Chytré laboratoře budoucnosti

V moderní laboratoři se objevuje paradigma změny. S rostoucí složitostí laboratorních procesů jsou řešení automatizace nepostradatelná. Také neustálý nárůst zákonných a regulačních požadavků činí nutnou potřebu vhodného propojení. Chytrá laboratorní zařízení jsou hybnou silou inovací v laboratoři budoucnosti.

Integrovaná řešení automatizace a digitalizace jsou na analytice v Mnichově, od 10. do 13. května 2016, prezentována prakticky zkušenými odborníky. V teoretické i praktické rovině jsou představena odpovídající nástroje, softwarová a síťová řešení, která vytvářejí předpoklady pro chytrou laboratoř.

Budoucí řešení informačních technologií otevírají v laboratoři dosud nepoznané příležitosti a výzvy. Optimálně vyvinuté stupně automatizace a integrované moduly zařízení pro dynamické nasazení umožňují efektivní a reprodukovatelné, tedy validovatelné, procesní návrhy s komplexní správou dat. Je třeba převést manuální postupy do automatizovaných procesů a integrovat stávající systémy řízení laboratorních informací (LIMS), aby byla práce v laboratoři ještě efektivnější. Inteligentní laboratorní systémy a individuální propojení a udržitelná integrace laboratoře do podnikové struktury nejen zvyšují flexibilitu, ale i významně zlepšují ekonomickou efektivitu podniku.

Obzvlášť v růstově orientované průmyslové laboratoři je cílem zlepšit efektivitu, optimalizovat struktury a zvýšit flexibilitu. Klíčové předpoklady a faktory úspěchu k dosažení těchto cílů jsou nejmodernější vysoce rozlišovací komunikační analytické systémy, funkční řešení automatizace k zajištění reakčních parametrů a kvality produktů, stejně jako rychlá dostupnost dat a efektivní správa dat.

Důležité technologie budoucnosti mají své místo v hodnotovém řetězci laboratoře. V kontextu rostoucí digitalizace je třeba v laboratoři budoucnosti přehodnotit různé procesy a struktury. Začátek této nové vývojové fáze v laboratoři vyžaduje složitá komplexní řešení automatizace. Počet síťově propojených laboratorních zařízení s tzv. chytrými funkcemi bude rychle růst. Laboratoř 4.0 začíná být realitou.

Laboratoř budoucnosti vyžaduje bezpodmínečnou schopnost komunikace systémů laboratoře. Cílem je zajistit nepřetržitou dostupnost dat a různé flexibilní doplňkové funkce až po monitorované testovací procesy. Chytré moduly již dnes řídí zařízení, automaticky zapínají laboratorní přístroje a regulují různé procesy v laboratoři. Například bezpečnostní skříň může automaticky monitorovat a regulovat přelévání sběrných nádob nebo komunikovat s jinými částmi skříně a zařízeními. Zabudované kamery v různých nástrojích laboratorní techniky inteligentně řídí dění v jejich okolí. V budoucnu bude komunikace mezi laboratorními zařízeními stále důležitější.

Chytrá laboratoř představuje novou éru v laboratoři. Stávající technologie zařízení musí být připraveny na budoucnost, vysoce dostupné datové sítě jsou nezbytné. Obrovské množství dat musí být smysluplně využíváno. Rychlý a bezpečný přenos obrovských datových objemů a IP-based sítě vyžadují ekonomické zacházení s daty.

Most mezi vědami o živé přírodě a automatizační technikou

Výzkumný tým kolem Andrease Traubeho, vedoucího oddělení automatizace laboratoří a bioprodukční techniky na Fraunhoferově institutu pro výrobní techniku a automatizaci IPA, vyvinul nové přístupy k propojení laboratorních a analytických procesů v hodnotovém řetězci od logistiky vzorků po dokumentaci. Zkušenosti z LEAN managementu a optimalizace procesů byly přeneseny do laboratoře s cílem trvale zvýšit efektivitu všech procesů a tím i výkonnost laboratoře. S úspěšnou realizací se týmu podařilo vztyčit most mezi vědami o živé přírodě a automatizační technikou. „Jsme přesvědčeni, že laboratorní práce ve vědách o živé přírodě může být díky kombinaci organizačních a technických řešení výrazně efektivnější. Fraunhofer IPA nabízí pro celý pracovní tok LEAN laboratoře zákaznická řešení a podporu při implementaci i technickém vývoji,“ vysvětluje Traube.

