Chytré a propojené laboratoře budoucnosti - „Laboratoř 4.0“

Pod heslem "Průmysl 4.0" se digitalizace a propojení začínají rozšiřovat do všech oblastí hospodářství. Fyzický svět splývá s virtuálním, v některých odvětvích je to rychlejší, v jiných pomalejší. Velké zpoždění je v laboratořích: koncepty, zařízení, vybavení a technologie, nemluvě o propojení a začlenění do IT prostředí nebo automatizaci procesů – ve všech oblastech je třeba dohánět zameškané.

Velkou výzvou pro laboratoř budoucnosti je, že systémy a technologie budou komunikovat samy a procesy budou probíhat automaticky. Například bezpečnostní skříň sleduje přetečení sběrných nádob, komunikuje s jinými zařízeními a přístroji. Kamery mohou řídit laboratorní techniku a tím i procesy. Chytré moduly zapínají a vypínají zařízení. Celkově se v laboratoři stále více řídí procesy autonomní komunikací mezi laboratorními přístroji. Tato vize se nazývá „Laboratoř 4.0“.

Cíl: Vývoj a standardizace inovativních laboratorních technologií

Vize inteligentní a propojené „Laboratoře 4.0“ má být realizována v rámci celoněmecké sítě inovací smartLAB. Projekt je podporován Spolkovým ministerstvem hospodářství a technologií (BMWi) v rámci Centrálního inovačního programu pro střední podniky (ZIM). Připojilo se kolem 20 firem a institucí z výzkumu a průmyslu: Eppendorf AG, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), pan M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering a Deutsche Messe AG. Vedení projektu má Institut für Technische Chemie (TCI) na Leibnizově univerzitě Hannover. „V smartLAB máme jako firma možnost realizovat v rámci spolupráce s ostatními vizi budoucí laboratoře. Výměna zkušeností mezi sebou i s místními zákazníky přináší důležité impulzy pro budoucí projekty,“ vysvětluje Dr. Tanja Musiol, vedoucí portfoliového managementu marketingu u Eppendorf AG.

Cílem sítě je vývoj a standardizace inovativních laboratorních technologií a na nich založených aplikací a řešení. S jejich pomocí mají být procesy zjednodušeny, kvalita zlepšena, efektivita zvýšena a současně zvýšena bezpečnost procesů. Aby prostředí laboratoře splnilo všechny požadavky, musí všechny komponenty a funkce vzájemně spolupracovat a robotické systémy převzít mnoho úkonů.

Dynamické, digitální propojení, automatizace a robotika, integrované funkční rozhraní a modulární koncepty – v souhře všech těchto technologií spočívá budoucnost, včetně budoucnosti laboratoře,“ potvrzuje Dr. Simon Bungers, CEO společnosti labfolder a mluvčí skupiny smartLAB.

Inteligentní budoucí laboratoř v Hannoveru

V Hannoveru je v současnosti prototyp „Laboratoře 4.0“. Jmenuje se smartLAB a byl poprvé představen v roce 2015 na veletrhu laboratorní techniky LABVOLUTION jako vizionářská vzorová laboratoř.

Jak z pohledu vzhledu, tak i v zákulisí, jde smartLAB novými cestami. Na první pohled si laik všimne, že smartLAB neobsahuje stoly nebo laboratořské lavice, ale sestává z jednotlivých šestihranných modulů, každý vysoký 90 centimetrů. To šetří místo a umožňuje flexibilní uspořádání laboratoře. Propojená zařízení, automatizace a robotika, povrchy, které váží a měří, 3D tiskárny nebo brýle s rozšířenou realitou, které dávají pokyny a v nouzi mohou i spustit alarm, jsou hlavní technologické novinky. To nejzásadnější na smartLAB však probíhá v souhře jednotlivých zařízení a za pomoci speciálně vyvinutého softwaru. Laboratoř 4.0 funguje plně propojeně, což je zatím v realitě laboratoří spíše výjimkou. „Projekt smartLAB má nejen v Německu, ale i celosvětově předobrazový charakter,“ potvrzuje profesor Dr. Thomas Scheper, vedoucí TCI. „V smartLAB propojujeme jednotlivé technologické komponenty tak, že všechny pracovní procesy jsou digitálně podporovány a tím nejen jednodušší, ale i bezpečnější.“

Vize inteligentní budoucí laboratoře přesvědčila i politiky. „S projektem smartLAB dokazuje Dolní Sasko svou výzkumnou excelenci,“ říká ministr hospodářství Dolního Saska Olaf Lies. „Podporu má smartLAB především proto, že zde partneři z výzkumu a průmyslu vytvářejí propojená řešení, která mohou zásadně změnit praxi laboratoří budoucnosti.“ Dolnosaská ministerstva pro vědu a kulturu a pro hospodářství, práci a dopravu projekt podporují: smartLAB bude jako stálý výstavní objekt vystaven v Deutsche Messe Technology Academy na hannoverském výstavišti a může být využíván pro prezentace firem a školení.

