Laboratorio inteligente y conectado del futuro - "Laboratorio 4.0"

Bajo el lema "Industria 4.0", la digitalización y la conectividad están llegando a todos los ámbitos de la economía. El mundo físico se fusiona con el virtual, en algunos sectores más rápido, en otros más lento. Existe una gran necesidad de ponerse al día en laboratorios: conceptos, equipamiento, tecnología, sin mencionar la conectividad y la integración en el entorno IT o la automatización de procesos — en todas las áreas hay que avanzar.

La gran exigencia para el laboratorio del futuro es que los sistemas y tecnologías se comuniquen por sí mismos y que los procesos se automaticen. Por ejemplo, un armario de seguridad supervisa el desbordamiento de los contenedores de recolección, se comunica con otros dispositivos y equipos. Cámaras pueden controlar la tecnología de laboratorio y, por ende, los procesos. Módulos inteligentes encienden y apagan equipos. En general, los procedimientos en el laboratorio cada vez más son gestionados por la comunicación autónoma entre los dispositivos de laboratorio. La visión se llama "Laboratorio 4.0".

Objetivo: desarrollo y estandarización de tecnologías innovadoras para laboratorios

La visión de un "Laboratorio 4.0" inteligente y conectado busca realizar la red de innovación smartLAB a nivel nacional. Es financiada por el Ministerio Federal de Economía y Tecnología (BMWi) en el marco del Programa Central de Innovación para PYMES (ZIM). Unos 20 empresas e instituciones de investigación e industria se han unido: Eppendorf AG, Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización (IPA), Herr M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering y Deutsche Messe AG. La dirección del proyecto corre a cargo del Instituto de Química Técnica (TCI) de la Universidad Leibniz de Hannover. "En smartLAB, como empresa, tenemos la oportunidad de realizar la visión de un futuro de laboratorio en colaboración con otros. El intercambio entre nosotros y con los clientes en el lugar aporta impulsos importantes para futuros proyectos", explica la Dra. Tanja Musiol, responsable de gestión de portafolio y marketing en Eppendorf AG.

El objetivo de la red es desarrollar y estandarizar tecnologías innovadoras para laboratorios y las aplicaciones y soluciones basadas en ellas. Con su ayuda, se pretende simplificar los procesos, mejorar la calidad, aumentar la eficiencia y, al mismo tiempo, incrementar la seguridad de los procesos. Para que el entorno de laboratorio pueda cumplir con todos los requisitos, todos los componentes y funcionalidades deben integrarse y los sistemas robóticos deben asumir muchas tareas manuales.

Conectividad digital dinámica, automatización y robótica, interfaces funcionales integradas y conceptos modulares — el futuro, también del laboratorio, reside en la interacción de todas estas tecnologías", confirma el Dr. Simon Bungers, CEO de labfolder y portavoz del grupo smartLAB.

El laboratorio del futuro inteligente en Hannover

Actualmente existe un prototipo del "Laboratorio 4.0" en Hannover. Se llama smartLAB y fue presentado por primera vez en 2015 en la feria de tecnología de laboratorio LABVOLUTION como laboratorio modelo visionario.

Tanto en apariencia como en funcionamiento, el smartLAB abre nuevos caminos. A simple vista, lo que llama la atención es que no está compuesto por mesas o bancos de laboratorio, sino por módulos hexagonales individuales, cada uno de 90 centímetros de altura. Esto ahorra espacio y permite una configuración flexible del laboratorio. Dispositivos conectados, automatización y robótica, superficies que pueden pesar y medir, impresoras 3D o gafas de datos que dan instrucciones y pueden activar alarmas en caso necesario, son innovaciones tecnológicas fundamentales. Sin embargo, lo verdaderamente revolucionario del smartLAB sucede en la interacción entre los dispositivos y con ayuda de software especialmente desarrollado. El Laboratorio 4.0 funciona completamente conectado, algo que hasta ahora era la excepción en la realidad de los laboratorios. "El proyecto smartLAB no solo es un ejemplo para la industria de laboratorios en Alemania, sino también a nivel mundial", afirma el profesor Dr. Thomas Scheper, director del TCI. "En smartLAB, conectamos componentes tecnológicos de manera que todos los procesos de trabajo se apoyan digitalmente y, por lo tanto, son no solo más sencillos, sino también más seguros."

La visión de un laboratorio del futuro inteligente también ha convencido a los políticos. "Con el proyecto smartLAB, el estado de Baja Sajonia demuestra, por un lado, su excelencia en investigación", dice Olaf Lies, ministro de economía de Baja Sajonia. "Pero smartLAB es especialmente valioso porque aquí, socios de investigación e industria crean soluciones conectadas que pueden transformar la práctica del laboratorio del futuro". Los ministerios de Ciencia y Cultura y de Economía, Trabajo y Transporte de Baja Sajonia financian el proyecto: smartLAB se instalará como objeto de exhibición permanente en la Academia de Tecnología de Deutsche Messe en Hannover y podrá ser utilizado para presentaciones empresariales y capacitaciones.

