Inteligentne laboratorium przyszłości

W nowoczesnym laboratorium pojawia się zmiana paradygmatu. Wraz ze wzrostem złożoności procesów laboratoryjnych rozwiązania automatyzacyjne stają się nieodzowne. Również stały wzrost wymagań prawnych i regulacyjnych sprawia, że konieczne jest odpowiednie połączenie sieciowe. Inteligentne urządzenia laboratoryjne są motorami innowacji w laboratorium przyszłości.

Zintegrowane rozwiązania automatyzacji i cyfryzacji będą prezentowane na analytica w Monachium, w dniach od 10 do 13 maja 2016 roku, przez ekspertów blisko użytkowników. W teorii i praktyce będą przedstawione odpowiednie narzędzia, oprogramowanie i rozwiązania sieciowe, które tworzą podstawy dla inteligentnego laboratorium.

Przyszłościowe rozwiązania technologii informacyjnej otwierają w laboratorium dotąd nieznane szanse i wyzwania. Optymalnie opracowane poziomy automatyzacji i zintegrowane moduły urządzeń do dynamicznych zastosowań umożliwiają efektywne i powtarzalne, a co za tym idzie walidowalne, projektowanie procesów z kompleksowym zarządzaniem danymi. Należy przenieść ręczne procesy do zautomatyzowanych i zintegrować istniejące systemy zarządzania informacją laboratoryjną (LIMS), aby uczynić laboratorium jeszcze bardziej wydajnym. Inteligentne systemy laboratoryjne i indywidualne połączenia sieciowe oraz trwała integracja laboratorium z strukturą przedsiębiorstwa zwiększają nie tylko elastyczność, ale także znacząco opłacalność firmy.

W szczególności w rozwijającym się przemysłowym laboratorium chodzi o poprawę wydajności, optymalizację struktur i zwiększenie elastyczności. Kluczowe warunki i czynniki sukcesu w osiągnięciu tych celów to najnowocześniejsze, wysokorozdzielcze, komunikatywne systemy analityczne, funkcjonalne rozwiązania automatyzacyjne zapewniające parametry reakcji i jakość produktu oraz szybka dostępność danych i efektywne zarządzanie nimi.

Ważne technologie przyszłości mają swoje miejsce w łańcuchu wartości laboratorium. W obliczu rosnącej cyfryzacji konieczne jest ponowne przemyślenie różnych procesów i struktur w laboratorium przyszłości. Rozpoczęcie tej nowej fazy rozwoju w laboratorium wymaga złożonych, całościowych rozwiązań automatyzacyjnych. Liczba sieciowych urządzeń laboratoryjnych z tak zwanymi funkcjami smart będzie gwałtownie rosnąć. Laboratorium 4.0 zaczyna stawać się rzeczywistością.

Laboratorium przyszłości wymaga nieograniczonej zdolności komunikacyjnej systemów laboratoryjnych. Celem jest zapewnienie ciągłej dostępności danych i różnych elastycznych funkcji dodatkowych, aż po nadzorowane procesy testowe. Inteligentne moduły już dziś sterują systemami urządzeń, automatycznie włączają urządzenia laboratoryjne i regulują różne procesy w laboratorium. Szafka bezpieczeństwa może dziś automatycznie monitorować i regulować przelewanie się zbiorników zbiorczych lub komunikować się z innymi częściami szafki i urządzeniami. Wbudowane kamery w różne narzędzia techniki laboratoryjnej inteligentnie sterują otoczeniem. W przyszłości komunikacja między urządzeniami laboratoryjnymi będzie coraz ważniejsza.

Inteligentne laboratorium oznacza nową epokę w laboratorium. Istniejące technologie urządzeń muszą zostać dostosowane do przyszłości, a wysoce dostępne sieci danych są niezbędne. Gigantyczna ilość danych musi być wykorzystywana w sposób sensowny. Szybki i bezpieczny przesył dużych ilości danych oraz sieci IP wymagają ekonomicznego zarządzania danymi.

Most między naukami przyrodniczymi a techniką automatyzacji

Zespół badawczy pod kierownictwem Andreasa Traube, kierownika działu automatyzacji laboratoriów i technologii produkcji biologicznej w Instytucie Fraunhofera ds. technologii produkcji i automatyzacji IPA, opracował nowatorskie podejścia do sieciowania procesów laboratoryjnych i analitycznych w łańcuchu wartości od logistyki próbek po dokumentację. Doświadczenia z zarządzania LEAN i optymalizacji procesów zostały przeniesione do laboratorium z celem trwałego zwiększenia efektywności wszystkich przebiegów procesów i tym samym zdolności operacyjnej laboratorium. Dzięki skutecznej realizacji zespół badawczy z powodzeniem zbudował most między naukami przyrodniczymi a techniką automatyzacji. „Jesteśmy przekonani, że laboratoria nauk przyrodniczych mogą być znacznie bardziej wydajne dzięki współdziałaniu rozwiązań organizacyjnych i technicznych. Fraunhofer IPA oferuje dla całego przepływu pracy LEAN laboratorium rozwiązania dostosowane do potrzeb klienta i wspiera w implementacji oraz rozwoju technologicznym,” wyjaśnia Traube.

