Robots bestrijden virussen en bacteriën

Sinds oktober 2020 werken twaalf instituten binnen de Fraunhofer-Gesellschaft aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor het bestrijden van micro-organismen. Onder leiding van Fraunhofer-IPA bundelen ze hun vaardigheden in het onderzoeksproject 'Mobiele Desinfektion' (MobDi) om bij te dragen aan een veilig 'nieuw normaal' in tijden van pandemieën. Het project maakt deel uit van het actieprogramma 'Fraunhofer vs. Corona''.

Servicerobots kunnen ervoor zorgen dat gebouwen en transportmiddelen regelmatig en met een constant hoge kwaliteit worden gereinigd en gedesinfecteerd. Een sleutel in de strijd tegen COVID-19 is het minimaliseren van het risico op infectie. In het MobDi-project ontwikkelen de betrokken Fraunhofer-experts nieuwe hardware- en softwareoplossingen voor mobiele servicerobots. Enerzijds moeten deze het mogelijk maken om potentieel besmette oppervlakken in gebouwen en transportmiddelen voorzichtig en eventueel met een robot te desinfecteren. Anderzijds zijn de ontwikkelingen bedoeld om het transport van materialen in ziekenhuizen te helpen automatiseren en zo de verspreiding van ziektekiemen door personeel tegen te gaan.

Desinfectie- en transportrobots

De projectpartners ontwikkelen gespecialiseerde servicerobots voor desinfectie van gebouwen en transportmiddelen. De technische basis voor desinfectie in gebouwen is de 'DeKonBot' van Fraunhofer-IPA, die het instituut vorig jaar ontwikkelde in het vorige gelijknamige project. De onderzoekers in het project zullen zijn tool voor veegdesinfectie blijven verbeteren en het platform als geheel optimaliseren voor serieproductie.

De robot voor desinfectie in het transport wordt gebouwd bij Fraunhofer-IFAM De ontwikkeling van een modulaire aandrijfondersteuning voor het overbruggen van hiaten en treden is een uitdagening. Voor beide robots creëren de projectpartners verschillende tools die desinfecteren door middel van afvegen, spuiten, UV- of plasmabehandeling. De robots kunnen deze indien nodig automatisch wijzigen.

Fraunhofer-IPA ontwikkelt ook een nieuwe transportrobot die verschillende karren kan trekken die in ziekenhuizen worden gebruikt. In vergelijking met bestaande producten kenmerkt de nieuwe ontwikkeling zich door kleine afmetingen en een wendbaar chassis. Fraunhofer-IVV ondersteunt het hygiënische ontwerp van de verschillende robots. Daarnaast ontwikkelt het instituut concepten voor hun zelfreiniging. Deze voorkomen dat de machines zelf een besmettingsgevaar vormen.

Verbeterde perceptuele functies

Dankzij intelligente perceptiefuncties zullen de desinfectierobots gericht kunnen reinigen. Hiervoor wordt een nieuwe multimodale 3D-sensor van Fraunhofer-IOF gebruikt. Met behulp van deze sensor herkennen de robots zelfstandig alle objecten die ze geacht worden te desinfecteren en het materiaal waarvan ze gemaakt zijn tijdens de inbedrijfstelling. De objectherkenning van de Fraunhofer-IPA en de materiaalherkenning van Fraunhofer-IPM evalueren de sensorgegevens met behulp van machine learning methoden. Hierdoor is een robuuste detectie te bereiken, zelfs als de objecten er in elke operationele omgeving iets anders uitzien.

Een meerlaags omgevingsmodel van Fraunhofer-IOSB brengt alle benodigde informatie samen en stelt de robots in staat om reinigingsprocessen onafhankelijk te plannen. Het model bevat een kaart van het gebied, de positie van alle te reinigen objecten en hun materiaal. De omgevingsgegevens hoeven niet altijd handmatig te worden ingeleerd. Op basis van het werk van Fraunhofer Italia zal het mogelijk zijn om deze informatie automatisch vanuit het Building Information Model (BIM) in het omgevingsmodel te laden. Dit is een digitale weergave van alle structurele kenmerken die al voor veel gebouwen beschikbaar zijn.

