Laboratorio intelligente e connesso del futuro - "Laboratorio 4.0"

Sotto il marchio "Industria 4.0" la digitalizzazione e la connessione stanno entrando in tutti i settori dell'economia. Il mondo fisico si fonde con quello virtuale, in alcuni settori più velocemente, in altri più lentamente. C'è un grande bisogno di recupero nei laboratori: concetti, allestimenti, attrezzature e tecnologia, per non parlare della connessione e integrazione nell'ambiente IT o dell'automazione dei processi – in tutti i settori bisogna recuperare.

La grande sfida per il laboratorio del futuro è che i sistemi e le tecnologie comunichino autonomamente e i processi avvengano in modo automatizzato. Ad esempio, un armadio di sicurezza monitora il traboccamento dei contenitori di raccolta, comunica con altri dispositivi e strumenti. Le telecamere possono controllare la tecnologia di laboratorio e i processi correlati. Moduli intelligenti accendono e spengono i dispositivi. Complessivamente, le procedure in laboratorio sono sempre più gestite dalla comunicazione autonoma tra i dispositivi di laboratorio tra loro. La visione si chiama "Laboratorio 4.0".

Obiettivo: sviluppo e standardizzazione di tecnologie di laboratorio innovative

La visione di un "Laboratorio 4.0" intelligente e connesso vuole realizzare la rete di innovazione smartLAB a livello nazionale. È finanziata dal Ministero federale dell'economia e tecnologia (BMWi) nell'ambito del Programma di innovazione centrale per le PMI (ZIM). Circa 20 aziende e istituzioni di ricerca e industria si sono unite: Eppendorf AG, Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation (IPA), Herr M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering e Deutsche Messe AG. La gestione del progetto è affidata all'Istituto di chimica tecnica (TCI) dell'Università Leibniz di Hannover. "Nel smartLAB, come azienda, abbiamo la possibilità di realizzare la visione di un futuro del laboratorio in collaborazione con altri. Lo scambio tra di noi e con i clienti sul posto porta impulsi importanti per progetti futuri", spiega la Dott.ssa Tanja Musiol, responsabile del portafoglio di gestione marketing presso Eppendorf AG.

L'obiettivo della rete è lo sviluppo e la standardizzazione di tecnologie di laboratorio innovative e delle applicazioni e soluzioni basate su di esse. Con il loro aiuto, si vogliono semplificare i processi, migliorare la qualità, aumentare l'efficienza e allo stesso tempo aumentare la sicurezza dei processi. Perché l'ambiente di laboratorio possa soddisfare tutte le esigenze, tutte le componenti e le funzionalità devono integrarsi e i sistemi robotici devono assumersi molte operazioni.

Connessione digitale dinamica, automazione e robotica, interfacce funzionali integrate e concetti modulari – il futuro risiede nell'interazione di tutte queste tecnologie, anche il futuro del laboratorio", conferma il Dott. Simon Bungers, CEO di labfolder e portavoce del gruppo smartLAB.

Il laboratorio intelligente del futuro a Hannover

Attualmente esiste un prototipo di "Laboratorio 4.0" a Hannover. Si chiama smartLAB ed è stato presentato come laboratorio modello visionario per la prima volta nel 2015 alla fiera di tecnologia di laboratorio LABVOLUTION.

Sia dal punto di vista estetico che dietro le quinte, lo smartLAB apre nuove strade. A prima vista, si nota che lo smartLAB non è costituito da tavoli o banchi da laboratorio, ma da moduli esagonali singoli, ciascuno alto 90 centimetri. Questo permette di risparmiare spazio e di rendere flessibile la configurazione del laboratorio. Dispositivi connessi, automazione e robotica, superfici che possono pesare e misurare, stampanti 3D o anche occhiali intelligenti che danno istruzioni e possono allertare in caso di emergenza sono innovazioni tecnologiche fondamentali. Tuttavia, ciò che è realmente rivoluzionario nello smartLAB avviene nell'interazione tra i singoli dispositivi e grazie a software sviluppati appositamente. Il Laboratorio 4.0 funziona completamente in rete, cosa ancora rara nella realtà di laboratorio. "Il progetto smartLAB non rappresenta solo un modello per il settore dei laboratori in Germania, ma anche a livello mondiale", conferma il Prof. Dr. Thomas Scheper, direttore del TCI. "In smartLAB colleghiamo componenti tecnologici in modo che tutti i processi di lavoro siano supportati digitalmente e diventino così non solo più semplici, ma anche più sicuri."

La visione di un laboratorio intelligente del futuro ha convinto anche la politica. "Con il progetto smartLAB, il Land Niedersachsen dimostra innanzitutto la sua eccellenza nella ricerca", afferma Olaf Lies, ministro dell'economia della Bassa Sassonia. "SmartLAB è particolarmente interessante perché qui partner dalla ricerca e dall'industria creano soluzioni connesse che possono effettivamente cambiare la pratica di laboratorio del futuro." I ministeri della scienza e della cultura e dell'economia, del lavoro e dei trasporti della Bassa Sassonia finanziano il progetto: smartLAB sarà allestito come oggetto dimostrativo permanente presso l'Academy di tecnologia di Deutsche Messe nel quartiere fieristico di Hannover e potrà essere utilizzato per presentazioni aziendali e formazione.

