Slim en verbonden laboratorium van de toekomst - "Labor 4.0"

Onder de noemer "Industrie 4.0" maken digitalisering en connectiviteit hun intrede in alle sectoren van de economie. De fysieke wereld versmelt met de virtuele, in sommige branches gaat het sneller, in andere langzamer. Grote achterstanden bestaan in laboratoria: concepten, inrichting, uitrusting en techniek, om nog maar te zwijgen van de connectiviteit en integratie in de IT-omgeving of de automatisering van processen – op alle gebieden moet worden ingehaald.

De grote uitdaging voor het laboratorium van de toekomst is dat systemen en technologie zelf communiceren en processen geautomatiseerd verlopen. Zo bewaakt bijvoorbeeld een veiligheidsschrank het overloop van verzamelvaten, communiceert met andere inrichtingselementen en apparaten. Camera's kunnen laboratoriumtechniek en daarmee processen aansturen. Slimme modules schakelen apparaten in en uit. Over het geheel genomen worden workflows in het laboratorium steeds meer gestuurd door de autonome communicatie tussen de laboratoriumapparaten onderling. De visie heet "Laboratorium 4.0".

Doel: ontwikkeling en standaardisering van innovatieve laboratoriumtechnologieën

De visie van een slim en verbonden "Laboratorium 4.0" wil het landelijke smartLAB-innovatie netwerk realiseren. Het wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Economie en Technologie (BMWi) binnen het kader van het Centrale Innovatieprogramma Midden- en Kleinbedrijf (ZIM). Ongeveer 20 bedrijven en instellingen uit onderzoek en industrie hebben zich verenigd: Eppendorf AG, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), de heer M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering en Deutsche Messe AG. De leiding van het project ligt bij het Institut für Technische Chemie (TCI) van de Leibniz Universiteit Hannover. "In smartLAB hebben wij als bedrijf de mogelijkheid om samen met anderen de visie van een toekomstig laboratorium te verwezenlijken. De uitwisseling onderling en met klanten ter plaatse brengt belangrijke impulsen voor toekomstige projecten," legt Dr. Tanja Musiol uit, projectleider portfoliomanagement marketing bij de Eppendorf AG.

Het doel van het netwerk is de ontwikkeling en standaardisering van innovatieve laboratoriumtechnologieën en daarop gebaseerde applicaties en oplossingen. Met hun hulp moeten workflows worden vereenvoudigd, de kwaliteit verbeterd, de efficiëntie verhoogd en tegelijkertijd de proceseenheid versterkt. Om de laboratoriumomgeving aan alle eisen te laten voldoen, moeten alle componenten en functionaliteiten naadloos samenwerken en robot systemen veel handelingen overnemen.

Dynamische, digitale connectiviteit, automatisering en robotica, geïntegreerde functionele oppervlakken en modulaire concepten – de toekomst ligt in de synergie van al deze technologieën, ook de toekomst van het laboratorium," bevestigt Dr. Simon Bungers, CEO van labfolder en woordvoerder van de smartLAB-groep.

Het slimme toekomstlaboratorium in Hannover

Momenteel is er in Hannover een prototype van "Laboratorium 4.0". Het heet smartLAB en werd als visionair voorbeeldlaboratorium voor het eerst gepresenteerd in 2015 op de laboratoriumtechniekbeurs LABVOLUTION.

Zowel qua uiterlijk als achter de schermen zet smartLAB nieuwe wegen in. Voor leken valt eerst op dat smartLAB niet uit tafels of laboratoriumbanken bestaat, maar uit afzonderlijke zeshoekige cellulaire modules, elk 90 centimeter hoog. Dit bespaart ruimte en maakt de opbouw van het laboratorium flexibel. Verbonden apparaten, automatisering en robotica, oppervlakken die kunnen wegen en meten, 3D-printers of ook data-brillen die instructies geven en in noodgevallen alarm kunnen slaan, zijn essentiële technologische innovaties. Het werkelijk baanbrekende van smartLAB gebeurt echter in de interactie tussen de afzonderlijke apparaten en met behulp van speciaal ontwikkelde software. Het Laboratorium 4.0 werkt volledig verbonden, wat tot nu toe in de laboratoriumpraktijk nog de uitzondering is. "Het smartLAB-project heeft niet alleen voor de laboratoriumsector in Duitsland, maar ook wereldwijd een voorbeeldfunctie," bevestigt Professor Dr. Thomas Scheper, hoofd van het TCI. "In smartLAB verbinden we verschillende technologische componenten zo dat alle werkprocessen digitaal worden ondersteund en daardoor niet alleen eenvoudiger, maar ook veiliger worden."

