Degli occhiali intelligenti e delle braccia robotiche – Laboratori sulla strada verso l'era digitale

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Ciò che accade nel mondo accade anche nei laboratori: la tendenza a più tecnologia, strumenti digitali e non da ultimo robot e intelligenza artificiale (IA) – tutto spesso accompagnato da una maggiore consapevolezza ambientale. Quali frutti questi sviluppi porteranno e continueranno a portare, viene mostrato in questo rapporto di tendenza.

Il mondo dei laboratori è in continuo cambiamento: fino a metà del XX secolo si utilizzava ancora la bocca per aspirare durante la pipettatura, oggi i laboratori sono dotati degli strumenti tecnici adeguati, che proteggono il personale di laboratorio e ne facilitano il lavoro. Tuttavia, lo sviluppo non si è fermato alle pipette, ma oggi si registrano progressi rapidi soprattutto nei settori dell'automazione, digitalizzazione e robotica.

All'inizio c'era l'automazione

Sembra quasi un residuo di tempi ormai passati: quando la terza rivoluzione industriale (Industria 3.0) negli anni '70 portò il mondo del lavoro sempre più verso processi automatizzati, ciò portò a un aumento della produttività e aprì nuove possibilità nella tecnologia di produzione e nell'ingegneria meccanica. Anche nei laboratori iniziò in quel periodo il passaggio dal lavoro manuale routinario a un supporto più meccanico. Ma fu solo con la quarta rivoluzione industriale, nell'ambito della digitalizzazione, che si ottenne il vero successo, i cui sviluppi sono da allora promossi e discussi sotto il nome di Laboratorio 4.0.

Con la fusione di compiti di base come la miscelazione, il riscaldamento, la dosatura in processi automatizzati, si pose la base per un lavoro di laboratorio più rapido e preciso. Oggi, praticamente ogni apparecchiatura di laboratorio è almeno parzialmente automatizzata – dall'impianto HPLC con sistema di pompe e autosampler, al fermentatore con tecnologia di controllo della temperatura e alimentazione dei media, fino alla pipetta elettronica con funzione di supporto per flussi di lavoro pre-salvati.

L'automazione in laboratorio è oggi indissolubilmente legata alla digitalizzazione: "È importante notare che la digitalizzazione da sola non è sufficiente – l'automazione ha anche una forte componente hardware", afferma la prof.ssa Dr. Kerstin Thurow del Center for Life Science Automation (CELISCA) dell'Università di Rostock. Senza dispositivi e sistemi adeguati che gestiscano campioni e materiali di laboratorio, l'automazione dei processi di laboratorio non è possibile. "Questo viene spesso dimenticato o dato per scontato nella discussione odierna", aggiunge l'esperta.

Idealmente, un dispositivo combina funzioni di automazione e digitalizzazione, come avviene in molte workstations. Queste sono generalmente dotate di software proprio. Gli utenti possono salvare i propri processi di lavoro, senza bisogno di conoscenze di programmazione. Ad esempio, nel sistema si possono sviluppare screening di principi attivi tramite drag and drop di passaggi di lavoro predefiniti, che vengono poi eseguiti automaticamente da una stazione di pipettatura. In questo modo, gli utenti guadagnano più tempo per compiti più complessi come la pianificazione e l'analisi degli esperimenti.

Dall'automa al braccio robotico

Accanto alle workstations, che svolgono un compito ben definito, si vedono sempre più spesso anche bracci robotici noti dall'industria nel contesto di laboratorio. "Oltre ai classici robot cartesiani per il handling di liquidi, si impiegano principalmente bracci robotici quando devono essere collegati sistemi altamente complessi composti da più dispositivi", spiega l'esperta di automazione Thurow. Un braccio robotico, come quello associato soprattutto alla produzione automobilistica, può eseguire movimenti flessibili come quelli di un braccio umano – con la precisione, resistenza e ripetibilità di una macchina. Ciò offre vantaggi, ad esempio, nel trasferimento di campioni o nella preparazione di campioni, soprattutto in ambienti di progetto, dove i flussi di lavoro e i compiti cambiano frequentemente e sono richieste soluzioni adattabili.

