Il laboratorio intelligente del futuro

Nel laboratorio moderno si sta delineando un cambiamento di paradigma. Con l'aumento della complessità dei processi di laboratorio, le soluzioni di automazione diventano indispensabili. Anche l'incessante aumento dei requisiti legislativi e regolamentari rende necessaria una rete di connessioni adeguata alle esigenze. I dispositivi di laboratorio intelligenti sono i motori dell'innovazione nel laboratorio del futuro.

Soluzioni integrate di automazione e digitalizzazione vengono presentate in modo pratico da esperti alla fiera analytica di Monaco, dal 10 al 13 maggio 2016. In teoria e in pratica vengono illustrati strumenti, software e soluzioni di rete che creano le condizioni per un laboratorio intelligente.

Soluzioni di tecnologia dell'informazione all'avanguardia aprono nel laboratorio opportunità e sfide finora inesplorate. Gradi di automazione ottimizzati e moduli di dispositivi integrati per capacità dinamiche consentono una progettazione di processi efficiente e riproducibile, ovvero validabile, con gestione dei dati completa. È necessario trasferire i flussi manuali in processi automatizzati e integrare i sistemi di gestione delle informazioni di laboratorio (LIMS) esistenti per rendere il laboratorio ancora più efficiente. Sistemi di laboratorio intelligenti, una rete personalizzata e l'integrazione sostenibile del laboratorio nella struttura aziendale aumentano non solo la flessibilità, ma anche significativamente la redditività di un'azienda.

Soprattutto nei laboratori industriali orientati alla crescita, si tratta di migliorare l'efficienza, ottimizzare le strutture e aumentare la flessibilità. Le condizioni e i fattori di successo decisivi per raggiungere questi obiettivi sono sistemi di analisi ad alta risoluzione e comunicazione, soluzioni di automazione funzionali per garantire parametri di reazione e qualità del prodotto, nonché una rapida disponibilità dei dati e una gestione efficiente delle informazioni.

Tecnologie future importanti trovano spazio nella catena del valore del laboratorio. Alla luce della crescente digitalizzazione, nel laboratorio del futuro è necessario ripensare vari processi e strutture. L'inizio di questa nuova fase di sviluppo richiede soluzioni di automazione complesse e olistiche. Il numero di dispositivi di laboratorio con capacità di rete e funzioni intelligenti chiamate Smart crescerà rapidamente. Il laboratorio 4.0 sta diventando realtà.

Il laboratorio del futuro richiede la capacità di comunicazione senza restrizioni tra i sistemi di laboratorio. L'obiettivo è garantire funzioni aggiuntive flessibili e processi di prova monitorati attraverso una disponibilità continua dei dati. I moduli intelligenti già controllano sistemi di dispositivi, accendono automaticamente i dispositivi di laboratorio e regolano vari flussi di lavoro nel laboratorio. Ad esempio, un armadio di sicurezza può monitorare e regolare automaticamente il traboccamento dei contenitori di raccolta o comunicare con altre parti dell'armadio e dispositivi. Telecamere integrate in vari strumenti di tecnologia di laboratorio controllano intelligentemente le cose nell'ambiente circostante. In futuro, la comunicazione tra dispositivi di laboratorio acquisirà un'importanza crescente.

Il laboratorio intelligente rappresenta una nuova epoca nel settore. Le tecnologie di dispositivi esistenti devono essere rese adatte al futuro, e reti di dati altamente disponibili sono assolutamente necessarie. La marea di dati enorme deve essere utilizzata in modo sensato. La trasmissione rapida e sicura di grandi quantità di dati e le reti basate su IP richiedono una gestione economica dei dati.

Ponte tra le scienze della vita e la tecnologia di automazione

Il team di ricerca guidato da Andreas Traube, responsabile dell'automazione di laboratorio e della tecnologia di produzione biologica presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA, ha sviluppato approcci innovativi per la rete di processi di laboratorio e analisi nella catena del valore, dalla logistica dei campioni alla documentazione. Le esperienze di gestione LEAN e ottimizzazione dei processi sono state trasferite nel laboratorio con l'obiettivo di aumentare in modo sostenibile l'efficienza di tutti i flussi di processo e, di conseguenza, la capacità operativa del laboratorio. Con il successo di questa implementazione, il team di ricerca è riuscito a creare un esempio di collegamento tra le scienze della vita e la tecnologia di automazione. "Siamo convinti che i laboratori di scienze della vita possano essere resi molto più efficienti attraverso l'interazione di soluzioni organizzative e tecniche", spiega Traube. "Il Fraunhofer IPA offre soluzioni personalizzate per l'intero flusso di lavoro di un laboratorio LEAN e supporta nell'implementazione e nello sviluppo tecnologico."

"Viviamo in un'epoca di prodotti sempre più personalizzati. Di conseguenza, i laboratori dedicati alla ricerca e al collaudo di prodotti in vari settori diventano un fattore essenziale nello sviluppo del prodotto", prevede Traube. "La rete degli elementi fondamentali del laboratorio, come processi, analisi dei dati, dispositivi e personale di gestione, rappresenta l'elemento centrale per un laboratorio intelligente ed efficiente", spiega Traube, offrendo uno sguardo al futuro. "Le basi tecnologiche sono già presenti. Queste tecnologie influenzeranno e cambieranno drasticamente il laboratorio nei prossimi anni!"