De visie van een intelligent toekomstlaboratorium heeft ook de politiek overtuigd. "Met het project smartLAB bewijst de deelstaat Niedersachsen enerzijds haar onderzoeksuitmuntendheid," zegt Niedersachsens minister van Economie Olaf Lies. "Wat smartLAB vooral waardevol maakt, is dat hier partners uit onderzoek en industrie verbonden oplossingen creëren die de laboratoriumpraktijk van de toekomst kunnen veranderen." De Niedersächsische ministeries voor wetenschap en cultuur en voor economie, arbeid en verkeer financieren het project: smartLAB wordt als een permanent demonstratieobject opgebouwd in de Deutsche Messe Technology Academy op de beurslocatie in Hannover en kan worden gebruikt voor bedrijfspresentaties en trainingen.

nICLAS Innovatiecentrum voor laboratoriumautomatisering in Stuttgart

Nieuwe technologieën voor een slim laboratorium van de toekomst worden ontwikkeld, samen met partners uit de industrie, waaronder ook het Fraunhofer IPA. De locatie van het gebeuren is het Innovatiecentrum voor laboratoriumautomatisering Stuttgart, kortweg nICLAS. Onder de deelnemers bevinden zich industriële gebruikers en ontwikkelaars, evenals partners die de brug slaan naar onderzoek en academische opleiding. "Het interdisciplinaire takenveld vereist een multidisciplinair team om succesvol te zijn in de internationale concurrentie. We zijn daarom blij dat we sterke partners hebben gevonden zoals Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega en Festo, die ons voorzien van de nieuwste apparaten en innovatieve technologieën," zegt nICLAS-projectleider Mario Bott van het Fraunhofer IPA.

De achtergrond: automatisering wordt momenteel slechts in een klein deel van de laboratoria wereldwijd versneld. Een reden hiervoor zijn strenge regelgeving en multivariate, niet-standaard processen in het dagelijkse laboratoriumwerk. "De monsters en producten in het laboratorium ondergaan de strengste kwaliteitsnormen. Voor bedrijven is het daarom duur en arbeidsintensief om nieuwe technologieën te implementeren," aldus Mario Bott. Bovendien werd de handmatige werkomgeving van laboratoria jarenlang als voordeel gezien. Men was van mening dat dit sneller en flexibeler was.

Op weg naar een verbonden datafabriek

Langzaam vindt ook bij bedrijven een omslag plaats. "Laboratoria aan centrale knooppunten binnen het bedrijf worden steeds meer verbonden datafabrieken: of het nu gaat om diagnostisch laboratorium, in lead discovery voor nieuwe medicijnen of in kwaliteitscontrole en productvrijgave. Ze genereren informatie die uiterst waardevol is voor de bedrijfsbesturing," benadrukt Mario Bott. "Bovendien stelt de toenemende personalisering van product en proces door gepersonaliseerde diagnostiek en therapie laboratoria voor nieuwe uitdagingen. Om de opkomende complexiteit beheersbaar te maken, moeten duurzame, modulaire oplossingen voor hardware- en softwaresystemen worden ontwikkeld. Hier zet nICLAS op in."

Coöperatief onderzoek en ontwikkeling levert resultaten op

De eerste impulsen en denkrichtingen worden al geleverd door het nICLAS-FutureLab. Een voorbeeld: intelligente tracking.

Bij het Fraunhofer IPA is een tracksysteem ontwikkeld dat handbewegingen automatisch documenteert en evalueert met 3D-beeldverwerking: een 3D-camera, die boven een steriel werkblad is bevestigd, registreert de handbewegingen van medewerkers en stuurt de gegevens live door naar een informatiesysteem. Hier worden ze geëvalueerd, geclassificeerd en in een protocol vastgelegd met behulp van bewegingsherkeningsalgoritmen. Het systeem registreert en documenteert zo elk processtap volledig en nauwkeurig. Dit bespaart tijd, ontlast de medewerkers en levert betere resultaten op. Een bijkomend voordeel: het tracksysteem vereist eenvoudige hardware en software en is daardoor ook geschikt voor kleine laboratoria.

"TeachIT," een andere oplossing van de IPA-wetenschappers, bespaart eveneens tijd in het dagelijkse laboratoriumwerk. Via deze toepassing worden laboratoriumrobots in korte tijd geautomatiseerd aangeleerd. Hiervoor worden de multibaanplaten op het werkvlak voorzien van barcodes. Een 3D-camera aan de robotarm herkent de markering en geeft de robot aan waar hij moet grijpen.

Initiatief SiLA voor uniforme standaarden

In veel laboratoria in biotechnologie, farmacie en diagnostiek bestaan hooggespecialiseerde, heterogene apparaatlandschappen. Omdat de onderliggende IT-structuren meestal historisch zijn gegroeid, kunnen de apparaten vaak niet of slechts beperkt worden gecoördineerd. De oplossing voor dit probleem zijn apparaatstuurprogramma's en platforms die voldoen aan uniforme standaarden. Omdat ze compatibel zijn met producten van alle fabrikanten, maken ze de gewenste integratie van de heterogene componenten mogelijk.

Om toekomstbestendige IT-oplossingen voor geautomatiseerde laboratoria te ontwikkelen, engageren momenteel systeemfabrikanten, softwaredienstverleners, systeemintegrators en farmaceutische en biotechbedrijven zich binnen het kader van de SiLA-initiatie (Standardization in Lab Automation) voor bindende standaarden. Het doel van deze initiatief is een soepele integratie van laboratoriumapparatuur en IT-systemen van verschillende fabrikanten. Hiervoor zijn uniforme communicatie-interfaces, apparaatstuurprogramma's en laboratoriummaterialen nodig. De leden van het non-profit consortium sturen hooggespecialiseerde experts naar verschillende technische werkgroepen om gezamenlijk bindende standaarden te ontwikkelen. Volgens het Fraunhofer Instituut voor productie- en automatiseringstechniek (Fraunhofer IPA), dat ook lid is van het SiLA-consortium, moeten fabrikanten van apparaten en componenten de conformiteit van hun ontwikkelingen met SiLA laten certificeren. Het instituut biedt hiervoor zowel een eerste advies als een automatische conformiteitscontrole en certificering aan.