Per poter ospitare un supporto robotico in un laboratorio già soggetto a scarsità di spazio, i bracci robotici moderni sono spesso cosiddetti cobot (robot collaborativi), cioè robot collaborativi. Il vantaggio: i cobot possono essere integrati in modo sicuro in un ambiente di lavoro condiviso con persone, senza dover creare una separazione fisica tra operatore e robot.

È ipotizzabile che in futuro i robot assistenti possano assumersi compiti semplici e monotoni del personale di laboratorio. "Kevin", un cobot autonomo sviluppato dall'Istituto Fraunhofer per l'automazione (Fraunhofer IAO) e presentato all'ACHEMA 2022, è già oggi impiegato in ambienti di laboratorio reali. Si muove autonomamente nel laboratorio, riceve campioni e li trasporta tra ricevimento merci, laboratorio analisi e archivio. Secondo l'esperta di automazione Thurow, questa forma di robotica mobile rappresenta le maggiori opportunità per cambiare radicalmente il lavoro di laboratorio in futuro.

"In sistemi altamente complessi e distribuiti, sarà possibile un livello di automazione ancora più elevato", afferma. Tuttavia, secondo la sua opinione, non esisterà un laboratorio completamente autonomo. "Le soluzioni saranno sempre ottimizzate per processi specifici", conclude Thurow.

Un'ondata di dati in arrivo

Oltre ai compiti fisici svolti da robot e altre macchine, nel contesto di laboratorio si pone spesso l'accento sulla generazione di dati, o almeno questa rappresenta una parte fondamentale del lavoro. Dall'inizio dell'era dei computer, si è assistito a un rapido aumento della velocità e della quantità di dati prodotti.

Parallelamente, si è sviluppata inevitabilmente una tecnologia che supporta i lavoratori di laboratorio nella raccolta, gestione e analisi dei dati. In primo piano sono i sistemi di gestione e informazione di laboratorio (LIMS), che senza l'aumento del flusso di dati probabilmente non esisterebbero. Essi aiutano nella documentazione, nella gestione dei campioni e fungono da interfaccia con i vari dispositivi di laboratorio. Ciò rende più facile o addirittura possibile tracciare processi e campioni, consentendo di rispettare le normative in laboratori accreditati con uno sforzo ragionevole.

La comunicazione è la chiave

In generale, le interfacce sono un tema importante nel settore di laboratorio. Da tempo si lavora per porre fine ai tempi delle software proprietarie e per consentire il cosiddetto plug-and-play anche tra diversi produttori, senza restrizioni – cioè collegare un nuovo spettrometro e riconoscerlo immediatamente nella rete di laboratorio esistente, pronto all'uso. In molti casi, ciò funziona già, ma c'è ancora molto da fare. In particolare, si segnalano le iniziative SiLA e OPC UA LADS, che mirano a creare uno standard diffuso per l'integrazione dei dispositivi nel laboratorio.

Una realtà non basta

Per quanto riguarda l'usabilità per la prima configurazione di un laboratorio, non si tratta solo di interfacce, ma anche di questioni di pianificazione più generali, come la posizione ottimale dei dispositivi, lo spazio disponibile, fino alla pianificazione completa dell'alimentazione di media e dell'allestimento di nuove postazioni di lavoro. In questo contesto, la realtà virtuale (VR) ha già fatto passi avanti nel mondo dei laboratori. Permette di esplorare in modo interattivo e immersivo un gemello digitale del laboratorio precedentemente creato, di posizionare e modificare i mobili di laboratorio, e di discutere e visualizzare direttamente le modifiche con i pianificatori nel mondo virtuale. In questo modo, gli incontri tradizionali in loco possono essere sostituiti da accessi semplici tramite login e connessione Internet stabile.