Centro di innovazione nICLAS per l'automazione di laboratorio a Stoccarda

Nuove tecnologie per un laboratorio intelligente del futuro vengono sviluppate, insieme a partner dell'industria, anche dal Fraunhofer IPA. Il luogo di svolgimento è il Centro di innovazione per l'automazione di laboratorio di Stoccarda, chiamato nICLAS. Tra i partecipanti al progetto ci sono utilizzatori industriali e sviluppatori, oltre a partner che fanno da ponte tra ricerca e formazione accademica. "Il campo multidisciplinare richiede un team multidisciplinare per competere con successo nel mercato internazionale. Siamo felici di aver trovato partner forti come Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega e Festo, che ci mettono a disposizione le tecnologie più recenti e innovative", afferma Mario Bott, responsabile di nICLAS presso Fraunhofer IPA.

Il contesto: l'automazione è attualmente implementata solo in una piccola parte dei laboratori nel mondo. Una ragione di ciò sono le normative rigorose e i processi multivariati e non standardizzati nella routine di laboratorio. "I campioni e i prodotti in laboratorio sono soggetti a requisiti di qualità estremamente rigorosi. Per le aziende, è quindi costoso e complesso introdurre nuove tecnologie", spiega Mario Bott. Inoltre, per molti anni l'ambiente di lavoro manuale dei laboratori è stato visto come un vantaggio. Si pensava che così si fosse più veloci e più flessibili.

Verso una fabbrica di dati connessa

Gradualmente anche le aziende stanno cambiando mentalità. "I laboratori alle interfacce centrali dell'azienda stanno diventando sempre più fabbriche di dati connessi: sia come laboratori diagnostici, sia nella scoperta di nuovi farmaci o nel controllo qualità e rilascio dei prodotti. Generano informazioni estremamente preziose per la gestione aziendale", sottolinea Mario Bott. "Inoltre, la crescente personalizzazione di prodotto e processo tramite diagnosi e terapie personalizzate pone nuove sfide ai laboratori. Per gestire la crescente complessità, devono essere sviluppate soluzioni sostenibili e modulari per sistemi hardware e software. Qui interviene nICLAS."

Ricerca e sviluppo cooperativi danno risultati

Già il nICLAS-FutureLab fornisce i primi impulsi e stimoli di riflessione. Un esempio: il tracciamento intelligente.

Al Fraunhofer IPA è stato sviluppato un sistema di tracciamento che documenta e valuta automaticamente i movimenti delle mani tramite elaborazione di immagini 3D: una telecamera 3D montata sopra un banco sterile registra i movimenti delle mani dei collaboratori e trasmette i dati in tempo reale a un sistema informativo. Qui vengono analizzati, classificati e trasformati in un protocollo tramite algoritmi di riconoscimento dei movimenti. Il sistema registra e documenta senza lacune ogni singolo passaggio del processo. Questo permette di risparmiare tempo, alleggerire il lavoro dei collaboratori e ottenere risultati migliori. Un ulteriore vantaggio: il sistema di tracciamento richiede hardware e software semplici, rendendolo adatto anche ai laboratori di piccole dimensioni.

"TeachIT", un'altra soluzione degli scienziati del IPA, permette di risparmiare tempo anche nella routine di laboratorio. Con questa applicazione, i robot di laboratorio vengono addestrati automaticamente in tempi molto brevi. Per farlo, le piastre multistrato vengono dotate di codici a barre. Una telecamera 3D sul braccio robotico riconosce il marchio e indica al robot dove deve afferrare.

Iniziativa SiLA per standard unificati

In molti laboratori di biotecnologia, farmacia e diagnostica esistono ambienti di dispositivi altamente specializzati e eterogenei. Tuttavia, poiché le strutture IT sottostanti sono per lo più di origine storica, i dispositivi non possono essere coordinati o lo sono solo in modo limitato. La soluzione a questo problema sono driver di dispositivi e piattaforme conformi a standard unificati. Poiché comunicano con prodotti di tutti i produttori, consentono l'integrazione desiderata delle componenti eterogenee.

Per sviluppare soluzioni IT sostenibili per laboratori automatizzati, attualmente produttori di sistemi, fornitori di software, integratori di sistemi e aziende farmaceutiche e biotecnologiche sono impegnati nell'iniziativa SiLA (Standardizzazione nell'automazione di laboratorio) per standard vincolanti. L'obiettivo di questa iniziativa è un'integrazione senza problemi di dispositivi di laboratorio e sistemi IT di diversi produttori. Per farlo, sono necessarie interfacce di comunicazione unificate, driver di dispositivi e materiali di consumo di laboratorio. I membri del consorzio senza scopo di lucro inviano esperti altamente specializzati in vari gruppi di lavoro tecnici per sviluppare standard vincolanti insieme. Secondo l'Istituto Fraunhofer per la produzione e l'automazione (Fraunhofer IPA), anche membro del consorzio SiLA, i produttori di dispositivi e componenti devono certificare la conformità SiLA delle loro tecnologie. L'istituto offre sia una prima consulenza che un successivo controllo automatico di conformità e certificazione.