Intelligens és hálózatba kapcsolt labor a jövőben - "Labor 4.0"

A "Ipar 4.0" jelszó alatt digitalizáció és hálózatba kapcsolás minden gazdasági területre betör. A fizikai világ összeolvad a virtuálissal, egyes iparágakban gyorsabban, másokban lassabban halad ez a folyamat. Jelentős lemaradás mutatkozik a laboratóriumokban: koncepciók, berendezések, felszerelések és technológia, nem beszélve a hálózatba kapcsolásról és az IT-környezetbe való integrálásról vagy az automatizált folyamatokról – minden területen fel kell zárkózni.

A jövő laboratóriumával szemben támasztott fő követelmény, hogy a rendszerek és technológia maguk kommunikáljanak, és a folyamatok automatizáltan fussanak. Például egy biztonsági szekrény figyeli a gyűjtőedények túlcsordulását, kommunikál más berendezésekkel és eszközökkel. Kamerák irányítják a labortechnológiát és ezáltal a folyamatokat. Intelligens modulok kapcsolják be és ki az eszközöket. Összességében a laborban egyre inkább a laboratóriumi eszközök közötti önálló kommunikáció irányítja a folyamatokat. A vízió neve „Labor 4.0”.

Cél: Innovatív labortechnológiák fejlesztése és szabványosítása

A „Labor 4.0” intelligens és hálózatba kapcsolt vízióját a németországi smartLAB innovációs hálózat kívánja megvalósítani. Ezt a Szövetségi Gazdasági és Technológiai Minisztérium (BMWi) támogatja a Központi KKV-Innovációs Program (ZIM) keretében. Körülbelül 20 vállalat és intézmény vett részt a kutatásban és az iparban: Eppendorf AG, Fraunhofer Ipari Gyártástechnikai és Automatizálási Intézet (IPA), Herr M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering és a Deutsche Messe AG. A projekt vezetését a Hannoveri Leibniz Egyetem Műszaki Kémiai Intézete (TCI) végzi. „A smartLAB-ben lehetőségünk van vállalatként, hogy másokkal együtt valóra váltsuk a labor jövőjének vízióját. A kölcsönös csere és a helyszíni ügyfélkapcsolatok fontos impulzusokat adnak a jövőbeli projektekhez,” mondja Dr. Tanja Musiol, a Eppendorf AG portfóliómenedzsment marketing projektvezetője.

A hálózat célja az innovatív labortechnológiák és az ezekre alapozott alkalmazások és megoldások fejlesztése és szabványosítása. Ezek segítségével egyszerűbbé válnak a folyamatok, javul a minőség, növekszik a hatékonyság, miközben a folyamatbiztonság is növekszik. Annak érdekében, hogy a laboratóriumi környezet minden igényt kielégíthessen, minden komponensnek és funkciónak össze kell illenie, és a robotrendszereknek sok kézmozdulatot kell átvenniük.

A dinamikus, digitális hálózatba kapcsolás, az automatizálás és a robotika, az integrált funkcionális felületek és a moduláris koncepciók – ezen technológiák összhangjában rejlik a jövő, így a labor jövője is,” erősíti meg Dr. Simon Bungers, a labfolder ügyvezető igazgatója és a smartLAB-csoport szóvivője.

Az intelligens jövő laboratóriuma Hannoverben

Jelenleg Hannoverben található a „Labor 4.0” prototípusa. Ez a smartLAB, amely 2015-ben mutatkozott be elsőként a LABVOLUTION labortechnológiai kiállításon, mint látomásos mintalabor.

Mind optikailag, mind a háttérben új utakat járnak a smartLAB-ben. A laikusoknak elsőre feltűnik, hogy a smartLAB nem asztalokból vagy laborasztalokból áll, hanem egyedi hatszögletű cellákból, mindegyik 90 centiméter magas. Ez helytakarékos, és rugalmasabbá teszi a labor felépítését. Hálózatba kapcsolt eszközök, automatizálás és robotika, mérőfelületek, 3D nyomtatók vagy adat szemüvegek, amelyek utasításokat adnak és vészhelyzetben riasztanak – ezek a technológiai újdonságok. A valóban áttörő fejlesztés azonban a smartLAB-ben az egyes eszközök összhangjában és a kifejlesztett speciális szoftver segítségével történik. A Labor 4.0 teljesen hálózatba kapcsolt módon működik, ami eddig a laboratóriumi valóságban még ritka. „A smartLAB-projekt nemcsak Németország laboripara számára, hanem világszerte példamutató,” mondja Prof. Dr. Thomas Scheper, a TCI vezetője. „A smartLAB-ben olyan technológiai komponenseket hálózunk össze, hogy minden munkafolyamat digitálisan támogatott legyen, és ezáltal ne csak egyszerűbb, hanem biztonságosabb is legyen.”

