Laboratoire intelligent et connecté du futur - "Laboratoire 4.0"

Sous le mot-clé "Industrie 4.0", la numérisation et la connectivité s'installent dans tous les secteurs de l'économie. Le monde physique fusionne avec le virtuel, dans certains secteurs plus rapidement, dans d'autres plus lentement. Un besoin urgent de rattrapage existe dans les laboratoires : concepts, aménagement, équipement et technique, sans parler de la connectivité et de l'intégration dans l'environnement informatique ou de l'automatisation des processus – dans tous les domaines, il faut combler le retard.

La grande exigence pour le laboratoire du futur est que les systèmes et la technologie communiquent eux-mêmes et que les processus soient automatisés. Ainsi, par exemple, un coffre-fort surveille le débordement des récipients de collecte, communique avec d'autres éléments d'équipement et appareils. Les caméras peuvent contrôler la technique de laboratoire et, par conséquent, les processus. Des modules intelligents allument et éteignent les appareils. Dans l'ensemble, les processus en laboratoire seront de plus en plus contrôlés par la communication autonome des appareils de laboratoire entre eux. La vision s'appelle "Laboratoire 4.0".

Objectif : développement et normalisation de technologies de laboratoire innovantes

La vision du "Laboratoire 4.0" intelligent et connecté veut réaliser le réseau d'innovation smartLAB à l'échelle nationale. Il est financé par le ministère fédéral de l'Économie et de la Technologie (BMWi) dans le cadre du programme d'innovation central pour les PME (ZIM). Une vingtaine d'entreprises et d'institutions de la recherche et de l'industrie se sont regroupées : Eppendorf AG, Institut Fraunhofer pour la technologie de production et l'automatisation (IPA), Herr M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering ainsi que Deutsche Messe AG. La direction du projet est assurée par l'Institut de chimie technique (TCI) de l'Université Leibniz de Hanovre. "Dans smartLAB, nous, en tant qu'entreprise, avons la possibilité de réaliser la vision d'un avenir de laboratoire en collaboration avec d'autres. L'échange entre nous et avec les clients sur place apporte des impulsions importantes pour les projets futurs", explique Dr Tanja Musiol, responsable de la gestion de portefeuille marketing chez Eppendorf AG.

L'objectif du réseau est le développement et la normalisation de technologies de laboratoire innovantes et des applications et solutions qui en découlent. Avec leur aide, les processus doivent être simplifiés, la qualité améliorée, l'efficacité accrue et la sécurité des processus renforcée. Pour que l'environnement de laboratoire puisse répondre à toutes les exigences, tous les composants et fonctionnalités doivent s'interconnecter et des systèmes robotiques doivent prendre en charge de nombreuses manipulations.

Une connectivité numérique dynamique, l'automatisation et la robotique, des interfaces fonctionnelles intégrées et des concepts modulaires – c'est dans l'interaction de toutes ces technologies que réside l'avenir, y compris celui du laboratoire", confirme Dr Simon Bungers, PDG de labfolder et porte-parole du groupe smartLAB.

Le laboratoire d'avenir intelligent à Hanovre

Un prototype du "Laboratoire 4.0" existe actuellement à Hanovre. Il s'appelle smartLAB et a été présenté pour la première fois en 2015 lors du salon de la technologie de laboratoire LABVOLUTION, en tant que laboratoire modèle visionnaire.

Sur le plan visuel comme en coulisses, le smartLAB ouvre de nouvelles voies. Ce qui frappe d'abord le profane, c'est que le smartLAB ne se compose pas de tables ou de bancs de laboratoire, mais d'unités modulaires hexagonales, chacune d'une hauteur de 90 centimètres. Cela permet d'économiser de l'espace et de rendre la configuration du laboratoire flexible. Des appareils connectés, l'automatisation et la robotique, des surfaces capables de peser et de mesurer, des imprimantes 3D ou encore des lunettes de données qui donnent des instructions et peuvent en cas de besoin déclencher une alarme, sont autant d'innovations technologiques essentielles. La véritable révolution du smartLAB, cependant, se produit dans l'interaction entre les appareils et à l'aide de logiciels spécialement développés. Le laboratoire 4.0 fonctionne entièrement connecté, ce qui reste encore exceptionnel dans la réalité du laboratoire. "Le projet smartLAB n'est pas seulement un modèle pour le secteur des laboratoires en Allemagne, mais aussi dans le monde entier", confirme le professeur Dr Thomas Scheper, directeur du TCI. "Dans smartLAB, nous connectons des composants technologiques de manière à ce que tous les processus de travail soient soutenus numériquement, rendant ainsi le travail non seulement plus simple, mais aussi plus sûr."

La vision du laboratoire d'avenir intelligent a également convaincu la politique. "Avec le projet smartLAB, la Basse-Saxe prouve d'une part son excellence en recherche", déclare Olaf Lies, ministre de l'Économie de Basse-Saxe. "Ce qui rend smartLAB particulièrement intéressant, c'est que des partenaires issus de la recherche et de l'industrie créent des solutions connectées qui peuvent véritablement transformer la pratique du laboratoire du futur." Les ministères de la Science et de la Culture ainsi que de l'Économie, du Travail et des Transports de Basse-Saxe soutiennent le projet : smartLAB sera installé comme un objet d'observation permanent dans l'Académie de technologie de la Deutsche Messe sur le site d'exposition de Hanovre, et pourra être utilisé pour des présentations d'entreprise et des formations.