In de toekomst zal ook een waarnemingsfunctie worden gebruikt in het reguliere gebruik voordat individuele objecten worden gedesinfecteerd. De robots moeten de reiniging kunnen optimaliseren en het succes ervan verifiëren op basis van de mate van vervuiling. Als onderdeel van het project voert Fraunhofer-FEP de eerste fundamentele onderzoeken uit hoe deze besmetting kon worden opgespoord.

Analyse van reinigingsmethoden

Voor een gerichte en behoedzame reiniging voeren de projectpartners proeven uit met verschillende reinigings- en desinfectieprocessen op veelgebruikte oppervlaktetypes zoals roestvast staal en kunststof. Behalve naar het analyseren van de individuele processen kijken ze naar mogelijke combinaties van verschillende reinigings- en desinfectieprocessen. De robots kunnen bijvoorbeeld eerst een deurkruk afvegen en vervolgens UV-licht gebruiken om ziektekiemen op moeilijk bereikbare plaatsen te neutraliseren. Fraunhofer-ILT zal specifiek het gecombineerd gebruik van UV- en plasmabronnen analyseren.

Voor de verschillende processen evalueren de onderzoekers van Fraunhofer-FEP en -IFAM het succes van desinfectie op basis van besmetting met zowel bacteriële als virusmonsters. Daarnaast onderzoekt Fraunhofer-IST mogelijke materiële schade en doet Fraunhofer-IWS onderzoek naar de vorming van schadelijke afbraakproducten. Afhankelijk van het materiaal en de mate van vervuiling moet een methode worden ontwikkeld om voor elk desinfectieproces het meest geschikte procédé te kiezen.

Ontwikkeling op basis van behoeften

De technische ontwikkelingen in MobDi zijn gebaseerd op vereisten, voordelen en rentabiliteitsanalyses waarvoor Fraunhofer-IMW verantwoordelijk is. Om de robots aan te passen aan de eisen en praktijk, ontwikkelden de projectpartners direct bij de start van het project de scenario's die met de robots geïmplementeerd moesten worden, samen met gebruikers en leidden ze daaruit de technische eisen af. Daartoe hebben ze talrijke gesprekken gevoerd met logistiek- en hygiëne-experts in klinieken en met operators en schoonmaakpersoneel in gebouwen en het personenvervoer. De gebruikers worden ook bij het project betrokken om intuïtief bedienbare gebruikersinterfaces te ontwikkelen voor het opzetten en de dagelijkse bediening van de robots.

De ontwikkelde robots moeten tegen het einde van het project in september 2021 in de praktijk worden geëvalueerd. De projectpartners zullen deze eerst testen in hun respectievelijke laboratoria en vervolgens in realistische operationele omgevingen zoals een openbaar gebouw, het passagiersvervoer of in een kliniek. Ze vergelijken de resultaten met Key Performance Indicators (KPI's), criteria voor een succesvol gebruik van de robots in het bijbehorende toepassingsgebied. De KPI's zijn aan het begin van het project met potentiële gebruikers bepaald.

Doordat de robots modulair zijn opgebouwd en standaardinterfaces gebruiken, kunnen de in MobDi ontwikkelde technologieën eenvoudig worden overgezet naar andere machines en robots. Dit ondersteunt de snelle overdracht van onderzoeks- en ontwikkelingswerk in de praktijk. Geïnteresseerde fabrikanten kunnen contact opnemen met de projectpartners als ze willen deelnemen aan de ontwikkeling. Naast de overdracht van individuele technologieën naar bestaande producten is het ook mogelijk om de ontwikkelde robots als een compleet systeem om te zetten in een nieuw product.

Deelnemende instituten

• Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP), Dresden
• Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Aken
• Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW, (Leipzig)
• Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), Jena
• Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB), hoofdvestiging in Karlsruhe
• Fraunhofer-Institut für Produktionsautomatisierung (IPA), Stuttgart
• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM), Freiburg
• Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST), hoofdvestiging in Braunschweig
• Fraunhofer Italia Research Konsortialgesellschaft, Bolzano (I)
• Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV), Freising en Dresden
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden

Foto: Rainer Bez, Fraunhofer IPA / Illustratie: Stefanie Irrler, Fraunhofer IMW