Inteligentne i połączone laboratorium przyszłości - "Laboratorium 4.0"

Pod hasłem "Przemysł 4.0" cyfryzacja i sieciowanie wkraczają we wszystkie dziedziny gospodarki. Świat fizyczny łączy się z wirtualnym, w niektórych branżach dzieje się to szybciej, w innych wolniej. Duże zaległości występują w laboratoriach: koncepcje, wystrój, wyposażenie i technika, nie wspominając o sieciowaniu i integracji z środowiskiem IT czy automatyzacją procesów – we wszystkich obszarach trzeba nadrobić zaległości.

Główne wyzwanie dla laboratorium przyszłości brzmi, że systemy i technologia same komunikują się i procesy przebiegają automatycznie. Na przykład, szafa bezpieczeństwa monitoruje przelewanie się zbiorników, komunikuje się z innymi urządzeniami i wyposażeniem. Kamery mogą sterować techniką laboratoryjną i procesami. Inteligentne moduły włączają i wyłączają urządzenia. Ogólnie rzecz biorąc, przebiegi w laboratorium coraz bardziej są sterowane przez autonomiczną komunikację urządzeń laboratoryjnych między sobą. Wizją jest "Laboratorium 4.0".

Cele: rozwój i standaryzacja innowacyjnych technologii laboratoryjnych

Wizja inteligentnego i sieciowego "Laboratorium 4.0" ma zostać urzeczywistniona przez ogólnoniemiecką sieć innowacji smartLAB. Jest ona wspierana przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Technologii (BMWi) w ramach Centralnego Programu Innowacji dla Małych i Średnich Przedsiębiorstw (ZIM). Do współpracy przystąpiło około 20 firm i instytucji z nauki i przemysłu: Eppendorf AG, Instytut Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji (IPA), Herr M, iTiZZiMO, Köttermann, labfolder, Lorenscheit, LUPYLED, PreSens Precision Sensing, Sartorius, Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering oraz Deutsche Messe AG. Kierownictwo projektu powierzono Instytutowi Chemii Technicznej (TCI) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze. „W smartLAB mamy możliwość, jako firma, realizować wspólnie wizję przyszłości laboratorium. Wymiana doświadczeń między nami i z klientami na miejscu przynosi ważne impulsy dla przyszłych projektów” – wyjaśnia dr Tanja Musiol, kierowniczka portfela marketingowego w Eppendorf AG.

Celem sieci jest rozwój i standaryzacja innowacyjnych technologii laboratoryjnych oraz opartych na nich aplikacji i rozwiązań. Dzięki nim mają zostać uproszczone procesy, poprawiona jakość, zwiększona wydajność i jednocześnie podniesione bezpieczeństwo procesów. Aby środowisko laboratoryjne mogło sprostać wszystkim wymaganiom, wszystkie komponenty i funkcje muszą ze sobą współgrać, a systemy robotyczne przejąć wiele czynności.

Dynamiczne, cyfrowe sieciowanie, automatyzacja i robotyka, zintegrowane funkcjonalne interfejsy oraz modułowe koncepcje – przyszłość tkwi w połączeniu tych technologii, także przyszłość laboratorium” – potwierdza dr Simon Bungers, CEO labfolder i rzecznik grupy smartLAB.

Inteligentne laboratorium przyszłości w Hanowerze

Obecnie w Hanowerze powstaje prototyp "Laboratorium 4.0". Nazywa się smartLAB i został po raz pierwszy zaprezentowany w 2015 roku na targach technologii laboratoryjnej LABVOLUTION jako wizjonerskie laboratorium wzorcowe.

Zarówno pod względem wizualnym, jak i od strony technicznej, smartLAB idzie nowymi ścieżkami. Na pierwszy rzut oka, laik zauważy, że smartLAB nie składa się z tradycyjnych stołów czy blatów laboratoryjnych, lecz z pojedynczych sześciokątnych modułów plastra miodu, z których każdy ma 90 centymetrów wysokości. Oszczędza to miejsce i zapewnia elastyczność w konfiguracji laboratorium. Sieciowe urządzenia, automatyzacja i robotyka, powierzchnie, które mogą ważyć i mierzyć, drukarki 3D czy okulary danych, które mogą wydawać polecenia i w razie potrzeby alarmować, to kluczowe innowacje technologiczne. Jednak najbardziej przełomowe w smartLAB jest to, co dzieje się w interakcji poszczególnych urządzeń i przy pomocy specjalnie opracowanego oprogramowania. Laboratorium 4.0 działa w pełni sieciowo, co do tej pory było rzadkością w realiach laboratoryjnych. "Projekt smartLAB nie tylko stanowi wzór dla branży laboratoryjnej w Niemczech, ale także na całym świecie" – potwierdza profesor dr Thomas Scheper, kierownik TCI. "W smartLAB łączymy poszczególne komponenty technologiczne tak, aby wszystkie procesy były wspierane cyfrowo, co czyni je nie tylko prostszymi, ale także bezpieczniejszymi."

Wizja inteligentnego laboratorium przyszłości przekonała także polityków. "Dzięki projektowi smartLAB kraj Niedersachsen pokazuje swoją doskonałość badawczą" – mówi Olaf Lies, minister gospodarki Dolnej Saksonii. "Wartościowe jest to, że smartLAB tworzy partnerów z nauki i przemysłu, którzy tworzą zintegrowane rozwiązania, mogące naprawdę zmienić praktykę laboratoriów przyszłości." Ministerstwa nauki i kultury oraz gospodarki, pracy i transportu Dolnej Saksonii wspierają ten projekt: smartLAB będzie służył jako stały obiekt demonstracyjny w Deutsche Messe Technology Academy na terenach targowych w Hanowerze i może być wykorzystywany do prezentacji firm i szkoleń.

