team einem Roboter beigebracht hat, Kochaktionen wie das Schöpfen und Transportieren von Zutaten durchzuführen.

Roboter und ihre Rolle in modernen Laboren

Die Bemerkungen von Alex Tropsha, Professor an der Eshelman School of Pharmacy, waren wegweisend. Er stellte fest, dass Chemieforscher viele Laboraufgaben durchführen, die einem anspruchsvollen Kochprozess ähneln. Diese Erkenntnis inspirierte Alterovitz zu einem entscheidenden „Was wäre, wenn“-Moment. Er sah das Potenzial, die mühevollen manuellen Aufgaben in Laboren durch automated Systeme zu ersetzen, die Forschungsdurchbrüche schneller, sicherer und präziser ermöglichen könnten.

Alterovitz begann, sich die Möglichkeiten vorzustellen: „Was, wenn Roboter sich in wissenschaftlichen Laboren frei bewegen könnten, um zu erkennen, wo sich Menschen befinden, und sich an Veränderungen anzupassen? Was, wenn sie sicher und autonom Chemikalien beschaffen, Flüssigkeiten und Pulver mischen, Geräte bedienen und andere Prozesse durchführen könnten?“

Um diese Fragen zu beantworten, kooperierte er mit James Cahoon, dem Vorsitzenden der Chemieabteilung in Carolina. Gemeinsam sicherten sie sich 2020 einen Creativity Hubs Grant von der Forschungsbehörde der Universität, um ihre Arbeit voranzutreiben.

Die Entwicklung eines intelligenten Roboters

Das Forschungsteam entwickelte eine KI-Software, die die Aktionen eines einarmigen Roboters auf Rädern steuert. Er wurde mit der Durchführung einer gängigen Laboraufgabe, der Nadelspritze, betraut – eine Aufgabe, die eine präzise Übertragung von Flüssigkeiten und Gasen zwischen Instrumenten erfordert. Alterovitz erklärt: „In der Robotik ist es eine Herausforderung, dass ein mobiler Roboter mehrere Meter bewegt und dann eine manipulative Aufgabe mit submillimetergenauer Genauigkeit ausführen kann.“ Doch das Team schaffte es.

Der Roboter gleitet jetzt durch Cahoons Labor und trägt eine Probe, während er mithilfe von Sensoren und Kameras eine Gaschromatografie-Maschine findet. Er entfaltet seinen Arm, rückt näher, und die KI-Software berechnet genau, wo die Nadel eingeführt werden muss, um die Probe in die Maschine einzuführen.

Ein automatisierter Entdeckungszyklus

Die Wissenschaftler streben danach, Aufgaben zu verknüpfen, um den gesamten Zyklus zu automatisieren – von der Material- oder Molekülsystembeschreibung über die Synthese, den Test und die Analyse bis hin zur Verbesserung. Alterovitz betont: „Die Automatisierung dieses Design-Make-Test-Analyseschleifen könnte enorme Vorteile bringen, indem sie das Labor selbstfahrend macht und es über die Zeit verbessert.“

Roboter repräsentieren die Quintessenz der Anwendung von KI, wo diese Technologie die physische Welt verändert. Anders als viele KI-Anwendungen, die Bilder erstellen oder Dialoge führen, verändert die KI des Roboters den physischen Zustand der Welt.

Die ersten Definitionen der Automatisierung

Obwohl der Roboter im Mittelpunkt steht, veröffentlichte ein kürzliches Papier in Science Robotics von Alterovitz und Cahoon fünf Definitionen von Automatisierungslevels, die weltweit Einfluss darauf haben werden, wie Robotik Entdeckungen beschleunigen kann. Diese Levels reichen von assistiver Automatisierung, bei der Roboter einfache, repetitive Aufgaben übernehmen, bis hin zur vollständigen Automatisierung, bei der Roboter mehrstufige Sequenzen automatisieren und alles von der Einrichtung bis zum Umgang mit Problemen wie Gerätestörungen managed.

„Automatisierungslevels zu definieren, bedeutet, zu sagen: Hier sind wir und hier wollen wir hin“, erläutert Alterovitz.

Die Autonomie ist grundlegend unterschiedlich zwischen Robotern in einem gemischten Labor und Robotern in einer Fabrik, etwa zur Autoproduktion. In Fabriken ist die gesamte Umgebung für den Roboter gestaltet, während in einem Labor Menschen ständig Objekte bewegen.

Alterovitz fasst zusammen: „Wir konzentrieren uns zunächst auf Richtigkeit und Sicherheit. Wenn diese gegeben sind, werden wir die Geschwindigkeit erhöhen und die Roboter können in einer Weise arbeiten, die Menschen nicht unbedingt wollen.“

Fazit

Die Entwicklungen in der Robotik und künstlichen Intelligenz versprechen revolutionäre Veränderungen in der Art und Weise, wie Forschung betrieben wird. Mit dem Fortschritt von Robotern, die nicht nur kochen, sondern auch komplexe wissenschaftliche Aufgaben erfüllen können, stehen wir an der Schwelle zu einer neuen Ära der automatisierten Entdeckung. Die Zukunft der Laborarbeit könnte nicht nur effizienter, sondern auch sicherer und präziser gestaltet werden.