Centre d'innovation nICLAS pour l'automatisation des laboratoires à Stuttgart

De nouvelles technologies pour un laboratoire intelligent du futur sont développées, en collaboration avec des partenaires de l'industrie, notamment le Fraunhofer IPA. Le lieu de l'action est le Centre d'innovation pour l'automatisation des laboratoires Stuttgart, appelé nICLAS. Parmi les participants au projet figurent des utilisateurs industriels et des développeurs, ainsi que des partenaires qui font le pont avec la recherche et la formation académique. "Le champ multidisciplinaire exige une équipe pluridisciplinaire pour réussir dans la compétition internationale. Nous sommes donc heureux d'avoir trouvé des partenaires solides tels que Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega et Festo, qui mettent à notre disposition les appareils les plus récents et des technologies innovantes", se réjouit Mario Bott, chef de projet nICLAS chez Fraunhofer IPA.

Le contexte : l'automatisation n'est actuellement poussée que dans une fraction des laboratoires dans le monde. Une raison à cela est la réglementation stricte ainsi que des processus variés et non standardisés dans la routine de laboratoire. "Les échantillons et produits en laboratoire sont soumis à des exigences de qualité extrêmement strictes. Pour les entreprises, il est donc coûteux et complexe d'établir de nouvelles technologies", explique Mario Bott. De plus, l'environnement de travail manuel des laboratoires a longtemps été considéré comme un avantage. On pensait qu'il permettait d'être plus rapide et plus flexible.

Vers une usine de données connectée

Progressivement, une nouvelle réflexion s'installe également dans les entreprises. "Les laboratoires situés à des interfaces centrales de l'entreprise deviennent de plus en plus des usines de données connectées : que ce soit en tant que laboratoire de diagnostic, dans la découverte de nouvelles molécules ou dans le contrôle qualité et la libération de produits. Ils génèrent des informations extrêmement précieuses pour la gestion de l'entreprise", souligne Mario Bott. "De plus, la personnalisation croissante des produits et des processus par la diagnostic et la thérapie personnalisées pose de nouveaux défis aux laboratoires. Pour maîtriser la complexité croissante, il faut développer des solutions durables et modulaires pour les systèmes matériels et logiciels. C'est là que nICLAS intervient."

La recherche et le développement coopératifs portent leurs fruits

Les premières impulsions et idées sont déjà apportées par le nICLAS-FutureLab. Un exemple : le suivi intelligent.

Au Fraunhofer IPA, un système de suivi a été développé, qui documente et évalue automatiquement les mouvements de la main à l'aide de la vision 3D : une caméra 3D placée au-dessus d'une hotte stérile enregistre les mouvements de la main des employés et transmet les données en direct à un système d'information. Ici, elles sont analysées, classifiées à l'aide d'algorithmes de reconnaissance de mouvement et intégrées dans un rapport. Le système enregistre et consigne ainsi chaque étape du processus de manière exhaustive et précise. Cela permet de gagner du temps, de soulager les employés et d'obtenir de meilleurs résultats. Un autre avantage : le système de suivi fonctionne avec une simple logiciel et matériel, ce qui le rend adapté aussi aux petits laboratoires.

"TeachIT", une autre solution des chercheurs du IPA, permet également de gagner du temps dans la routine de laboratoire. Grâce à cette application, les robots de laboratoire sont automatisés et appris en un rien de temps. Pour cela, les plaques multi-titres sont équipées de codes-barres. Une caméra 3D sur le bras robotique reconnaît la marque et indique au robot où il doit saisir.

Initiative SiLA pour des standards uniformes

Dans de nombreux laboratoires de biotechnologie, de pharmacie et de diagnostic, existent des architectures d'appareils très spécialisées et hétérogènes. Mais comme les structures informatiques sous-jacentes ont souvent été développées historiquement, les appareils ne peuvent pas ou seulement de manière limitée être coordonnés. La solution à ce problème réside dans des pilotes d'appareils et des plateformes conformes à des standards uniformes. En étant compatibles avec les produits de tous les fabricants, ils permettent l'intégration souhaitée des composants hétérogènes.

Pour développer des solutions informatiques durables pour des laboratoires automatisés, des fabricants de systèmes, des prestataires de logiciels, des intégrateurs de systèmes ainsi que des entreprises pharmaceutiques et biotechnologiques s'engagent actuellement dans le cadre de l'initiative SiLA (Standardisation en automatisation de laboratoire) pour des standards contraignants. L'objectif de cette initiative est une intégration fluide des appareils de laboratoire et des systèmes informatiques de différents fabricants. Cela nécessite des interfaces de communication uniformes, des pilotes d'appareils et des consommables de laboratoire. Les membres du consortium à but non lucratif envoient des experts hautement spécialisés dans différents groupes de travail techniques pour élaborer conjointement des standards contraignants. Selon le Fraunhofer Institut pour la technologie de production et l'automatisation (Fraunhofer IPA), également membre du consortium SiLA, les fabricants d'appareils et de composants doivent faire certifier la conformité à SiLA de leurs développements. L'institut propose à la fois une première consultation et un contrôle automatique de conformité ainsi qu'une certification ultérieure.