De gafas de datos y brazos robóticos – laboratorios en camino hacia la era digital

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Lo que sucede en el mundo, también sucede en los laboratorios: la tendencia hacia más tecnología, ayudas digitales y no menos robots e inteligencia artificial (IA) – todo ello a menudo acompañado de una mayor conciencia ambiental. Este informe de tendencias muestra qué frutos han dado y seguirán dando estos desarrollos.

El mundo de los laboratorios está en constante cambio: mientras que hasta mediados del siglo XX se utilizaba la boca para aspirar al pipetear, hoy en día los laboratorios están equipados con las ayudas técnicas adecuadas que protegen al personal del laboratorio y facilitan su trabajo. Sin embargo, el desarrollo no se detuvo en las pipetas, sino que hoy en día avanza rápidamente especialmente en los ámbitos de automatización, digitalización y robótica.

Al principio fue la automatización

Parece casi un relicto de tiempos pasados: cuando en los años 70 la tercera revolución industrial (Industria 3.0) llevó el mundo laboral cada vez más hacia procesos automatizados, esto provocó un aumento en la productividad y abrió nuevas posibilidades en tecnología de fabricación e ingeniería mecánica. También en los laboratorios comenzó en esa época la transición de trabajo rutinario manual a mayor apoyo mecánico. Pero fue con la cuarta revolución industrial, en el contexto de la digitalización, cuando se dio el avance oficial, cuyas evoluciones se han impulsado y discutido desde entonces bajo el término Laboratorio 4.0.

Con la integración de tareas básicas como agitar, calentar, dosificar en procesos automatizados, se sentaron las bases para un trabajo de laboratorio más rápido y repetible con precisión. Hoy en día, prácticamente todos los equipos de laboratorio están al menos parcialmente automatizados, desde sistemas HPLC con bombas y autosamplers, pasando por fermentadores con control de temperatura y suministro de medios precisos, hasta pipetas electrónicas con funciones de asistencia para flujos de trabajo preprogramados.

La automatización en el laboratorio está hoy intrínsecamente vinculada a la digitalización: "Aquí hay que tener en cuenta que la digitalización por sí sola no es suficiente – la automatización también tiene un componente hardware fuerte", dice la Prof. Dra. Kerstin Thurow del Centro para la Automatización en Ciencias de la Vida (CELISCA) de la Universidad de Rostock. Sin equipos y sistemas adecuados que manejen muestras y material de laboratorio, no es posible automatizar procesos de laboratorio. "Esto a menudo se olvida en la discusión actual o se da por sentado", señala la experta.

En el mejor de los casos, un equipo combina funciones de automatización y digitalización, como ocurre en muchas estaciones de trabajo. Estos suelen estar equipados con su propio software. Los usuarios pueden guardar sus procesos de trabajo, sin necesidad de conocimientos de programación. Por ejemplo, en el sistema se pueden desarrollar pruebas de eficacia de fármacos mediante arrastrar y soltar pasos de trabajo predefinidos en la pantalla, que luego son ejecutados automáticamente por una estación de pipeteo. Así, los usuarios ganan más tiempo para tareas más complejas, como la planificación y análisis de experimentos.

De autómata a brazo robótico

En apoyo a las estaciones de trabajo, que cumplen una tarea generalmente bien definida, cada vez se ven más brazos robóticos conocidos de la industria en el entorno de laboratorio. "Además de los robots clásicos de manejo de líquidos cartesianos, se utilizan diferentes brazos robóticos especialmente cuando hay que conectar sistemas altamente complejos compuestos por varios dispositivos", explica la experta en automatización Thurow. Un brazo robótico, como los asociados principalmente con la fabricación de automóviles, puede realizar movimientos flexibles, como solo un brazo humano, y con la precisión, resistencia y repetibilidad de una máquina. Esto ofrece ventajas, por ejemplo, para el traslado de muestras o la preparación de las mismas, especialmente en entornos de proyectos donde los flujos de trabajo y tareas cambian con frecuencia y se requiere una solución adaptable.

Para que en un laboratorio, que generalmente ya sufre por falta de espacio, pueda alojarse tal apoyo robótico, los brazos robóticos modernos suelen ser lo que se llama cobots (robots colaborativos). La ventaja aquí: los brazos robóticos colaborativos pueden integrarse de forma segura en un entorno de trabajo conjunto con humanos, sin establecer una separación física entre el personal del laboratorio y el robot.

Es posible que en el futuro, en el laboratorio, asistentes robotizados tomen tareas simples y monótonas del personal. El "Kevin", un cobot autónomo desarrollado por el Instituto Fraunhofer para Automatización, presentado en la ACHEMA 2022, ya está en uso en entornos de laboratorio reales. Se desplaza de forma autónoma por el laboratorio, recibe muestras y las transporta entre recepción, laboratorio de análisis y archivo. Según

la experta en automatización Thurow, esta forma de robótica móvil presenta las mayores oportunidades para transformar fundamentalmente el trabajo en el laboratorio en el futuro. "Esto permitirá un grado aún mayor de automatización, especialmente en sistemas distribuidos altamente complejos". Sin embargo, en su opinión, no existirá un laboratorio completamente autónomo. "Las soluciones siempre estarán optimizadas para procesos específicos", afirma Thurow.

Una avalancha de datos

Además de las tareas físicas que realizan los robots y otras máquinas, en el entorno de laboratorio suele estar en primer plano la generación de datos o al menos es una parte esencial del trabajo. Desde el inicio de la era de la informática, ha habido un aumento vertiginoso en la velocidad y cantidad de datos producidos.

