O chytrých brýlích a robotických pažích – laboratoře na cestě do digitální éry

© shutterstock/586533194/Kitreel

© iStock/1298111593/Eplisterra

© iStock/1140779713/gorodenkoff

© iStock/1358567925/PeopleImages

Co se děje ve světě, děje se i v laboratořích: trend k většímu využívání technologií, digitálních pomůcek a nejen robotů a umělé inteligence (AI) – to vše často doprovázeno větším environmentálním uvědoměním. Jaké plody tyto vývoje přinášejí a ještě přinesou, ukazuje tato zpráva o trendech.

Svět laboratoří je v neustálém změnách: Zatímco do poloviny 20. století se při pipetování používal ústa k nasávání, dnes jsou laboratoře vybaveny vhodnými technickými pomůckami, které chrání personál a usnadňují jeho práci. Vývoj však nezastavil u pipet, ale dnes dosahuje zvlášť v oblastech automatizace, digitalizace a robotiky rychlého pokroku.

Na začátku byla automatizace

Působí téměř jako relikt dávno minulých dob: Když třetí průmyslová revoluce (Průmysl 3.0) v 70. letech přinesla do pracovního prostředí stále více automatizovaných procesů, vedlo to ke zvýšení výrobního výkonu a otevřelo nové možnosti ve výrobní technice a strojírenství. I v laboratořích začal tehdy přechod od manuální rutinní práce k větší podpoře strojů. Ale teprve s čtvrtou průmyslovou revolucí v rámci digitalizace přišel oficiální průlom, jehož další vývoj je od té doby podporován a diskutován pod heslem Laboratoř 4.0.

Základ byl položen spojením základních úkolů, jako je míchání, temperování, dávkování, do automatizovaných procesů, což umožnilo rychlejší a opakovaně přesnější práci v laboratoři. Dnes je v podstatě každé laboratorní zařízení alespoň částečně automatizované – od HPLC systému s čerpadlem a autosamplerem přes fermentor s přesně řízenou technologií temperování a přívodem médií až po elektronickou pipetu s podpůrnou funkcí pro předem uložené pracovní postupy.

Automatizace v laboratoři je dnes neoddělitelně spojena s digitalizací: „Je třeba vzít v úvahu, že digitalizace sama o sobě nestačí – automatizace má zvlášť v laboratořích i silnou hardwareovou složku,“ říká prof. Dr. Kerstin Thurow z Centra pro automatizaci životních věd (CELISCA) na Univerzitě Rostock. Bez vhodných zařízení a systémů, které manipulují s vzorky a laboratorním materiálem, není možné automatizovat laboratorní procesy. „To se v dnešní diskusi často zapomíná nebo se to předpokládá jako samozřejmost,“ poznamenává odbornice.

Ideálně zařízení spojuje funkce automatizace a digitalizace, jak je tomu u mnoha pracovních stanic. Ty jsou obvykle vybaveny vlastním softwarem. Uživatelé mohou své pracovní procesy ukládat sami, aniž by potřebovali programovací znalosti. Například v systému lze pomocí drag-and-drop předpřipravených kroků vyvíjet screeningy účinných látek na počítači, které pak automaticky provádí pipetovací stanice. Uživatelé tak získávají více času na složitější úkoly, jako je plánování a vyhodnocování experimentů.

Od automatu k robotickému rameni

Podporou pracovních stanic, které plní většinou přesně definované úkoly, jsou stále častěji v laboratořích k vidění i robotická ramena známá z průmyslu. „Vedle klasických kartézských robotů na manipulaci s kapalinami se různé robotické paže používají především tehdy, když je třeba spojit složité systémy sestávající z více zařízení,“ vysvětluje expertka na automatizaci Thurow. Takové robotické rameno, které je především spojováno s výrobou automobilů, dokáže vykonávat plynulé pohyby, jaké zvládne jen člověk – a to s přesností, výdrží a opakovatelností stroje. To přináší výhody například při přesunu vzorků nebo přípravě vzorků, zvlášť v projektech, kde se workflow a úkoly často mění a je třeba flexibilního řešení.

Aby se taková robotická podpora mohla umístit v již tak stísněném prostoru laboratoře, jsou moderní robotická ramena většinou tzv. cobots (spolupracující roboty), tedy kolaborativní roboti. Výhodou je, že tito kolaborativní roboti lze bezpečně integrovat do společného pracovního prostředí s lidmi, aniž by bylo nutné vytvářet fyzickou bariéru mezi pracovníky a robotem.

Je možné, že v budoucnu budou v laboratořích jednoduché a monotónní práce personálu přebírat robotické pomocníky. Například „Kevin“, autonomní kolaborativní robot představený na výstavě ACHEMA 2022 a vyvinutý Fraunhoferovým ústavem pro automatizaci, je již dnes nasazen v reálných laboratořích. Sám se pohybuje po laboratoři, přijímá vzorky a přenáší je mezi příjmem zboží, analytickou laboratoří a archivem. Taková mobilní robotika podle

expertky na automatizaci Thurow má největší šance zásadně změnit práci v laboratořích v budoucnu. „To umožní zvlášť ve složitých distribuovaných systémech ještě vyšší stupeň automatizace.“ Plně autonomní laboratoř však podle jejího odhadu nebude existovat. „Řešení budou vždy optimalizována pro určité procesy,“ říká Thurow.

Datová záplava před námi

Kromě fyzických úkolů, které vykonávají roboti a další stroje, je v prostředí laboratoře často hlavním tématem generování dat nebo alespoň jejich klíčovou součástí práce. Od začátku počítačové éry dochází k rychlému nárůstu rychlosti a množství produkovaných dat.

