Az adat- szemüvegekről és robotkarokról – laborok az út az digitális korszak felé

© shutterstock/586533194/Kitreel

© iStock/1298111593/Eplisterra

© iStock/1140779713/gorodenkoff

© iStock/1358567925/PeopleImages

Az események a világban, azok a laboratóriumokban is megtörténnek: a technológia, a digitális segédszerek és nem utolsósorban a robotok és a mesterséges intelligencia (MI) iránti tendencia – mindez gyakran a nagyobb környezettudatossággal párosul. Milyen eredményeket hoztak és hoznak még ezek a fejlesztések, mutatja ez a trendjelentés.

A laboratóriumi világ folyamatos változásban van: amíg a 20. század közepéig a pipettázásnál a száj volt a szívóeszköz, ma már a laboratóriumokat megfelelő technikai segédeszközök látják el, amelyek védik a laboratóriumi személyzetet és megkönnyítik a munkát. A fejlődés azonban nem állt meg a pipettáknál, hanem ma különösen az automatizálás, digitalizáció és robotika területén halad gyors ütemben.

Kezdetben volt az automatizálás

Majdnem úgy tűnik, mint egy régmúlt idő maradványa: amikor a harmadik ipari forradalom (Ipar 3.0) az 1970-es években egyre inkább az automatizált folyamatok felé terelte a munkaerőt, ez a termelési teljesítmény növekedéséhez és új lehetőségek megnyitásához vezetett a gyártástechnika és gépészet terén. Ekkor kezdődött a váltás a manuális rutinfeladatokról a gépi támogatás felé a laboratóriumokban is. De csak a digitalizációval a negyedik ipari forradalom idején érte el hivatalos áttörését, melynek fejlesztéseit azóta Labor 4.0 néven vitatják és fejlesztik.

Ahol az alapfeladatokat, mint például a keverés, hőmérséklet-beállítás, adagolás automatizált folyamatokba integrálták, ott megteremtődött a gyorsabb és ismételhető pontosságú laboratóriumi munka alapja. Ma gyakorlatilag minden laboratóriumi eszköz részben automatizált – a HPLC rendszer pumpákkal és automata szedővel, a fermentor precízen szabályozott hőmérsékleti technikával és médiaellátással, egészen az elektronikus pipettáig, amely támogatja a védett munkafolyamatokat.

A labor automatizálása ma már szorosan összefonódik a digitalizációval: „Itt fontos megjegyezni, hogy a digitalizáció önmagában nem elég – az automatizálásnak különösen a hardveres komponense is van” – mondja Prof. Dr. Kerstin Thurow a Rostocki Egyetem Life Science Automation Központjából (CELISCA). Eszközök és rendszerek nélkül, amelyek kezelik a mintákat és a laboratóriumi eszközöket, nem lehetséges az automatizálás. „Ezt gyakran elfelejtik vagy alapnak tekintik a mai vitákban” – teszi hozzá a szakértő.

Ideális esetben egy eszköz ötvözi az automatizálási és digitalizációs funkciókat, ahogyan sok munkaállomáson is látható. Ezek általában saját szoftverrel vannak ellátva. A felhasználók saját maguk menthetik el munkafolyamataikat, programozási ismeretek nélkül. Például a rendszerben előre elkészített lépések drag-and-drop módszerrel összeállíthatók, így hatóanyag-szűréseket lehet fejleszteni számítógépen, amelyek automatikusan végrehajtódnak egy pipettázóállomáson. Ezáltal több idő marad a bonyolultabb feladatokra, például kísérlettervezésre és eredményértékelésre.

Automatától az autókarhoz

Az automatizált munkaállomások, amelyek általában egy-egy meghatározott feladatot látnak el, mellett egyre gyakrabban láthatók a laboratóriumokban az iparban ismert robotkarok is. „A klasszikus kartéziás folyadékkezelő robotokon túl különböző robotkarokat főként akkor alkalmaznak, amikor összetett rendszereket, több eszközt összekapcsolva kell működtetni” – magyarázza az automatizálási szakértő Thurow. Egy ilyen robotkar, amely főként az autógyártásban ismert, rugalmas mozgásokat képes végrehajtani, mint amit csak egy emberi kar tudna – de a precizitás, kitartás és ismételhetőség a gép sajátja. Ez például a minták átvitelében vagy az előkészítésben nyújt előnyt, különösen olyan projektalapú környezetben, ahol a munkafolyamatok és feladatok gyakran változnak, és rugalmas megoldásra van szükség.

