Van slimme brillen en robotarmen – Laboratoria op weg naar het digitale tijdperk

© shutterstock/586533194/Kitreel

© iStock/1298111593/Eplisterra

© iStock/1140779713/gorodenkoff

© iStock/1358567925/PeopleImages

Wat er in de wereld gebeurt, gebeurt ook in de laboratoria: de trend naar meer techniek, digitale hulpmiddelen en niet in de laatste plaats robots en kunstmatige intelligentie (AI) – alles vaak gepaard met een groter milieubewustzijn. Welke vruchten deze ontwikkelingen dragen en nog zullen dragen, wordt in dit trendrapport weergegeven.

De wereld van het laboratorium is voortdurend in verandering: Tot halverwege de 20e eeuw werd nog de mond gebruikt om te pipetteren, tegenwoordig zijn laboratoria uitgerust met passende technische hulpmiddelen die het laboratoriumpersoneel beschermen en het werk vergemakkelijken. De ontwikkeling is echter niet gestopt bij pipetten, maar boekt vooral op het gebied van automatisering, digitalisering en robotica snelle vooruitgang.

In het begin was er automatisering

Het lijkt bijna op een relic uit een ver verleden: Toen de derde industriële revolutie (Industrie 3.0) in de jaren 1970 de arbeidswereld steeds meer richting geautomatiseerde processen bracht, leidde dit tot een toename van de productiecapaciteit en opende het nieuwe mogelijkheden in fabricagetechniek en machinebouw. Ook in laboratoria begon rond die tijd de overstap van handmatige routinewerkzaamheden naar meer machinale ondersteuning. Maar pas met de vierde industriële revolutie, in het kader van digitalisering, kwam de officiële doorbraak, waarvan de verdere ontwikkelingen sindsdien onder de noemer Labor 4.0 worden gepromoot en besproken.

Door het samenbrengen van basisactiviteiten zoals roeren, tempereren en doseren in geautomatiseerde processen werd de fundering gelegd voor snellere en herhaalbare laboratoriumwerkzaamheden. Tegenwoordig is bijna elk laboratoriumapparaat ten minste gedeeltelijk geautomatiseerd – van HPLC-systemen met pompsystemen en autosamplers tot fermenters met nauwkeurig gestuurde temperatuursystemen en media-aanvoer, tot elektronische pipetten met ondersteuningsfuncties voor vooraf opgeslagen workflows.

Automatisering in het laboratorium is tegenwoordig onlosmakelijk verbonden met digitalisering: "Hierbij moet worden opgemerkt dat digitalisering op zich niet voldoende is – automatisering heeft vooral ook een sterke hardwarecomponent," zegt Prof. Dr. Kerstin Thurow van het Center for Life Science Automation (CELISCA) aan de Universiteit Rostock. Zonder geschikte apparaten en systemen die monsters en laboratoriummaterialen hanteren, is automatisering van laboratoriumprocessen niet mogelijk. "Dit wordt in de huidige discussie vaak vergeten of als vanzelfsprekend aangenomen," merkt de expert op.

Ideaal gezien combineert een apparaat automatiserings- en digitaliseringsfuncties, zoals bij veel werkstations het geval is. Deze zijn meestal uitgerust met eigen software. Gebruikers kunnen hun werkprocessen zelf opslaan, zonder dat programmeerkennis nodig is. Zo kunnen bijvoorbeeld in het systeem via drag-and-drop van vooraf gemaakte stappen stofscreens in de computer worden ontwikkeld, die vervolgens automatisch worden uitgevoerd door een pipetteerstation. Hierdoor krijgen gebruikers meer tijd voor complexere laboratoriumtaken zoals experimentplanning en -analyse.

Van automaat tot auto-arm

Ondersteunend bij werkstations die meestal een nauw omschreven taak vervullen, worden steeds vaker ook de uit de industrie bekende robotarmen in laboratoriumomgevingen gezien. "Naast klassieke cartesiaanse vloeistofbehandelingsrobots worden verschillende robotarmen vooral ingezet wanneer complexe systemen uit meerdere apparaten moeten worden verbonden," legt automationsexpert Thurow uit. Zo'n robotarm, die vooral wordt geassocieerd met de automobielproductie, kan flexibele bewegingen uitvoeren zoals een menselijke arm – en dat met de precisie, uithoudingsvermogen en herhaalnauwkeurigheid van een machine. Dit biedt bijvoorbeeld voordelen voor het transport van monsters of de voorbereiding ervan, vooral in projectgerichte omgevingen waar workflows en taken vaker veranderen en een flexibele oplossing vereist is.