Zároveň se nevyhnutelně vyvinul vývoj, který podporuje laboranty při sběru, správě a vyhodnocování dat. Především je třeba zmínit Laboratorní informační a řídicí systémy (LIMS), bez nichž by takový nárůst dat nebyl možný. Pomáhají s dokumentací, správou vzorků a fungují jako rozhraní k různým zařízením v laboratoři. To usnadňuje nebo dokonce umožňuje sledování procesů a vzorků, takže lze splnit i požadavky regulací v akreditovaných laboratořích s přiměřeným úsilím.

Komunikace je klíčem

Obecně jsou rozhraní důležitým tématem v laboratořích. Již delší dobu existují snahy ukončit éru proprietárního softwaru a umožnit tzv. plug-and-play i napříč různými výrobci bez omezení – tedy jednoduše připojit nový spektrometr a ihned jej začlenit do stávajícího laboratorního sítě, která jej okamžitě rozpozná a je připravena k použití. V mnoha případech to již funguje, ale stále je před námi ještě hodně práce. Především jsou zde dvě iniciativy, SiLA a OPC UA LADS, které si kladou za cíl vytvořit běžný standard pro připojení zařízení v laboratoři.

Realita nestačí

Při zajištění uživatelské přívětivosti při novém nebo prvním zařizování laboratoře nejde jen o otázku rozhraní, ale i o obecné plánovací otázky, jako je vhodné umístění zařízení, dostupný prostor, až po kompletní plánování dodávek médií a vybavení nových pracovních míst. V tomto ohledu již VR (virtuální realita) našla své uplatnění v laboratořích. Umožňuje například interaktivně a imerzivně prozkoumat digitální dvojče laboratoře, umístit a upravit laboratorní nábytek a společně s plánovači diskutovat o změnách přímo ve virtuálním prostoru. Tím je možné realizovat tradiční osobní schůzky odkudkoliv, stačí jednoduché přihlášení a stabilní internetové připojení.

Podobně i rozšířená realita (AR), při níž jsou informace promítány do reálného prostředí, již dnes nabízí velký potenciál pro práci v laboratoři – i když průlom do běžného pracovního dne stále ještě čeká. Možnosti jsou rozmanité: krok za krokem vedené pracovní postupy zobrazené v brýlích, zvýraznění hledaných zařízení nebo chemikálií v zorném poli či instrukce k opravám analytických přístrojů jsou jen některé příklady. Uživatelé se možná budou muset na tento nový typ podpory zvyknout. Je možné, že se technologie s nedávno představenými VR brýlemi od Apple brzy prosadí ve společnosti.

Když se stroje učí

Rychlost technologického skoku je patrná na vzestupu chatbotu ChatGPT a jeho klonů, které během krátké doby zažily mediální boom. Možnosti, které přinášejí takové učící se algoritmy, budou měnit i pracovní prostředí v laboratoři. Příslušně vyškolený program by například mohl pomoci s dokumentací a psaním publikací. Nebo jednoduše fungovat jako prostředník mezi člověkem a počítačovým programem, s nímž lze prostřednictvím textu nebo hlasových příkazů navrhovat a řídit měření – vlastně v přímém dialogu s analyzačním přístrojem. První pokusy s hlasovým ovládáním laboratoře představil v roce 2022 výrobce temperačních technologií Lauda se svým systémem Lauda Live. Výhoda je zřejmá, neboť v tomto případě je ruka, která zadává příkazy, již nepotřebná: zůstává volná pro jiné akce.

Cesta k zelené budoucnosti

Laboratoř se postupně stále více propojuje, digitalizuje a automatizuje. Možná v budoucnu dokonce dojde k často propagovanému stavu „bezpapírové laboratoře“. Jedním z aspektů, který bude při veškerém technickém pokroku působit jako protiklad, však bude udržitelný rozvoj. Přání po udržitelném laboratoři však rozhodně neznamená méně technologií, naopak je na nové technologie závislé.

O tom je přesvědčen i Dr. Thorsten Teutenberg z Institutu pro životní prostředí a energii, techniku a analytiku (IUTA): „Digitalizace nabízí především největší potenciál pro podporu udržitelnosti v laboratořích.“ To podle něj například spočívá v lepších organizačních a dokumentačních možnostech. „V mnoha akademických institucích se často opakují experimenty, které již byly několikrát provedeny, ale jiným pracovníkem, který již třeba dávno nepracuje na této instituci. Použitím například elektronického laboratoře namísto papírového záznamníku lze trvale zpřístupnit výsledky výzkumu a vyhnout se zbytečným opakováním.“

Také miniaturizace laboratorních zařízení a procesů, například přechod od klasické HPLC k mikro-LC, má pozitivní dopad na udržitelnost. Takové úpravy mohou v ideálním případě uvolnit cenné místo v laboratoři. „Pokud se podaří pomocí miniaturizovaných analytických systémů ušetřit místo, má to okamžitý vliv na provozní náklady laboratoře,“ vysvětluje Teutenberg.

Zda půjde o miniaturizaci zařízení a experimentálních sestav až po „Lab-on-a-Chip“ s minimální spotřebou zdrojů, nebo o řešení optimalizované umělou inteligencí, které rychleji dosáhne požadovaného výsledku, či o jednoduše chladící zařízení s nižší spotřebou energie – mnoho moderních vývojů implicitně podporuje myšlenku udržitelnosti v laboratořích.

Závěr

Od automatizace přes robotiku po digitalizaci a AI až po větší úsilí o udržitelnost: laboratoře jsou v neustálém vývoji. Jak rychle se skutečně mění svět laboratoří, záleží nakonec nejen na pokroku technologií, ale i na lidech, kteří je ve svém pracovním každodenním životě využívají. A někdy je třeba čas, než se něco nového prosadí, ať už je to první LIMS nebo futuristicky vypadající AR data-brýle do laboratoře.