La realtà aumentata (AR), in cui le informazioni vengono proiettate nell'ambiente reale, offre già oggi un grande potenziale per il lavoro di laboratorio – anche se il suo successo nel quotidiano lavorativo deve ancora affermarsi. Le possibilità sono molteplici: flussi di lavoro guidati passo passo tramite sovrapposizione di testo in occhiali intelligenti, evidenziazione di strumenti o sostanze chimiche nel campo visivo o istruzioni di riparazione per apparecchi analitici sono solo alcuni esempi. È possibile che gli utenti debbano ancora abituarsi a questa forma di supporto. Si ipotizza che la tecnologia, con il recente visore VR di Apple, possa presto affermarsi nella società.

Quando le macchine imparano

La rapidità con cui può avvenire un salto tecnologico si vede dall'emergere del chatbot ChatGPT e dei suoi cloni, che hanno sperimentato un enorme clamore mediatico in breve tempo. Le possibilità offerte da questi algoritmi di apprendimento cambieranno anche il lavoro in laboratorio. Un programma addestrato di conseguenza potrebbe aiutare nella documentazione e nella stesura di pubblicazioni. Oppure fungere da mediatore tra l'uomo e il computer, permettendo di progettare e controllare le misurazioni tramite testo o comandi vocali – quasi in dialogo diretto con l'apparecchio analitico. I primi tentativi di controllo vocale per il laboratorio sono stati fatti dal produttore di tecnologia di riscaldamento Lauda, con il suo sistema Lauda Live nel 2022. Il vantaggio è evidente, o meglio, la mano è il vantaggio: non è più necessaria per le immissioni, lasciando libera l'altra mano per altre azioni.

Il cammino verso il verde

Il laboratorio sarà progressivamente sempre più connesso, digitalizzato e automatizzato. È possibile che in futuro ci sarà anche lo stato tanto propagandato di "laboratorio senza carta". Un aspetto che, nonostante tutti i progressi tecnologici, influenzerà in modo determinante il futuro del laboratorio è la sostenibilità. La richiesta di un laboratorio sostenibile non significa affatto meno tecnologia, ma anzi si basa su nuove tecnologie.

Anche il dott. Thorsten Teutenberg dell'Istituto per l'ambiente e l'energia, tecnologia e analisi (IUTA) è convinto di questo: "La digitalizzazione offre inizialmente il massimo potenziale per promuovere la sostenibilità nei laboratori". Teutenberg vede questo, ad esempio, in migliori possibilità di organizzazione e documentazione. "In molte strutture accademiche vengono ripetuti esperimenti già condotti più volte, spesso da persone che non lavorano più da tempo in quella istituzione. Utilizzando, ad esempio, un laboratorio elettronico invece di un quaderno di laboratorio cartaceo, si possono rendere disponibili in modo permanente i risultati della ricerca e evitare esperimenti inutili".

La miniaturizzazione di apparecchiature e processi di laboratorio, come il passaggio dalla classica HPLC a micro-LC, ha anche un effetto positivo sulla sostenibilità. Con tali adattamenti, si può liberare spazio prezioso in laboratorio. "Se si riesce a risparmiare spazio attraverso sistemi analitici miniaturizzati, ciò avrà un effetto immediato sui costi operativi del laboratorio", spiega Teutenberg.

Se si tratta di miniaturizzare dispositivi e configurazioni di prova fino a raggiungere il "Lab-on-a-Chip" per un consumo minimo di risorse, di un approccio reattivo ottimizzato dall'IA che porta più rapidamente al risultato desiderato o semplicemente di un congelatore con minor consumo energetico, molte innovazioni moderne implicitamente sostengono il concetto di sostenibilità nel lavoro di laboratorio.

Conclusione

Dall'automazione alla robotica, dalla digitalizzazione all'IA, fino a un maggiore impegno per la sostenibilità: il laboratorio è in un costante cambiamento. La rapidità con cui il mondo dei laboratori si trasforma dipende non solo dallo sviluppo delle tecnologie, ma anche dalle persone che le utilizzano quotidianamente. E a volte ci vuole tempo perché qualcosa di nuovo si affermi, sia il primo sistema LIMS o semplicemente gli occhiali AR futuristici per il laboratorio.