Des lunettes de données et des bras robotisés – des laboratoires en route vers l'ère numérique

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Ce qui se passe dans le monde se produit également dans les laboratoires : la tendance à plus de technologie, d'outils numériques et, notamment, de robots et d'intelligence artificielle (IA) – le tout souvent associé à une conscience environnementale accrue. Ce rapport de tendance montre quels fruits ces développements portent et porteront encore.

Le monde du laboratoire est en constante évolution : alors qu'au milieu du XXe siècle, on utilisait encore la bouche pour aspirer lors de la pipetage, aujourd'hui, les laboratoires sont équipés d'outils techniques adaptés qui protègent le personnel de laboratoire et facilitent son travail. Cependant, le développement ne s'est pas arrêté aux pipettes, mais progresse aujourd'hui à un rythme rapide, notamment dans les domaines de l'automatisation, de la numérisation et de la robotique.

Au début, il y avait l'automatisation

Cela ressemble presque à un vestige d'une époque révolue : lorsque la troisième révolution industrielle (Industrie 3.0) dans les années 1970 a progressivement orienté le monde du travail vers des processus automatisés, cela a entraîné une augmentation de la productivité et ouvert de nouvelles possibilités en technique de fabrication et en génie mécanique. C'est également à cette époque que le passage d'un travail manuel routinier à une assistance mécanique dans les laboratoires a commencé. Mais ce n'est qu'avec la quatrième révolution industrielle, dans le contexte de la numérisation, que le véritable tournant a eu lieu, ses développements étant depuis lors poussés et discutés sous le slogan Laboratoire 4.0.

En combinant des tâches fondamentales telles que le mélange, le tempérage et la dosage dans des processus automatisés, la base a été posée pour un travail de laboratoire plus rapide et précis. Aujourd'hui, pratiquement tous les appareils de laboratoire sont au moins partiellement automatisés – du système HPLC avec pompe et autosampler au fermenteur avec technologie de contrôle précis de la température et de l'alimentation en médias, jusqu'à la pipette électronique avec fonction de soutien pour des workflows préenregistrés.

L'automatisation en laboratoire est aujourd'hui indissociable de la numérisation : « Il faut noter que la numérisation seule ne suffit pas – l'automatisation comporte également une composante matérielle forte », explique le Prof. Dr. Kerstin Thurow du Center for Life Science Automation (CELISCA) de l'Université de Rostock. Sans appareils et systèmes appropriés pour manipuler les échantillons et le matériel de laboratoire, l'automatisation des processus de laboratoire n'est pas possible. « Cela est souvent oublié ou considéré comme acquis dans la discussion actuelle », remarque l'experte.

Idéalement, un appareil combine des fonctions d'automatisation et de numérisation, comme c'est le cas pour de nombreuses stations de travail. Celles-ci sont généralement équipées de leur propre logiciel. Les utilisateurs peuvent y enregistrer eux-mêmes leurs processus de travail, sans nécessiter de compétences en programmation. Par exemple, dans le système, il est possible de développer des screenings de substances actives sur PC en faisant glisser et déposer des étapes de travail préfabriquées, qui sont ensuite exécutées automatiquement par une station de pipetage. Cela permet aux utilisateurs de gagner du temps pour des tâches plus complexes, comme la planification et l'analyse d'expériences.

De l'automate au bras robotisé

En complément des stations de travail, qui remplissent une tâche généralement bien définie, on voit de plus en plus souvent dans le laboratoire des bras robotisés, connus de l'industrie. « Outre les robots classiques de manipulation liquide cartésiens, différents bras robotisés sont principalement utilisés lorsque des systèmes très complexes, composés de plusieurs appareils, doivent être connectés », explique l'experte en automatisation Thurow. Un tel bras robotisé, souvent associé à la fabrication automobile, peut effectuer des mouvements flexibles, semblables à ceux d'un bras humain – avec la précision, l'endurance et la répétabilité d'une machine. Cela offre par exemple des avantages pour le transfert d'échantillons ou la préparation d'échantillons, surtout dans un environnement de projet où les workflows et les tâches changent fréquemment et nécessitent une solution adaptable.