Om zo'n robotondersteuning in het vaak al krappe laboratorium te plaatsen, zijn moderne robotarmen meestal zogenaamde cobots (collaboratieve robots), dat wil zeggen samenwerkende robots. Het voordeel hiervan: collaboratieve robotarmen kunnen veilig worden geïntegreerd in een gezamenlijke werkomgeving met mensen, zonder fysieke scheiding tussen laboratoriumpersoneel en robot te hoeven creëren.

Het is denkbaar dat in de toekomst robothelpers eenvoudige en monotone werkzaamheden van het personeel overnemen. De op de ACHEMA 2022 getoonde "Kevin", een autonome cobot ontwikkeld door het Fraunhofer-Instituut voor Automatiseringstechniek, wordt bijvoorbeeld al in echte laboratoriumomgevingen ingezet. Hij rolt zelfstandig door het laboratorium, neemt monsters aan en transporteert ze tussen ontvangst, analytisch laboratorium en archief. Volgens

automationsexpert Thurow biedt deze vorm van mobiele robotica de grootste kansen om het laboratoriumwerk in de toekomst fundamenteel te veranderen. "Hierdoor wordt vooral in hoogcomplexe gedistribueerde systemen een nog hoger automatiseringsniveau mogelijk." Volgens haar zal het volledig autonome laboratorium echter niet bestaan. "Oplossingen zullen altijd geoptimaliseerd zijn voor bepaalde processen," zegt Thurow.

De datastroom voor de deur

Naast de fysieke taken die robots en andere machines uitvoeren, staat in de laboratoriumomgeving meestal de datageneratie centraal of vormt deze minstens een essentieel onderdeel van het werk. Sinds het begin van het computer-tijdperk is er een razendsnelle toename in snelheid en hoeveelheid van de geproduceerde data.

Parallel daaraan heeft zich onvermijdelijk een ontwikkeling voorgedaan die laboratoriummedewerkers ondersteunt bij het vastleggen, onderhouden en analyseren van data. Vooral laboratorium-informatie- en managementsystemen (LIMS) spelen hierbij een belangrijke rol, die zonder de groeiende stroom data waarschijnlijk niet zouden bestaan. Ze helpen bij documentatie, monstersbeheer en fungeren als interface met de diverse apparaten in het laboratorium. Dit maakt het mogelijk of vergemakkelijkt het traceren van processen en monsters, zodat ook regelgeving in geaccrediteerde laboratoria met redelijke inspanning kan worden nageleefd.

Communicatie is de sleutel

Over het algemeen zijn interfaces een belangrijk onderwerp in de laboratoriumsector. Al langer bestaan er inspanningen om een einde te maken aan de tijd van propriëtaire software en het veelgeprezen plug-and-play ook over verschillende fabrikanten zonder beperkingen mogelijk te maken – dus simpelweg een nieuwe spectrofotometer aansluiten, en deze wordt meteen herkend in het bestaande laboratoriumnetwerk en is klaar voor gebruik. In veel gevallen werkt dat al, maar er moet nog veel werk worden verzet. Vooral de initiatieven SiLA en OPC UA LADS worden genoemd, die elk een veelgebruikte standaard voor apparaatkoppeling in het laboratorium willen creëren.

Een realiteit is niet genoeg

Als het gaat om gebruiksvriendelijkheid bij de eerste installatie van een laboratorium, speelt niet alleen de interface-kwestie een rol, maar ook algemene planningsvragen zoals de juiste plaatsing van apparaten, de beschikbare ruimte tot en met de volledige planning van de media-aanvoer en inrichting van nieuwe werkplekken. Hier heeft virtual reality (VR) al voet aan de grond gekregen in de laboratoriumwereld. Hiermee kan bijvoorbeeld een eerder gemaakte digitale tweeling van het laboratorium interactief en onderdompelend worden verkend, kunnen laboratoriummeubels worden geplaatst en aangepast, en kunnen gebruikers samen met de laboratoriumplanners in de virtuele ruimte wijzigingswensen bespreken en direct zichtbaar maken. Zo zijn klassieke on-site afspraken overal mogelijk met een eenvoudige login en een stabiele internetverbinding.