Inovační centrum nICLAS pro automatizaci laboratoří ve Stuttgartu

Nové technologie pro chytré laboratoře budoucnosti vyvíjejí, ve spolupráci s partnery z průmyslu, také Fraunhofer IPA. Místem dění je Inovační centrum pro automatizaci laboratoří Stuttgart, zkráceně nICLAS. Mezi účastníky projektu jsou průmysloví uživatelé a vývojáři, stejně jako partneři, kteří spojují výzkum s akademickým vzděláváním. „Mezioborové úkolové pole vyžaduje multidisciplinární tým, aby bylo možné úspěšně konkurovat na mezinárodní úrovni. Proto jsme rádi, že jsme našli silné partnery v firmách Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega a Festo, kteří nám poskytují nejnovější zařízení a inovativní technologie,“ říká vedoucí projektu nICLAS Mario Bott z Fraunhofer IPA.

V pozadí: Automatizace je v současnosti podporována jen v malém počtu laboratoří po celém světě. Důvodem jsou přísné předpisy a vícerozměrné, nestandardizované procesy v běžném provozu laboratoří. „Vzorky a produkty v laboratoři podléhají nejpřísnějším požadavkům na kvalitu. Pro firmy je proto drahé a náročné zavádět nové technologie,“ vysvětluje Mario Bott. Navíc manuální prostředí laboratoří bylo po mnoho let považováno za výhodu. Měli za to, že je to rychlejší a flexibilnější.

Cesta ke propojené datové továrně

Postupně i firmy začínají přehodnocovat svůj přístup. „Laboratoře na klíčových rozhraních ve firmách se stále více mění na propojené datové továrny: ať už jako diagnostická laboratoř, v lead-discovery pro nové léky nebo v zajištění kvality a schvalování produktů. Generují informace, které jsou pro řízení firmy mimořádně cenné,“ zdůrazňuje Mario Bott. „Navíc rostoucí personalizace produktů a procesů prostřednictvím personalizované diagnostiky a terapie klade na laboratoře nové výzvy. Aby bylo možné zvládnout narůstající složitost, je třeba vyvíjet udržitelné, modulární řešení hardwaru a softwaru. To je cílem nICLAS.“

Kooperativní výzkum a vývoj přináší výsledky

První impulzy a podněty přináší již nICLAS-FutureLab. Příklad: inteligentní sledování.

Ve Fraunhofer IPA byl vyvinut systém sledování, který automaticky dokumentuje a vyhodnocuje pohyb rukou pomocí 3D zpracování obrazu: 3D kamera umístěná nad sterilní lavicí zaznamenává pohyby rukou pracovníků a data přenáší v reálném čase do informačního systému. Zde jsou data vyhodnocována pomocí algoritmů rozpoznávání pohybu, tříděna a převedena do protokolu. Systém tak bez mezer a přesně zaznamenává každý jednotlivý krok procesu. To šetří čas, odlehčuje pracovníky a přináší lepší výsledky. Další výhodou je, že sledovací systém funguje s jednoduchým softwarovým a hardwarovým vybavením, a je proto vhodný i pro menší laboratoře.

„TeachIT“, další řešení vědců z IPA, rovněž šetří čas v běžném provozu laboratoře. Pomocí této aplikace lze během krátké doby automaticky naučit laboratorní roboty. K tomu jsou na pracovní ploše označeny multitreťové desky čárovými kódy. 3D kamera na robotickém rameni rozpozná označení a ukáže robotovi, kam má sahat.

Iniciativa SiLA pro jednotné standardy

V mnoha laboratořích biotechnologie, farmacie a diagnostiky existují vysoce specializované, heterogenní sady zařízení. Protože základní IT struktury jsou však většinou historicky vyvinuté, zařízení nelze nebo jen omezeně koordinovat. Řešením tohoto problému jsou ovladače zařízení a platformy splňující jednotné standardy. Díky tomu, že se s produkty všech výrobců „dorozumívají“, umožňují požadovanou integraci heterogenních komponentů.

Pro vývoj udržitelných IT řešení pro automatizované laboratoře se v současnosti angažují výrobci systémů, softwaroví poskytovatelé, systémoví integrátoři a farmaceutické a biotechnologické firmy v rámci iniciativy SiLA (Standardization in Lab Automation). Cílem této iniciativy je bezproblémová integrace laboratorních zařízení a IT systémů různých výrobců. K tomu jsou zapotřebí jednotné komunikační rozhraní, ovladače zařízení a laboratorní spotřební materiály. Členové neziskového konsorcia vysílají vysoce specializované experty do různých technických pracovních skupin, aby společně vyvíjeli závazné standardy. Podle informací Fraunhoferova institutu pro výrobu a automatizaci (Fraunhofer IPA), který je rovněž členem konsorcia SiLA, musí výrobci zařízení a komponent certifikovat shodu svých vývojů s normami SiLA. Institut nabízí jak počáteční poradenství, tak následné automatické ověření shody a certifikaci.