Il laboratorio 4.0 dal punto di vista del settore

In linea di massima, si possono distinguere due tipi di laboratorio: il laboratorio di ricerca accademico e il laboratorio industriale di ricerca o di controllo qualità. Per il primo, il dottor Frank Schleifenbaum, responsabile marketing di Berthold Technologies, vede una minore esigenza di automazione di laboratorio, poiché le applicazioni sono troppo poco standardizzate e ripetitive. Piuttosto, egli vede un approccio nella rete delle attrezzature di laboratorio, che può andare da un sistema di approvvigionamento automatizzato di sostanze chimiche e materiali di laboratorio, a uno scambio diretto di dati tra singoli dispositivi di analisi (LIMS), fino a libri di laboratorio completamente automatizzati. "Per un'integrazione di questo tipo sono necessarie interfacce adeguate in hardware, elettronica e software", afferma Schleifenbaum. "Idealmente, tutti i dispositivi dispongono di accesso alla rete e comunicano tramite un protocollo standardizzato, ad esempio SILA. Nel settore della ricerca, tuttavia, deve sempre essere possibile l'intervento dell'utente nel processo." Dimensioni standardizzate dei dispositivi potrebbero essere un tema. Si potrebbero prevedere dimensioni normate in una gamma di misure definite, in modo che il laboratorio, ad esempio tramite tavoli mobili, possa essere facilmente adattato al flusso di lavoro corrispondente." Le esigenze di laboratori di routine e analisi industriali sono invece diverse. Qui, non si tratta di flessibilità, ma di affidabilità, throughput e prevenzione degli errori. "In ogni caso, deve essere garantito un trattamento automatizzato dei campioni, e la documentazione dei dati deve essere completamente automatica. Dispositivi singoli scambiano dati e campioni tra loro, senza intervento manuale. Le interfacce standardizzate consentono di combinare centralizzazione e decentralizzazione dei laboratori", prosegue Schleifenbaum. "Valutazioni complesse dei dati ('Big Data') possono essere delegate a cluster di calcolo potenti, i dati vengono archiviati centralmente e correlati tra loro", conclude. "Nonostante la standardizzazione dei processi di laboratorio, le interfacce uniformi offrono la possibilità rapida di riadattare il laboratorio per altri compiti routinari."

Big Data

Il laboratorio 4.0 permette di raccogliere e collegare grandi quantità di dati. "Perciò, devono essere stimolate innovazioni in grado di generare automaticamente e rapidamente questa grande quantità di dati ('High Throughput Screening' e 'Big Data'). Tuttavia, le interfacce devono essere definite. È necessario che ci siano norme vincolanti da parte di un'autorità regolatoria. Un consorzio informale di fornitori di attrezzature di laboratorio probabilmente non sarà sufficiente", afferma Schleifenbaum. "La protezione dei dati sarà un tema importante, che la tecnologia di rete dovrà affrontare. La comunicazione tra singoli dispositivi deve essere così semplice da poter essere creata e adattata autonomamente dall'utente." La valutazione automatica dei dati deve essere in grado di apprendere, cioè deve cercare autonomamente correlazioni e individuare dipendenze e rappresentarle. In questo modo, non rispecchierebbe semplicemente il metodo manuale dell'utente, ma lo amplierebbe. Secondo Schleifenbaum, ciò offrirà all'utente un ambiente di laboratorio flessibile, che può essere adattato individualmente alle esigenze attuali, garantendo al contempo un aumento di qualità dei risultati analitici e la possibilità di raccogliere, organizzare e valutare automaticamente grandi quantità di dati.

Soluzioni settoriali specifiche alla fiera analytica di Monaco

Alla fiera analytica, che si svolge dal 10 al 13 maggio a Monaco, più di 1.100 espositori da tutto il mondo presenteranno nuovi prodotti e metodi, anche per il laboratorio del futuro. Il dottor Gunther Wobser, amministratore delegato di LAUDA, vede le sfide del laboratorio 4.0 nel fatto che "i dispositivi devono comunicare tra loro". LAUDA offre termostati e circolatori con diverse interfacce. Forniamo gratuitamente driver per sistemi di automazione di laboratorio integrati e ci occupiamo della disponibilità permanente tramite assistenza remota". Alla fiera analytica, LAUDA presenta una novità. "La nostra grande innovazione di dispositivi alla fiera è PRO. Per la prima volta offriamo termostati ottimizzati per applicazioni di bagno e termostati esterni per applicazioni esterne. L'unità di controllo è completamente indipendente dal termostato e può essere posizionata in modo flessibile dove serve", spiega Wobser.

Inoltre, nexygen® fa il suo secondo debutto pubblico alla fiera analytica, presentando idee e sviluppi del laboratorio del futuro. nexygen® – THE NEXT GENERATION LAB è un'iniziativa delle aziende Köttermann, Memmert, Hirschmann, 2mag e Sartorius. I produttori tedeschi di prodotti e servizi legati al laboratorio hanno riconosciuto che le tendenze nel settore, oltre alla miniaturizzazione e automazione, includono anche un utilizzo ottimale dello spazio di laboratorio, la riduzione dei costi operativi, uno scambio di dati più semplice tra dispositivi e un aumento della flessibilità e mobilità.

Conclusioni

Il laboratorio 4.0 rivoluziona il mondo dei laboratori, dalla logistica dei campioni alla gestione dei dati, e consente approcci innovativi per processi personalizzati. Big Data, Cloud Computing, l'Internet delle cose e il web mobile giocheranno un ruolo decisivo come tecnologie di nuova generazione per garantire la crescita futura.