Centro de Innovación nICLAS para automatización de laboratorios en Stuttgart

El Fraunhofer IPA desarrolla nuevas tecnologías para un laboratorio inteligente del futuro, en colaboración con socios de la industria, también en el marco del Centro de Innovación para Automatización de Laboratorios Stuttgart, conocido como nICLAS. Entre los participantes del proyecto hay usuarios industriales y desarrolladores, así como socios que hacen puente con la investigación y la formación académica. "El campo multidisciplinario requiere un equipo multidisciplinario para competir con éxito en el ámbito internacional. Por eso, estamos felices de contar con socios fuertes como Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega y Festo, que nos proporcionan los equipos más recientes y tecnologías innovadoras", comenta Mario Bott, responsable del proyecto nICLAS del Fraunhofer IPA.

El trasfondo: actualmente, la automatización solo se impulsa en una fracción de laboratorios en todo el mundo. Una de las razones son las estrictas regulaciones y los procesos multivariados y no estandarizados en la rutina de laboratorio. "Las muestras y productos en el laboratorio están sujetos a requisitos de calidad extremadamente estrictos. Para las empresas, esto hace que sea costoso y laborioso implementar nuevas tecnologías", explica Mario Bott. Además, durante muchos años, el entorno manual de los laboratorios se consideró una ventaja. Se pensaba que así se era más rápido y flexible.

Hacia una fábrica de datos conectada

Poco a poco, también en las empresas se está produciendo un cambio de mentalidad. "Los laboratorios en puntos clave de la empresa se están convirtiendo cada vez más en fábricas de datos conectadas: ya sea como laboratorios de diagnóstico, en la investigación de nuevos medicamentos o en control de calidad y liberación de productos. Generan información que es sumamente valiosa para la gestión empresarial", destaca Mario Bott. "Además, la creciente personalización de productos y procesos mediante diagnósticos y terapias personalizadas plantea nuevos desafíos para los laboratorios. Para gestionar la creciente complejidad, se deben desarrollar soluciones sostenibles y modulares para sistemas de hardware y software. Ahí entra en juego nICLAS."

La investigación y desarrollo cooperativos dan resultados

Ya se pueden ver los primeros impulsos y estímulos de pensamiento en el FutureLab de nICLAS. Un ejemplo: seguimiento inteligente.

En el Fraunhofer IPA se desarrolló un sistema de seguimiento que documenta y evalúa automáticamente los movimientos de las manos mediante procesamiento de imagen 3D: una cámara 3D montada sobre una mesa estéril registra los movimientos de las manos de los empleados y transmite los datos en tiempo real a un sistema de información. Aquí, los algoritmos de reconocimiento de movimiento los evalúan, los clasifican y los transfieren a un protocolo. El sistema registra y documenta de manera exhaustiva y precisa cada paso del proceso. Esto ahorra tiempo, descarga a los empleados y proporciona mejores resultados. Otra ventaja: el sistema de seguimiento requiere solo software y hardware sencillos, por lo que también es adecuado para laboratorios pequeños.

"TeachIT", otra solución de los científicos del IPA, también ahorra tiempo en la rutina de laboratorio. A través de esta aplicación, en el menor tiempo posible se capacitan automáticamente los robots de laboratorio. Para ello, las placas multitratto se equipan con códigos de barras en la superficie de trabajo. Una cámara 3D en el brazo robot detecta la marca y muestra al robot dónde debe agarrar.

Iniciativa SiLA para estándares unificados

En muchos laboratorios de biotecnología, farmacia y diagnóstico existen entornos de dispositivos altamente especializados y heterogéneos. Sin embargo, dado que las estructuras IT subyacentes suelen ser de origen histórico, los dispositivos no pueden o solo pueden ser coordinados de manera insuficiente. La solución a este problema son controladores de dispositivos y plataformas que cumplen con estándares unificados. Como se comunican con productos de todos los fabricantes, permiten la integración deseada de componentes heterogéneos.

Para poder desarrollar soluciones IT sostenibles para laboratorios automatizados, actualmente, fabricantes de sistemas, proveedores de software, integradores de sistemas y empresas farmacéuticas y biotecnológicas participan en la iniciativa SiLA (Estandarización en Automatización de Laboratorios) para establecer estándares vinculantes. El objetivo de esta iniciativa es una integración sin problemas de dispositivos de laboratorio y sistemas IT de diferentes fabricantes. Para ello, se necesitan interfaces de comunicación unificadas, controladores de dispositivos y materiales consumibles de laboratorio. Los miembros del consorcio sin fines de lucro envían expertos altamente especializados a diversos grupos de trabajo técnico para desarrollar estándares vinculantes en conjunto. Según el Fraunhofer Instituto para Tecnología de Producción y Automatización (Fraunhofer IPA), también miembro del consorcio SiLA, los fabricantes de dispositivos y componentes deben certificar la conformidad con SiLA de sus desarrollos. El instituto ofrece tanto asesoramiento inicial como una posterior evaluación automática de conformidad y certificación.