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Roboter-Forscher : Der verlängerte Arm des Chemikers

Ein Roboterarm übernimmt in diesem Chemielabor die Arbeiten. Bild: University of Liverpool

Mischen, wiegen, pipettieren – viele Tätigkeiten im Chemielabor sind langweilige Routine. Forscher haben einen intelligenten Roboterarm entwickelt, der menschlichen Chemikern nicht nur zur Hand geht, sondern auch selbst zum Forscher wird.

          2 Min.

          Er ist der ideale Chemieassistent: Er arbeitet fast 22 Stunden lang am Stück ohne Pause und ohne zu Murren. Wenn eine Synthese misslingt, mixt er die Chemikalien so lange neu, bis das gewünschte Produkt vorliegt, auch wenn es Tage dauert. Alle Handgriffe erledigt er selbständig, sogar im Dunkeln findet er sich zurecht. Hinter diesem genügsamen Forscher verbirgt sich – was nur unschwer zu erraten ist – ein Roboter.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Entwickelt haben ihn Wissenschaftler von der University of Liverpool, mit dem erklärten Ziel, nicht die Instrumente sowie die Synthese und Analyseschritte zu automatisieren, wie es schon mehrfach geschehen ist, sondern den Forscher selbst. Für die Synthese eines neuen Katalysators zur Gewinnung von Wasserstoff habe der Roboter nur acht Tage gebraucht, schreiben Andrew Cooper und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“. Ein menschlicher Chemiker hätte für die gleiche Aufgabe mehrere Monate benötigen.

          Betritt man das Chemielabor im Leverhulme Center for Functional Materials in Liverpool, trifft man auf einen etwa 1,75 Meter großen beweglichen Roboterarm, der auf einem fahrbaren Untersatz zwischen den Labortischen und Ablagen des 7 mal 11 Meter großen Raumes hin und her kurvt. Der Greifarm wiegt eine Reihe von pulverförmigen Chemikalien, füllt sie in Fläschchen, gibt verschiedene Lösungsmittel hinzu, fährt zu einem Mischer, fügt weitere Substanzen hinzu, macht verschiedene Versuche und steuert schließlich ein Analysegerät an, das die Proben und deren chemische Wirksamkeit untersucht. Insgesamt acht Stationen muss der Roboter während einer Synthese anlaufen.

          Der Roboter forscht selbständig, auch im Dunkeln

          Um sich zurechtzufinden, Abstände präzise abschätzen und zugreifen zu können, ohne etwas zu zerbrechen, nutzt der Roboter Berührungssensoren und Laserstrahlen, mit dem er die Umgebung abtastet. Dadurch könne der Automat auch nachts ohne jegliche Beleuchtung arbeiten. Erst nach 22 Stunden müssten die Batterien wieder aufgeladen werden, so die Forscher.

          Die Wissenschaftler um Cooper können sich getrost im Hintergrund aufhalten, schließlich werden sie von dem Automaten nicht gebraucht. Er kann all seine Aufgaben ohne jegliche fremde Hilfe ausführen, einschließlich der Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten. Vorgeben müssen die Forscher nur die zu prüfenden Hypothesen. Ein selbstlernender Algorithmus entwirft die Strategie, wie der Roboter bei seinen Synthesen vorzugehen hat. Es existieren bereits eine Reihe von Chemieroboter, allerdings handelt es sich dabei vor allem um automatisierte stationäre Laboratorien. Das System aus Liverpool sei, so der Forscher, der erste mobile Chemieroboter.

          Mehr Zeit zum Nachdenken

          Die Aufgabe, die die Wissenschaftler ihrem Roboter gestellt hatten, war die Suche nach einem Katalysator, der Wasser möglichst effizient mit Hilfe von Licht in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Es wurden der Maschine einige Kandidaten mit einer bestimmten katalytischen Aktivität und eine Reihe zusätzlicher Chemikalien vorgegeben. Der Roboter sollte die Substanzen kombinieren und so lange optimieren, bis der gewünschte Katalysator vorlag. Acht Tage lang – einschließlich der Ladezeiten – war der Roboter beschäftigt. In dieser Zeit führte er insgesamt 688 Experimente aus, vollführte 6500 Bewegungen und legte in seinem Labor rund 2,2 Kilometer zurück. Am Ende hielt er einen Katalysator für eine photochemische Reaktion in seinen Greifhänden, der sechsmal so viel Wasserstoff produzierte wie die besten Kandidaten, mit denen der Roboter seine Experimente begonnen hatte.

          „Die größte Herausforderung war es, den Roboter-Wissenschaftler möglichst robust zu gestalten, damit er über Tage hinweg unzählige anspruchsvolle Aufgaben selbständig ausführen konnte, mit einer möglichst geringen Fehlerrate“, sagt Koautor Benjamin Burger, der den Roboterarm programmiert und für die Laborarbeit umgebaut hat. Denn ursprünglich war die Maschine ein gewöhnlicher Industrieroboter.

          Dass der Roboter eines Tages menschliche Forscher ersetzt, glauben die Wissenschaftler aus Liverpool nicht. Eher wird er Chemikern im Labor zur Hand gehen und zeitraubende Tätigkeiten ausführen, die Wissenschaftler oft vom Nachdenken abhalten. Das schaffe Freiräume für kreative Tätigkeiten, sagt Cooper.

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