Ahhoz, hogy egy ilyen robot támogatás elférjen egy már amúgy is helyszűkével küzdő laborban, a modern robotkarok általában kollaboratív robotok (cobots), azaz együttműködő robotok. Előnyük: ezek biztonságosan integrálhatók közös munkakörnyezetbe emberekkel, anélkül, hogy fizikai elválasztást kellene kialakítani a laboratóriumi dolgozók és a robot között.

Elképzelhető, hogy a jövőben a laboratóriumokban a robotsegítők egyszerű és monoton feladatokat vesznek át az emberektől. Az 2022-es ACHEMA kiállításon bemutatott „Kevin”, egy a Fraunhofer Automatikai Intézet által fejlesztett autonóm kollaboratív robot, már ma is működik valódi laboratóriumi környezetben. Önállóan mozog a laborban, fogad mintákat és szállítja azokat a beérkezéstől az analitikai laborig és az archívumba. Az ilyen mobil robotika szerint

az automatizálási szakértő Thurow legnagyobb lehetőségeket kínálja a laboratóriumi munka alapvető megváltoztatására. „Ez különösen összetett, elosztott rendszerekben teszi lehetővé a magasabb automatizáltságot” – mondja. A teljesen autonóm labor azonban szerinte nem lesz. „A megoldások mindig bizonyos folyamatokra lesznek optimalizálva” – teszi hozzá.

Az adatáradat előttünk áll

A fizikai feladatokon túl, amelyeket a robotok és más gépek végeznek, a laboratóriumi környezetben általában az adatgenerálás áll az első helyen vagy legalábbis szerves része a munkának. A számítógépes korszak kezdete óta rohamosan nő az adatok sebessége és mennyisége.

Ez párhuzamosan egy olyan fejlődést eredményezett, amely támogatja a laboratóriumi dolgozókat az adatok gyűjtésében, kezelésében és kiértékelésében. Elsősorban a Laborinformatikai és Menedzsment Rendszerek (LIMS) szerepelnek, amelyek nélkül a növekvő adatáramlás nem lenne lehetséges. Segítenek a dokumentálásban, a minták kezelésében, és összeköttetést biztosítanak a laboratóriumi eszközökkel. Ez megkönnyíti vagy lehetővé teszi a folyamatok és minták nyomon követését, így a szabályozásoknak való megfelelés is kevésbé idő- és erőforrásigényes az akkreditált laboratóriumokban.

Kommunikáció a kulcs

Az interfészek egyébként is fontos témát jelentenek a laboratóriumi területen. Már régóta törekednek arra, hogy véget vessenek a saját szoftverek korszakának, és lehetővé tegyék a plug-and-play működést különböző gyártók között is – egyszerűen csatlakoztass egy spektrométert, és az azonnal felismerésre kerül a meglévő laborhálózatban, készen áll a használatra. Sok esetben ez már működik, de még sok munka vár elvégzésre. Két fő kezdeményezés, a SiLA és az OPC UA LADS, célja, hogy egységes szabványt hozzanak létre az eszközök csatlakoztatására a laborban.

Az egyik valóság nem elég

Amikor a felhasználóbarát kialakításról van szó, például egy labor elsődleges vagy újraépítése során, nemcsak az interfészek kérdése kerül terítékre, hanem általános tervezési kérdések is, mint az eszközök helyes elhelyezése, a rendelkezésre álló hely, egészen a médiarendszer teljes tervezéséig és az új munkahelyek kialakításáig. Itt már a virtuális valóság (VR) is megjelent a laboratóriumi világban. Ezzel például interaktívan és immerszíven lehet felfedezni egy korábban digitalizált labori ikertestet, a laborbútorokat elhelyezni és módosítani, és a felhasználók közösen a virtuális térben beszélhetnek a változtatási igényekről, és azokat azonnal láthatóvá tenni. Így a hagyományos helyszíni találkozók bárhonnan, egyszerű bejelentkezéssel és stabil internetkapcsolattal megvalósíthatók.