Paralelamente, ha surgido inevitablemente un desarrollo que apoya a los empleados de laboratorio en la recopilación, gestión y análisis de datos. Entre ellos destacan los sistemas de gestión e información de laboratorio (LIMS), que difícilmente existirían sin el creciente flujo de datos. Ayudan en la documentación, gestión de muestras y actúan como interfaz con los diversos dispositivos del laboratorio. Esto facilita o incluso permite rastrear procesos y muestras, de modo que las regulaciones en laboratorios acreditados puedan cumplirse con un esfuerzo razonable.

La comunicación es la clave

En general, las interfaces son un tema importante en el ámbito de laboratorio. Desde hace tiempo, hay esfuerzos por acabar con los tiempos de software propietario y permitir el plug-and-play, incluso entre diferentes fabricantes, sin restricciones: simplemente conectar un nuevo espectrómetro y que sea reconocido y listo para usar en la red del laboratorio existente. En muchos casos, ya funciona así, pero aún hay mucho por hacer. Aquí destacan las iniciativas SiLA y OPC UA LADS, que se han propuesto crear un estándar difundido para la conexión de dispositivos en el laboratorio.

Una realidad no basta

Cuando se trata de la facilidad de uso para la instalación inicial o nueva de un laboratorio, no solo está en juego la cuestión de las interfaces, sino también cuestiones de planificación general, como la ubicación adecuada de los dispositivos, el espacio disponible, hasta la planificación completa del suministro de medios y la organización de nuevos puestos de trabajo. Aquí, la realidad virtual (VR) ya ha llegado al mundo de los laboratorios. Permite explorar de forma interactiva e inmersiva un gemelo digital del laboratorio previamente creado, colocar y modificar muebles de laboratorio, y los usuarios pueden discutir y visualizar directamente en el espacio virtual cambios con los planificadores del laboratorio. Así, las reuniones presenciales tradicionales se pueden realizar desde cualquier lugar con un simple inicio de sesión y una conexión a internet estable.

La realidad aumentada (AR), que proyecta información en el entorno real, también ofrece un gran potencial para el trabajo en el laboratorio, aunque todavía no ha llegado a su punto de inflexión en la rutina laboral. Las posibilidades son variadas: instrucciones paso a paso en una pantalla en las gafas, resaltar dispositivos o productos químicos en el campo visual, o instrucciones de reparación para un equipo de análisis, son solo algunos ejemplos. Es posible que los usuarios tengan que acostumbrarse a este tipo de asistencia. Se prevé que la tecnología, con las gafas VR presentadas recientemente por Apple, pronto se generalice socialmente.

Cuando las máquinas aprenden

La rapidez con la que puede ocurrir un avance tecnológico se evidencia con la aparición del chatbot ChatGPT y sus clones, que en muy poco tiempo generaron un gran revuelo mediático. Las posibilidades que ofrecen estos algoritmos de aprendizaje también cambiarán el trabajo en el laboratorio. Un programa entrenado adecuadamente podría ayudar, por ejemplo, en la documentación y redacción de publicaciones. O simplemente actuar como mediador entre humanos y programas informáticos, permitiendo diseñar y controlar mediciones mediante texto o comandos de voz, en un diálogo directo con el equipo de análisis. La empresa de tecnología de control de temperatura Lauda realizó en 2022 los primeros intentos de control por voz en el laboratorio con su sistema Lauda Live. La ventaja es evidente, o mejor dicho, la mano que la controla: ya no se necesita para ingresar datos, sino que queda libre para otras acciones.

El camino hacia lo verde

El laboratorio se irá conectando, digitalizando y automatizando cada vez más. Es posible que en el futuro exista incluso la tan propagada idea de un "laboratorio sin papel". Sin embargo, un aspecto que influirá significativamente en el futuro del laboratorio, a pesar de todos estos avances tecnológicos, será la sostenibilidad. La demanda de un laboratorio sostenible no significa menos tecnología, sino que incluso requiere nuevas tecnologías.

El Dr. Thorsten Teutenberg, del Instituto para el Medio Ambiente y Energía, Tecnología y Análisis (IUTA), también está convencido: "La digitalización ofrece inicialmente el mayor potencial para impulsar la sostenibilidad en el laboratorio". Teutenberg lo justifica, por ejemplo, en mejores posibilidades de organización y documentación. "En muchas instituciones académicas, a menudo se repiten experimentos ya realizados, pero por otra persona que quizás ya no trabaja en esa institución. Utilizando, por ejemplo, un cuaderno de laboratorio electrónico en lugar de un cuaderno en papel, los resultados de investigación pueden estar disponibles de forma permanente y evitar experimentos innecesarios".

La miniaturización de equipos y procesos de laboratorio, como la transición de HPLC clásica a micro-LC, también tiene un efecto positivo en la sostenibilidad. Con estos ajustes, en el mejor de los casos, se libera espacio valioso en el laboratorio. "Si se logra ahorrar espacio mediante sistemas de análisis miniaturizados, esto tendrá un efecto inmediato en los costos operativos del laboratorio", explica Teutenberg.

Ya sea la miniaturización de dispositivos y configuraciones experimentales hasta el "Lab-on-a-Chip" para un consumo mínimo de recursos, un enfoque de reacción optimizado por IA que llegue más rápido al resultado deseado, o simplemente un congelador con menor consumo energético, muchas de las innovaciones modernas apoyan implícitamente la idea de sostenibilidad en el trabajo de laboratorio.

Conclusión

Desde la automatización y la robótica hasta la digitalización y la IA, y con un creciente interés en la sostenibilidad: el laboratorio está en un cambio constante. La rapidez con la que realmente evoluciona el mundo de los laboratorios no solo depende de los avances tecnológicos, sino también de las personas que los utilizan en su día a día. Y a veces, lleva tiempo que algo nuevo se consolide, ya sea el primer sistema LIMS o unas gafas de realidad aumentada futuristas para el laboratorio.