Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat eine neue Ära der biomedizinischen Forschung begonnen: Ein Self-Driving Lab (SDL) führt dort Experimente vollständig autonom durch – gesteuert von Künstlicher Intelligenz. Hinter einer Glasscheibe gleitet ein Roboterarm präzise zwischen Inkubatoren und Analysegeräten, greift Mikrotiterplatten und setzt sie um, während Stammzellen zu künstlichem Gewebe heranreifen. Was nach Science-Fiction klingt, ist gelebte Realität und markiert einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden.
Die KI als Laborchef
Die treibende Kraft im Hintergrund ist die Künstliche Intelligenz, die die Rolle des Laborleiters übernommen hat. Moderne KI-Modelle planen und steuern die komplexen biologischen Abläufe autonom – ohne menschliches Eingreifen. „Die Maschine entscheidet, welche Schritte sie als Nächstes ausführt – auf Basis von Daten, die sie zuvor gewonnen, modelliert oder selbst recherchiert hat“, erläutert Professorin Ute Schepers, Leiterin der Forschungsgruppe „Chemical Biology of Precision Biomaterials“ am Institut für Funktionelle Grenzflächen. Zusammen mit einem interdisziplinären Team hat sie eine Vision verwirklicht, die noch vor wenigen Jahren als reine Fiktion galt: Labore, die weitgehend eigenständig forschen und in denen die KI die wissenschaftliche Initiative ergreift.
Das SDL am KIT ist Teil eines Netzwerks von mittlerweile 21 aktiven Self-Driving Labs, die in der Helmholtz Acceleration Alliance (HELMA) organisiert sind. Diese Einrichtungen widmen sich drängenden Fragen in den Bereichen Gesundheits-, Energie- und Materialtechnologien. Die Anlage selbst wurde im Jahr 2025 im dritten Stock des ZEISS Innovation Hub am Campus Nord in Betrieb genommen.
KI als digitales Gehirn
Das Herzstück jedes SDLs ist sein digitales Gehirn. Hier laufen ununterbrochen komplexe, KI-gesteuerte Schleifen aus Simulationen und Datenauswertungen ab. Statt jedes Experiment mühsam physisch aufzubauen, simuliert und bewertet die KI Hunderte von Materialkombinationen und experimentellen Varianten gleichzeitig. Sie schlägt eigenständig vielversprechende Zusammensetzungen vor und startet zielgerichtete, physische Experimentreihen. Erweist sich ein biologisches oder chemisches Material in der Praxis als ungeeignet, wertet die KI dieses Scheitern sofort aus, lernt daraus und passt ihre Strategie an. Dieser geschlossene Kreislauf aus Simulation, realem Test und maschinellem Lernen läuft um ein Vielfaches schneller und systematischer ab, als es einem menschlichen Team je möglich wäre.
„Der rasante Fortschritt großer KI-Modelle und agentischer KI, die selbstständig planen und handeln kann, lieferte den entscheidenden Schub“, führt Schepers aus. Die agentischen Systeme reagieren flexibel auf unvorhergesehene Ergebnisse, setzen sich selbstständig Teilziele und managen komplexe experimentelle Varianten. Damit wird ein qualitativ neues Niveau der Forschungseffizienz erreicht.
Was ist ein Self-Driving Lab?
Ein Self-Driving Lab ist eine vollautomatisierte Forschungsumgebung, in der KI-gesteuerte Roboter und Analysegeräte Experimente eigenständig planen, durchführen und auswerten. Der Mensch gibt lediglich das übergeordnete Ziel vor, während die Maschine die optimale Strategie entwickelt und umsetzt. Dies ermöglicht eine drastische Beschleunigung des Forschungsprozesses, da die KI rund um die Uhr arbeiten und aus jedem Ergebnis lernen kann.
KI als Campus-Kurier
Wie umfassend die autonome Handlungsfähigkeit dieser Systeme ist, zeigt sich im logistischen Alltag der Labore. Die menschlichen Wissenschaftler geben nur noch das Endziel vor. Die KI-Modelle entwickeln dann eigenständig die gesamte Forschungsstrategie und organisieren die benötigten Ressourcen. Fehlt etwa für ein Experiment eine bestimmte Chemikalie, agiert die KI als autonomer Einkäufer. Sie kommuniziert direkt mit dem digitalen Gegenstück eines anderen SDLs am KIT. Die dortige KI veranlasst die Synthese des Stoffes, woraufhin Roboterarme die fertige Chemikalie auf ein autonomes Mini-Kart verladen.
Ganz ohne menschliche Hilfe navigiert das Kart anschließend über das Campusgelände. Für weite Strecken nutzt das System sogar selbstständig einen Shuttlebus als Huckepack-Transport und liefert den Nachschub direkt ab. Dieses KI-gesteuerte Logistiknetzwerk soll künftig auch Drohnen integrieren, um die Versorgung noch flexibler zu gestalten.
Herzklappen aus dem Drucker
Dass dies alles keine graue Theorie ist, sondern bereits einen echten Nutzen hat, zeigt ein konkretes Ergebnis: Mit Hilfe des SDLs gelang es dem Team um Schepers, winzige künstliche Herzklappen für Säuglinge mit schweren Herzfehlern zu entwickeln. Diese können anschließend per 3D-Biodruck hergestellt werden. „Früher hätte es für eine solche Entwicklung eine ganze Doktorarbeit gebraucht“, zieht Schepers Bilanz. „Jetzt gelingen uns solche zentralen Schritte dank der KI-Unterstützung innerhalt von Monaten.“
Trotz aller KI-Euphorie gilt am KIT ein unumstößlicher Grundsatz: Der „Human in the Loop“ trifft die letzte Entscheidung und greift verifizierend ein. „Das autonome System legt vor und wir verifizieren die Ergebnisse, um zu verhindern, dass es falsch abbiegt“, beschreibt Schepers die Kontrollfunktion. Damit dieses Zusammenspiel funktioniert, setzen die Karlsruher Wissenschaftler auf Explainable AI und Trustworthy AI-Modelle. Diese speziellen KI-Architekturen sorgen dafür, dass die Entscheidungswege und Vorhersagen der Maschine für den Menschen lückenlos nachvollziehbar und überprüfbar sind.
Die Kombination aus vollautonomer Durchführung und menschlicher Kontrolle schafft ein neuartiges Forschungsökosystem, das sowohl die Geschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit wissenschaftlicher Arbeit massiv steigert. Die nächsten Schritte sind bereits absehbar: Die Integration weiterer KI-gestützter Logistiksysteme und die Ausweitung des SDL-Konzepts auf neue Disziplinen wie die Energie- und Materialforschung versprechen, den Innovationsstandort Deutschland nachhaltig zu stärken. Das KIT hat mit diesem Self-Driving Lab nicht nur einen Meilenstein gesetzt, sondern auch einen Blaupause für die Forschung der Zukunft geliefert.