Pour pouvoir accueillir une telle assistance robotique dans un laboratoire souvent déjà encombré d'espace, ces bras robotisés modernes sont généralement des cobots (robots collaboratifs). Leur avantage : ils peuvent être intégrés en toute sécurité dans un environnement de travail partagé avec des humains, sans créer de séparation physique entre le personnel de laboratoire et le robot.

Il est envisageable que, à l'avenir, des assistants robotisés prennent en charge des tâches simples et monotones du personnel. Le « Kevin », un cobot autonome développé par l'Institut Fraunhofer pour l'automatisation (Fraunhofer IPA) et présenté lors de l'ACHEMA 2022, est déjà utilisé dans des environnements de laboratoire réels. Il se déplace de manière autonome dans le laboratoire, réceptionne des échantillons et les transporte entre la réception, le laboratoire analytique et l'archive. Selon

l'experte en automatisation Thurow, ce type de robot mobile offre les plus grandes opportunités pour transformer fondamentalement le travail en laboratoire à l'avenir. « Cela permettra notamment dans des systèmes distribués très complexes d'atteindre un degré d'automatisation encore plus élevé. » Cependant, selon elle, un laboratoire entièrement autonome n'existera pas. « Les solutions seront toujours optimisées pour des processus spécifiques », affirme Thurow.

Une vague de données à venir

Outre les tâches physiques accomplies par les robots et autres machines, la génération de données est généralement au premier plan ou constitue au moins une partie essentielle du travail en laboratoire. Depuis l'avènement de l'ère informatique, on assiste à une croissance rapide en vitesse et en volume des données produites.

Parallèlement, une évolution s'est naturellement produite pour soutenir les employés de laboratoire dans la collecte, la gestion et l'analyse des données. Parmi celles-ci, on peut citer en premier lieu les systèmes d'information et de gestion de laboratoire (LIMS), qui n'existeraient pas sans le flux croissant de données. Ils aident à la documentation, à la gestion des échantillons et servent d'interface avec les divers appareils du laboratoire. Cela facilite ou permet même de suivre les processus et les échantillons, ce qui permet de respecter les réglementations dans les laboratoires accrédités avec un effort raisonnable.

La communication est la clé

Les interfaces sont un sujet important dans le domaine du laboratoire. Depuis longtemps, il existe des efforts pour mettre fin à l'époque des logiciels propriétaires et permettre un plug-and-play sans restriction entre différents fabricants – c'est-à-dire simplement connecter un nouveau spectromètre, qui sera immédiatement reconnu et prêt à l'emploi dans le réseau existant du laboratoire. Dans de nombreux cas, cela fonctionne déjà, mais il reste encore beaucoup de travail à faire. Parmi les initiatives principales, on peut citer SiLA et OPC UA LADS, qui ont chacune pour objectif de créer une norme répandue pour la connexion des appareils dans le laboratoire.

Une réalité ne suffit pas

Lorsqu'il s'agit de la convivialité pour la mise en service initiale ou la réinstallation d'un laboratoire, ce n'est pas seulement la question des interfaces qui entre en jeu, mais aussi des questions de planification générales, comme le choix de l'emplacement des appareils, l'espace disponible, jusqu'à la planification complète de l'alimentation en médias et de l'aménagement de nouveaux postes de travail. La réalité virtuelle (VR) a déjà fait son entrée dans le monde du laboratoire. Elle permet, par exemple, d'explorer de manière interactive et immersive un jumeau numérique du laboratoire préalablement créé, de placer et de modifier des meubles de laboratoire, et de discuter et visualiser directement avec les planificateurs d'un laboratoire des modifications souhaitées. Ainsi, il est possible de réaliser des rendez-vous classiques sur site depuis n'importe où, avec une simple connexion et une ligne Internet stable.

