Wenn das Labor selbst forscht

Das Programm, das hier im SDL für Biomaterialien und Gewebe- & Organoidforschung am KIT abläuft, funktioniert nahezu ohne menschliches Zutun. Vernetzte Geräte und digitale Systeme führen eigenständig Experimente durch. KI-Modelle planen und steuern die Abläufe.

„Die Maschine entscheidet, welche Schritte sie als Nächstes ausführt – auf Basis von Daten, die sie zuvor gewonnen, modelliert oder selbst recherchiert hat“, erklärt Professorin Ute Schepers. Sie leitet am Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT die Forschungsgruppe „Chemical Biology of Precision Biomaterials“ und setzt mit einem interdisziplinären Team eine Vision um, die noch vor wenigen Jahren wie Science-Fiction klang: Forschungslabore, die weitgehend autonom arbeiten.

21 Self-Driving Labs am KIT: Mehr Tempo für die Forschung

Die 2025 in Betrieb genommene Anlage im dritten Stock des ZEISS Innovation Hub am Campus Nord ist eines von inzwischen 21 SDLs am KIT. Die Labore sind Teil der Helmholtz Acceleration Alliance HELMA, eines Netzwerks autonomer Forschungsplattformen für Gesundheits-, Energie- und Materialtechnologien. Seit 2020 entstehen in Karlsruhe SDLs in den Forschungsfeldern Gesundheitstechnologien und Biomedizintechnik sowie in der beschleunigten Materialforschung – etwa für nachhaltige Energiesysteme, Katalyse, Mikroelektronik und Computing.

„Wir stehen vor der Herausforderung, dass wir bestehende Materialien durch nachhaltigere Alternativen ersetzen müssen“, so Schepers, „und zwar so schnell, dass die dafür nötige Materialforschung nur mithilfe von Robotik und KI Schritt halten kann. Deshalb sind SDLs von großer Bedeutung.“ Gleichzeitig würden Anwendungen immer komplexer, während die Zahl möglicher Materialkombinationen und experimenteller Varianten wachse. „Der rasante Fortschritt großer KI-Modelle und agentischer KI, die selbstständig planen und handeln kann, liefert nun den entscheidenden Schub“, sagt die Forscherin und hebt die führende Rolle des KIT bei der Entwicklung autonomer Forschungsplattformen hervor. „Das Gerät, das wir für unsere Forschung an Zellkulturen nutzen, gibt es weltweit nur dreimal.“

Nachschub vom Roboter-Bringdienst

Im SDL für Biomaterialien und Gewebe- & Organoidforschung zeigt sich, wie weit die Idee autonomer Forschung fortgeschritten ist: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler geben lediglich ein Ziel vor, die Maschinen entwickeln eine Strategie und organisieren eigenständig, was sie für die Umsetzung benötigen – etwa Chemikalien. Dafür kommuniziert das System mit seinem digitalen Gegenstück in einem anderen SDL am KIT. Dieses stellt die benötigten Stoffe her und verlädt sie mithilfe von Roboterarmen auf ein autonomes Mini-Kart, das sich ohne menschliches Zutun auf den Weg über den Campus macht. Auf längeren Strecken nimmt es ein selbstfahrender Shuttlebus huckepack. Perspektivisch sollen auch Drohnen Transporte übernehmen.

Im digitalen „Gehirn“ eines SDLs laufen komplexe Schleifen aus Simulationen und Datenauswertung ab. Die KI bewertet Ergebnisse, schlägt Materialkombinationen vor und startet Experimentreihen. Erweist sich ein Material als ungeeignet, beginnt die Maschine von vorn – viel schneller und systematischer als ein Mensch, da sie Hunderte Varianten gleichzeitig simuliert und testet.