„Žijeme v době stále více personalizovaných produktů. Proto se laboratoře stávají klíčovým faktorem při výzkumu a testování produktů v různých odvětvích,“ předpovídá Traube. „Propojení klíčových prvků laboratoře, jako jsou procesy, datová analytika, zařízení a personál, představuje hlavní prvek efektivní chytré laboratoře,“ vysvětluje Traube a dává nahlédnout do budoucnosti. „Technologické základy pro to jsou již přítomny. Tyto technologie budou v příštích letech výrazně ovlivňovat a měnit laboratoře!“

Laboratoř 4.0 z pohledu odvětví

Základně lze rozlišit dva typy laboratoří: akademické výzkumné laboratoře a průmyslové výzkumné či kontrolní laboratoře. Pro první z nich vidí Dr. Frank Schleifenbaum, marketingový ředitel společnosti Berthold Technologies, menší potřebu automatizace laboratoře, protože aplikace jsou málo standardizované a opakovatelné. Spíše vidí řešení ve spojení laboratorního vybavení, což může zahrnovat automatizovaný systém nákupu chemikálií a laboratorního materiálu, přímou výměnu dat jednotlivých analytických zařízení (LIMS) nebo plně automatizované laboratoře. „Pro takovou integraci jsou nutné odpovídající rozhraní v hardwaru, elektronice a softwaru,“ říká Schleifenbaum. „Ideálně mají všechna zařízení přístup k síti a komunikují přes standardizovaný protokol, například SILA. Ve výzkumu však musí být vždy umožněna zásah uživatele do procesu. Jednotné rozměry zařízení by mohly být tématem. Například standardizované rozměry v definovaném rozměrovém rozsahu, aby laboratoř – například pomocí pojízdných stolů – mohla být snadno přizpůsobena danému pracovního procesu.“ Požadavky na rutinní a analytické laboratoře průmyslu jsou podle něj odlišné. Zde není hlavní flexibilita, ale spolehlivost, průchodnost a prevence chyb. „V každém případě musí být zajištěno automatizované manipulace s vzorky, dokumentace dat musí být plně automatická. Jednotlivá zařízení si vyměňují data a vzorky mezi sebou, manuální zásah není nutný. Standardizovaná rozhraní umožňují kombinovat centralizaci a decentralizaci laboratoří,“ pokračuje Schleifenbaum. „Složitější analýzy dat („Big Data“) mohou být přesunuty na výkonné výpočetní clustery, data jsou centrálně ukládána a vzájemně korelována,“ dodává. Přes veškerou standardizaci laboratorních procesů poskytují jednotná rozhraní rychlou možnost přestavby laboratoře na jiné rutinní úkoly.

Big Data

Laboratoř 4.0 umožňuje zaznamenávat a propojit velké objemy dat. „Proto je třeba podporovat inovace, které mohou tato data automaticky a rychle generovat („High Throughput Screening“ a „Big Data“). Rozhraní však musí být definována. K tomu musí existovat závazné požadavky regulačních orgánů. Volná konsorcia dodavatelů laboratorního vybavení pravděpodobně nebudou dostačující,“ říká Schleifenbaum. „Ochrana dat bude důležitým tématem, kterému se musí věnovat síťová technika. Komunikace mezi jednotlivými zařízeními musí být tak jednoduchá, aby ji uživatel mohl sám vytvářet a upravovat.“ Automatické vyhodnocování dat musí být schopno se učit, což znamená, že musí samostatně hledat souvislosti a odhalovat závislosti a zobrazovat je. To by nemělo odrážet ruční postup uživatele, ale jej rozšiřovat. Podle Schleifenbauma tak uživatel získá flexibilní prostředí laboratoře, které se může přizpůsobit aktuálním potřebám, a současně zvýší kvalitu analytických výsledků a získá možnost zaznamenávat, organizovat a automaticky vyhodnocovat větší objemy dat.

Odvětvová řešení na analytice v Mnichově

Na analytice, která se koná od 10. do 13. května v Mnichově, představí více než 1100 vystavovatelů z celého světa nové produkty a metody – také pro laboratoř budoucnosti. Dr. Gunther Wobser, jednatel společnosti LAUDA, vidí výzvy v oblasti Laboratoře 4.0 v tom, že „zařízení musí komunikovat mezi sebou“. LAUDA nabízí k tomuto termostaty a cirkulační chladiče s různými rozhraními. Poskytujeme bezplatně ovladače pro integrované systémy automatizace laboratoří a staráme se o jejich trvalou dostupnost prostřednictvím vzdálené údržby.“ Na analytice představí LAUDA novinku. „Naše velké inovace na analytice se jmenuje PRO. Poprvé nabízíme optimalizované termostaty pro lázeňské aplikace a externí termostaty pro aplikace mimo laboratoř. Ovládací jednotka je zcela nezávislá na termostatu a může být flexibilně umístěna tam, kde je potřeba,“ říká Wobser.

Kromě toho představí nexygen® svou druhou veřejnou prezentaci na analytice a představí nápady a vývoje laboratoře budoucnosti. nexygen® – THE NEXT GENERATION LAB je iniciativa společností Köttermann, Memmert, Hirschmann, 2mag a Sartorius. Němečtí výrobci produktů a služeb kolem laboratoře si uvědomili, že trendy v laboratoři, vedle miniaturizace a automatizace, zahrnují také optimální využití prostoru, snížení provozních nákladů, snadnou výměnu dat mezi zařízeními a zvýšení flexibility a mobility.

Závěr

Laboratoř 4.0 revolučně mění svět laboratoří od logistiky vzorků po správu dat a umožňuje nové přístupy k personalizovaným procesům. Big Data, cloudové výpočty, internet věcí a mobilní internet budou hrát klíčovou roli v zajištění budoucího růstu jako technologie nové generace.