A kapcsolódó kiterjesztett valóság (AR), amelyben információkat vetítenek a valós környezetbe, már ma is nagy potenciált rejt a laboratóriumi munkában – bár a mindennapi alkalmazás még várat magára. A lehetőségek sokrétűek: lépésről lépésre vezetett munkafolyamatok szöveges megjelenítéssel egy adat szemüvegben, keresett eszközök vagy vegyszerek kiemelése a látómezőben, vagy elemzőberendezés javítási útmutatók – csak néhány példa. Lehet, hogy a felhasználóknak még meg kell szokniuk ezt a támogatási formát. Elképzelhető, hogy a közeljövőben az Apple által bemutatott VR-szemüveg társadalmi elfogadottsága is növekedni fog.

Amikor a gépek tanulnak

Az egyik leggyorsabb technológiai ugrás példája a ChatGPT chatbot és társai megjelenése, amelyek rövid idő alatt médiagyanús hírverést kaptak. Az ilyen tanuló algoritmusok lehetőségei meg fogják változtatni a laboratóriumi munkát is. Egy megfelelően betanított program például segíthet a dokumentációban és a publikációk írásában. Vagy egyszerűen mediátorként működhet az ember és a számítógépes program között, amellyel szöveges vagy beszédalapú utasításokkal lehet irányítani a méréseket – szinte közvetlen dialógusban az elemzőberendezéssel. Az első próbálkozások a laborhangvezérlésre a Lauda hőmérsékleti technikai gyártó 2022-es Lauda Live rendszerével történtek. Az előny nyilvánvaló, vagyis a kéz nem szükséges az adatok beviteléhez, így szabadon marad más feladatokra.

A zöld út

A labor egyre inkább hálózatba kötött, digitalizált és automatizált lesz. Valószínűleg a jövőben akár a sokszor hangoztatott „papírmentes labor” állapota is elérhető lesz. Az egyik szempont, amely a technológiai fejlődés ellenpontjaként hat, a fenntarthatóság kérdése lesz. A fenntartható labor iránti vágy nem a kevesebb technológia irányába mutat, hanem épp ellenkezőleg, új technológiák alkalmazására is szükség van.

Erről meggyőződött Dr. Thorsten Teutenberg az Umwelt és Energia, Technika és Analitika Intézetből (IUTA): „A digitalizáció elsőként a legnagyobb lehetőséget kínálja a fenntarthatóság előmozdítására” – mondja. Például jobb szervezési és dokumentációs lehetőségekben látja ezt. „Sok akadémiai intézményben ismételten elvégzett kísérletek vannak, amelyek már többször megtörténtek, de más személy által, aki már rég nem dolgozik az intézményben. Elektronikus labornapló használatával a kutatási eredmények tartósan elérhetők, és elkerülhetők a felesleges kísérletek” – magyarázza.

A laboratóriumi eszközök és folyamatok miniaturizálása, például a hagyományos HPLC-ről mikro-LC-re való áttérés is pozitív hatással van a fenntarthatóságra. Ezekkel az alkalmazásokkal ideális esetben értékes hely szabadul fel a laborban. „Ha sikerül a miniaturizált elemzőrendszerekkel helyet megtakarítani, az azonnali hatással lesz a labor működési költségeire” – mondja Teutenberg.

Legyen szó akár a készülékek és kísérleti felépítések miniaturizálásáról, a „Lab-on-a-Chip” alkalmazásáról minimális erőforrás-felhasználással, egy KI által optimalizált reakciósorról, amely gyorsabban eléri a kívánt eredményt, vagy egyszerűen egy alacsony energiafogyasztású mélyhűtőről – sok modern fejlesztés implicit módon támogatja a laboratóriumi munka fenntarthatóságát.

Összegzés

Az automatizálástól a robotikán át a digitalizáció és MI-ig, valamint a fenntarthatósági törekvésekig: a labor folyamatos változásban van. Mennyire gyorsan változik a laboratóriumi világ, végső soron nemcsak a technológiák fejlődésétől függ, hanem az emberektől is, akik ezeket a mindennapi munkában használják. És időbe telhet, míg valami új, például az első LIMS vagy a futurisztikus AR-adat szemüveg beépül a mindennapokba.