Centrum innowacji nICLAS dla automatyzacji laboratoriów w Stuttgarcie

Nowoczesne technologie dla inteligentnego laboratorium przyszłości rozwijają, we współpracy z partnerami przemysłowymi, także Fraunhofer IPA. Miejscem działań jest Centrum Innowacji dla Automatyzacji Laboratoriów Stuttgart, zwane nICLAS. Wśród uczestników projektu są przemysłowi użytkownicy i deweloperzy oraz partnerzy łączący naukę z szkoleniami akademickimi. „Interdyscyplinarne zadanie wymaga zespołu multidyscyplinarnego, aby skutecznie konkurować na arenie międzynarodowej. Cieszymy się, że udało nam się znaleźć silnych partnerów, takich jak Precise Automation, Tecan, Liconic, Thermo Fisher Scientific, Promega i Festo, którzy udostępniają nam najnowsze urządzenia i innowacyjne technologie” – mówi Mario Bott, kierownik projektu nICLAS z Fraunhofer IPA.

Podłoże: automatyzacja jest obecnie rozwijana tylko w niewielkiej części laboratoriów na świecie. Powodem są surowe regulacje oraz wielowariantowe, niestandaryzowane procesy w codziennym funkcjonowaniu laboratoriów. „Próbki i produkty w laboratorium podlegają najostrzejszym wymaganiom jakościowym. Dla firm jest to kosztowne i czasochłonne, aby wdrażać nowe technologie” – wyjaśnia Mario Bott. Ponadto, manualne środowisko pracy w laboratoriach przez wiele lat było uważane za zaletę. Uważano, że dzięki temu można pracować szybciej i bardziej elastycznie.

Droga do zintegrowanej fabryki danych

Stopniowo także firmy zaczynają zmieniać podejście. „Laboratoria na kluczowych punktach w przedsiębiorstwie coraz częściej stają się zintegrowanymi fabrykami danych: czy to jako laboratoria diagnostyczne, w procesie Lead-Discovery dla nowych leków, czy w zapewnianiu jakości i zatwierdzaniu produktów. Generują informacje, które są niezwykle cenne dla zarządzania przedsiębiorstwem” – podkreśla Mario Bott. „Ponadto rosnąca personalizacja produktów i procesów poprzez spersonalizowaną diagnostykę i terapię stawia laboratoria przed nowymi wyzwaniami. Aby opanować rosnącą złożoność, trzeba opracować trwałe, modułowe rozwiązania dla systemów sprzętowych i programowych. Tu z pomocą przychodzi nICLAS.”

Kooperacyjne badania i rozwój przynoszą efekty

Pierwsze impulsy i inspiracje dostarcza już nICLAS-FutureLab. Przykład: inteligentne śledzenie.

W Fraunhofer IPA opracowano system śledzenia, który automatycznie dokumentuje i ocenia ruchy rąk za pomocą 3D: Kamera 3D zamontowana nad sterylną ścianką rejestruje ruchy rąk pracowników i przesyła dane na żywo do systemu informacyjnego. Tam są one analizowane, klasyfikowane i przekształcane w protokół za pomocą algorytmów rozpoznawania ruchu. System rejestruje i dokumentuje każdy krok procesu bez luk, co oszczędza czas, odciąża pracowników i zapewnia lepsze wyniki. Kolejną zaletą jest to, że system śledzenia wymaga tylko prostego oprogramowania i sprzętu, co czyni go odpowiednim także dla małych laboratoriów.

"TeachIT", kolejne rozwiązanie naukowców z IPA, również oszczędza czas w codziennej pracy laboratorium. Za pomocą tej aplikacji automatycznie uczą się roboty laboratoryjne w najkrótszym czasie. Do tego celu na płytkach wielokrotnych umieszcza się kody kreskowe. Kamera 3D na ramieniu robota rozpoznaje oznaczenie i pokazuje robotowi, gdzie ma sięgnąć.

Inicjatywa SiLA dla jednolitych standardów

W wielu laboratoriach biotechnologii, farmacji i diagnostyki istnieją wysoko wyspecjalizowane, heterogeniczne środowiska urządzeń. Ponieważ podstawowe struktury IT są zwykle historycznie ukształtowane, urządzenia nie mogą być koordynowane lub odbywa się to w ograniczonym zakresie. Rozwiązaniem tego problemu są sterowniki urządzeń i platformy zgodne z jednolitymi standardami. Ponieważ komunikują się z produktami różnych producentów, umożliwiają integrację heterogenicznych komponentów zgodnie z oczekiwaniami.

Aby móc opracować przyszłościowe rozwiązania IT dla zautomatyzowanych laboratoriów, obecnie producenci systemów, dostawcy oprogramowania, integratorzy systemów oraz firmy farmaceutyczne i biotechnologiczne angażują się w ramach inicjatywy SiLA (Standardization in Lab Automation) w ustanowienie obowiązujących standardów. Celem tej inicjatywy jest bezproblemowa integracja urządzeń laboratoryjnych i systemów IT różnych producentów. Wymaga to jednolitych interfejsów komunikacyjnych, sterowników urządzeń oraz materiałów eksploatacyjnych do laboratoriów. Członkowie non-profitowego konsorcjum wysyłają wysoce wyspecjalizowanych ekspertów do różnych grup roboczych, aby wspólnie opracować obowiązujące standardy. Według informacji Fraunhofer IPA, członka konsorcjum SiLA, producenci urządzeń i komponentów muszą certyfikować zgodność swoich rozwiązań z SiLA. Instytut oferuje zarówno wstępną konsultację, jak i automatyczną kontrolę zgodności i certyfikację.”