Ook de verwante augmented reality (AR), waarbij informatie in de echte omgeving wordt geprojecteerd, biedt al grote potentie voor het werk in het laboratorium – ook al laat de doorbraak in de dagelijkse werkzaamheden nog op zich wachten. De mogelijkheden zijn divers: stapsgewijs begeleide workflows via tekstweergave in een bril, het markeren van apparaten of chemicaliën in het gezichtsveld, of reparatie-instructies voor een analysetoestel zijn slechts enkele voorbeelden. Het kan zijn dat gebruikers zich nog moeten aanpassen aan deze vorm van ondersteuning. Het is denkbaar dat de technologie met de onlangs geïntroduceerde VR-bril van Apple binnenkort maatschappelijk wordt doorgevoerd.

Wanneer machines leren

Hoe snel een technologische sprong kan plaatsvinden, wordt duidelijk door de opkomst van de chatbot ChatGPT en zijn klonen, die binnen korte tijd een mediastorm hebben veroorzaakt. De mogelijkheden die met dergelijke lerende algoritmen bestaan, zullen ook de arbeidswereld in het laboratorium veranderen. Een dergelijk getraind programma zou bijvoorbeeld kunnen helpen bij documentatie en het schrijven van publicaties. Of simpelweg fungeren als bemiddelaar tussen mens en computerprogramma, waarmee met tekst- of spraakcommando's metingen kunnen worden ontworpen en gestuurd – quasi in direct dialoog met het analysetoestel. Eerste pogingen tot spraakbesturing voor het laboratorium werden in 2022 gedaan door de temperatuurtechniekfabrikant Lauda met zijn systeem Lauda Live. Het voordeel ligt voor de hand, of beter gezegd: in de hand, want deze wordt niet meer voor invoer gebruikt, maar blijft vrij voor andere acties.

De weg naar groen

Het laboratorium wordt geleidelijk steeds meer verbonden, gedigitaliseerd en geautomatiseerd. Het is mogelijk dat er in de toekomst zelfs de vaak gepromote toestand van het "papierloze laboratorium" zal bestaan. Een aspect dat bij al deze technologische vooruitgang als een tegenwicht lijkt te fungeren, zal echter de toekomstige invloed op het laboratorium bepalen: het thema duurzaamheid. Daarbij is de wens naar een duurzaam laboratorium niet het streven naar minder techniek, maar juist afhankelijk van nieuwe technologieën.

Ook Dr. Thorsten Teutenberg van het Instituut voor Milieu en Energie, Technologie en Analyse (IUTA) is ervan overtuigd: "Digitalisering biedt in eerste instantie het grootste potentieel om duurzaamheid in het laboratorium te bevorderen." Hij ziet dit bijvoorbeeld in betere organisatie- en documentatiemogelijkheden. "In veel academische instellingen worden vaak experimenten herhaald die al meerdere keren zijn uitgevoerd, maar door een andere persoon, die mogelijk al lange tijd niet meer aan die instelling werkt. Door bijvoorbeeld gebruik te maken van een elektronisch laboratoriumdagboek in plaats van een papieren labboek, kunnen onderzoeksresultaten permanent worden vastgelegd en onnodige experimenten worden voorkomen."

Ook de miniaturisering van laboratoriumapparatuur en -processen, zoals de overgang van klassieke HPLC naar micro-LC, heeft een positief neveneffect op de duurzaamheid. Met dergelijke aanpassingen wordt in het ideale geval waardevolle ruimte in het laboratorium vrijgemaakt. "Als het lukt om door geminiaturiseerde analyzelsystemen ruimte te besparen, heeft dat een directe invloed op de bedrijfskosten van het laboratorium," legt Teutenberg uit.

Of het nu gaat om miniaturisering van apparaten en proefopstellingen tot aan het "Lab-on-a-Chip" voor minimaal resourcegebruik, een door AI geoptimaliseerde reactiebenadering die sneller tot het gewenste resultaat leidt, of simpelweg een vrieskast met lager energieverbruik – veel moderne ontwikkelingen ondersteunen impliciet het duurzame gedachtegoed van laboratoriumwerk.

Conclusie

Van automatisering via robotica tot digitalisering en AI tot meer duurzaamheidsinspanningen: het laboratorium bevindt zich in een voortdurende verandering. Hoe snel de wereld van het laboratorium daadwerkelijk verandert, hangt uiteindelijk niet alleen af van technologische ontwikkelingen, maar ook van de mensen die ze in hun dagelijkse werk gebruiken. En soms kost het tijd voordat iets nieuws zich doorzet, of het nu het eerste LIMS is of meteen de futuristisch ogende AR-gegevensbril voor het laboratorium.