La réalité augmentée (AR), qui projette des informations dans l'environnement réel, offre également un potentiel considérable pour le travail en laboratoire – même si la percée dans le quotidien professionnel se fait encore attendre. Les possibilités sont variées : workflows guidés étape par étape via des affichages dans des lunettes connectées, mise en surbrillance d'appareils ou de produits chimiques recherchés dans le champ de vision, ou instructions de réparation pour un appareil analytique, ne sont que quelques exemples. Les utilisateurs devront peut-être encore s'habituer à cette forme de soutien. Il est envisageable que la technologie, comme le casque VR récemment présenté par Apple, s'impose rapidement dans la société.

Quand les machines apprennent

La rapidité avec laquelle une avancée technologique peut se produire est illustrée par l'apparition du chatbot ChatGPT et de ses clones, qui ont connu un engouement médiatique en un rien de temps. Les possibilités offertes par de tels algorithmes d'apprentissage vont également transformer le travail en laboratoire. Un programme entraîné en conséquence pourrait, par exemple, aider à la documentation et à la rédaction de publications. Ou simplement agir comme médiateur entre l'humain et le logiciel, permettant de concevoir et de contrôler des mesures via du texte ou des commandes vocales – en dialoguant directement avec l'appareil d'analyse. La société Lauda, fabricant de techniques de tempérage, a réalisé en 2022 ses premiers essais de commande vocale pour le laboratoire avec son système Lauda Live. L'avantage est évident, ou plutôt, la main en bénéficie : elle n'est plus nécessaire pour les saisies, ce qui la libère pour d'autres actions.

Le chemin vers le vert

Le laboratoire sera progressivement de plus en plus connecté, numérisé et automatisé. Il est même possible qu'à l'avenir, le fameux « laboratoire sans papier » devienne une réalité. Un aspect qui, face à tous ces progrès techniques, pourrait sembler paradoxal, mais qui influencera fortement le futur du laboratoire : la durabilité. La volonté d'avoir un laboratoire durable ne consiste pas simplement à réduire la technologie, mais à adopter de nouvelles technologies.

Dr. Thorsten Teutenberg, de l'Institut pour l'environnement et l'énergie, la technologie et l'analyse (IUTA), en est convaincu : « La numérisation offre d'abord le plus grand potentiel pour promouvoir la durabilité en laboratoire. » Selon lui, cela se justifie notamment par de meilleures possibilités d'organisation et de documentation. « Dans de nombreux établissements académiques, on répète souvent des expériences déjà réalisées, mais par une autre personne, qui ne travaille peut-être plus depuis longtemps dans cette institution. En utilisant, par exemple, un journal de laboratoire électronique plutôt qu'un cahier papier, on peut rendre les résultats de recherche disponibles en permanence et éviter des expériences inutiles. »

De plus, la miniaturisation des appareils et des processus de laboratoire, comme le passage de la HPLC classique à une micro-LC, a également un effet positif sur la durabilité. Avec de telles adaptations, un espace précieux dans le laboratoire peut être libéré. « Si l'on parvient à économiser de l'espace grâce à des systèmes d'analyse miniaturisés, cela a un effet immédiat sur les coûts d'exploitation du laboratoire », explique Teutenberg.

Que ce soit la miniaturisation des appareils et des configurations expérimentales jusqu'au « Lab-on-a-Chip » pour une consommation minimale de ressources, une approche réactionnelle optimisée par l'IA pour obtenir plus rapidement le résultat souhaité, ou simplement un congélateur à faible consommation d'énergie – de nombreux développements modernes soutiennent implicitement la démarche de durabilité dans le travail en laboratoire.

Conclusion

De l'automatisation à la robotique, en passant par la numérisation et l'IA, jusqu'à une volonté accrue de durabilité : le laboratoire est en constante évolution. La rapidité avec laquelle le monde du laboratoire change réellement dépend non seulement des avancées technologiques, mais aussi des personnes qui les utilisent dans leur quotidien professionnel. Et parfois, il faut du temps pour qu'une nouveauté s'impose, que ce soit le premier LIMS ou les lunettes AR futuristes pour le laboratoire.