A jövő laboratóriumának víziója a politika figyelmét is felkeltette. „A smartLAB-projekt révén Niedersachsen tartomány egyrészt kutatási kiválóságát bizonyítja,” mondja Olaf Lies, Niedersachsen gazdasági minisztere. „A smartLAB támogatandó, mert elsősorban az ipari és kutatási partnerek hálózatba kapcsolt megoldásokat hoznak létre, amelyek jelentősen megváltoztathatják a laboratóriumi gyakorlatot a jövőben.” Niedersachsen tudományos és kulturális, valamint gazdasági, munkaügyi és közlekedési minisztériumai támogatják a projektet: a smartLAB állandó bemutatóként épül fel a Hannoveri Messe Technology Academy-ben, és céges bemutatókra, képzésekre is felhasználható.

nICLAS Innovációs Központ a laborautomatizálásért Stuttgartban

Az ipari partnerekkel, köztük a Fraunhofer IPA-val közösen fejlesztik az új technológiákat egy okos labor jövőjéhez, a Stuttgart-i Laborautomatizálási Innovációs Központban, röviden nICLAS-ben. A projekt résztvevői ipari felhasználók és fejlesztők, valamint olyan partnerek, akik hidat képeznek a kutatás és az akadémiai képzés között. „A több tudományterületet átfogó feladatkör multidiszciplináris csapatot igényel a sikeres nemzetközi versenyben,” mondja Mario Bott, a Fraunhofer IPA projektvezetője. „Örülünk, hogy erős partnereket találtunk a Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega és Festo cégeknél, akik a legújabb eszközöket és innovatív technológiákat biztosítják számunkra,” teszi hozzá.

A háttér: az automatizálás jelenleg csak a laboratóriumok kis részében van intenzíven alkalmazva világszerte. Ennek oka szigorú szabályozások és a nem standardizált, változatos folyamatok a laboratóriumi mindennapokban. „A minták és termékek a laborban a legmagasabb minőségi követelményeknek kell megfeleljenek. Ezért a vállalatok számára drága és időigényes az új technológiák bevezetése,” mondja Mario Bott. Emellett sokáig az volt a vélemény, hogy a manuális munkakörnyezet gyorsabb és rugalmasabb.

Az úton a hálózatba kapcsolt adatgyár felé

Lassan a vállalatok is kezdik felismerni a változást. „A központi csomópontokon működő laborok egyre inkább hálózatba kapcsolt adatgyárakká válnak: legyen az diagnosztikai labor, új gyógyszerek felfedezése vagy minőségbiztosítás és termékengedélyezés. Ezek információkat generálnak, amelyek rendkívül értékesek a vállalatirányítás szempontjából,” hangsúlyozza Mario Bott. „Emellett a termékek és folyamatok személyre szabásának növekedése, a személyre szabott diagnosztika és terápia új kihívásokat állít a laborok elé. Ahhoz, hogy kezelni tudjuk a növekvő komplexitást, fenntartható, moduláris megoldásokat kell kifejleszteni a hardver- és szoftverrendszerek számára. Ehhez nyúl az a nICLAS is.”

Az együttműködő kutatás és fejlesztés eredményeket hoz

A nICLAS FutureLab már első impulzusokat és gondolatébresztőket ad. Egy példa: az intelligens nyomon követés.

A Fraunhofer IPA-nál kifejlesztettek egy nyomon követő rendszert, amely automatikusan dokumentálja és értékeli a kézmozdulatokat 3D-s képalkotással: egy steril pult fölé szerelt 3D-s kamera rögzíti a munkatársak kézmozdulatait, és élőben továbbítja az adatokat egy információs rendszerbe. Itt azokat mozgásfelismerő algoritmusok értékelik, osztályozzák, és protokollba foglalják. A rendszer így minden egyes folyamatlépést pontosan és hiánytalanul rögzít és dokumentál. Ez időt takarít meg, tehermentesíti a munkatársakat, és jobb eredményeket biztosít. Egy másik előnye, hogy a nyomon követő rendszer egyszerű szoftver- és hardvermegoldással működik, így kis laboratóriumokban is alkalmazható.

Az „TeachIT” nevű másik megoldásuk szintén időt takarít meg a laboratóriumi mindennapokban. A szoftver segítségével rövid idő alatt automatikusan betaníthatók a laborrobotok. Ehhez a munkaterületen a műanyag tálcákat vonalkódokkal látják el. Egy 3D-s kamera a robotkaron felismeri a jelölést és megmutatja a robotnak, hová kell nyúlnia.

SiLA kezdeményezés egységes szabványokért

Sok biotechnológiai, gyógyszerészeti és diagnosztikai laborban léteznek magas szintű specializációval bíró, heterogén eszközök. Mivel azonban az alap IT-struktúrák többnyire történelmi okokból kialakultak, az eszközök nem vagy csak korlátozottan koordináltak. Ennek megoldása az egységes szabványokat követő eszközillesztők és platformok, amelyek „értik” egymást a gyártók különböző termékeivel. Ahhoz, hogy a jövőben fenntartható IT-megoldásokat fejlesszünk ki az automatizált laborok számára, jelenleg rendszergyártók, szoftverszolgáltatók, rendszerintegrátorok és gyógyszer- és biotechnológiai vállalatok vesznek részt a SiLA kezdeményezésben (Standardization in Lab Automation). A cél az, hogy zökkenőmentesen integrálják a laborberendezéseket és az IT-rendszereket különböző gyártóktól. Ehhez egységes kommunikációs interfészekre, eszközillesztőkre és laborfelhasználási anyagokra van szükség. A non-profit konzorcium tagjai magas szintű szakértőket delegálnak különböző műszaki munkacsoportokba, hogy közösen dolgozzanak ki kötelező szabványokat. A Fraunhofer Ipari Gyártástechnikai és Automatizálási Intézet (Fraunhofer IPA), amely szintén a SiLA konzorcium tagja, tájékoztatása szerint az eszköz- és komponensgyártóknak tanúsítaniuk kell SiLA-kompatibilitásukat. Az intézet első tanácsadást és későbbi automatikus megfelelőség-ellenőrzést és tanúsítást kínál ehhez.