„Żyjemy w czasach coraz bardziej spersonalizowanych produktów. W związku z tym laboratoria do badań i testowania produktów w różnych branżach stają się kluczowym czynnikiem w procesie tworzenia produktu,” prognozuje Traube. „Sieciowanie kluczowych elementów laboratorium, takich jak procesy laboratoryjne, analityka danych, urządzenia i personel obsługi, stanowi centralny element efektywnego, inteligentnego laboratorium,” wyjaśnia Traube, dając wgląd w przyszłość. „Podstawy technologiczne do tego są dostępne. Technologie te będą miały ogromny wpływ na laboratoria w nadchodzących latach i będą je zmieniać!”

Laboratorium 4.0 z perspektywy branży

Zasadniczo można wyróżnić dwa rodzaje laboratoriów: akademickie laboratorium badawcze oraz przemysłowe laboratorium badawcze lub kontrolne. Dr Frank Schleifenbaum, dyrektor marketingu w firmie Berthold Technologies, widzi mniejsze zapotrzebowanie na automatyzację w pierwszym przypadku, ponieważ zastosowania są zbyt mało standaryzowane i powtarzalne. Zamiast tego widzi on rozwiązanie w sieciowaniu wyposażenia laboratoryjnego, co może obejmować zautomatyzowany system zaopatrzenia w chemikalia i materiały laboratoryjne, bezpośrednią wymianę danych między urządzeniami analitycznymi (LIMS) oraz pełną automatyzację książek laboratoryjnych. „Do takiej integracji potrzebne są odpowiednie interfejsy w sprzęcie, elektronice i oprogramowaniu,” mówi Schleifenbaum. „Idealnie, wszystkie urządzenia mają dostęp do sieci i komunikują się za pomocą standaryzowanego protokołu, np. SILA. W obszarze badań musi jednak zawsze istnieć możliwość ingerencji użytkownika w przebieg. Ujednolicone footprinty urządzeń mogą być jednym z rozwiązań. Można rozważyć normowane wymiary w określonej skali, tak aby laboratorium – na przykład za pomocą mobilnych stołów – można było łatwo dostosować do odpowiedniego przebiegu pracy.” Wymagania wobec laboratoriów rutynowych i analitycznych przemysłu są inne. Tu priorytetem jest niezawodność, przepustowość i unikanie błędów, a nie elastyczność. „W każdym przypadku musi istnieć zautomatyzowana obsługa próbek, a dokumentacja danych musi odbywać się automatycznie. Poszczególne urządzenia wymieniają dane i próbki między sobą, nie jest potrzebna ingerencja ręczna. Standaryzowane interfejsy pozwalają na łączenie centralizacji i decentralizacji laboratoriów,” dodaje Schleifenbaum. „Złożone analizy danych („Big Data”) mogą być oddelegowane do potężnych klastrów obliczeniowych, dane są przechowywane centralnie i korelowane,” kontynuuje. Pomimo standardyzacji procesów laboratoryjnych, ujednolicone interfejsy zapewniają szybkie możliwości przystosowania laboratorium do innych rutynowych zadań.

Big Data

Laboratorium 4.0 umożliwia rejestrowanie i łączenie dużych ilości danych. „Dlatego konieczne jest inicjowanie innowacji, które będą automatycznie i szybko generować tę ilość danych („High Throughput Screening” i „Big Data”). Interfejsy muszą jednak być zdefiniowane. W tym celu konieczne są wiążące wytyczne od organów regulacyjnych. Luźne konsorcja dostawców sprzętu laboratoryjnego prawdopodobnie nie będą wystarczające,” mówi Schleifenbaum. „Ochrona danych będzie ważnym tematem, któremu musi sprostać technika sieciowa. Komunikacja między poszczególnymi urządzeniami musi być tak prosta, aby użytkownik mógł ją samodzielnie tworzyć i dostosowywać.” Maszynowa analiza danych musi być zdolna do nauki, czyli musi samodzielnie szukać powiązań, wykrywać i przedstawiać zależności. W ten sposób nie odzwierciedlałaby ręcznego działania użytkownika, lecz je rozszerzała. Według Schleifenbaum, użytkownik zyska dzięki temu elastyczne środowisko laboratoryjne, które można indywidualnie dostosować do bieżących potrzeb, jednocześnie poprawiając jakość wyników analiz i umożliwiając zbieranie, organizację i automatyczną analizę większych ilości danych.

Rozwiązania branżowe na analytica w Monachium

Na analytica, która odbędzie się od 10 do 13 maja w Monachium, ponad 1100 wystawców z całego świata pokaże nowe produkty i metody – także dotyczące laboratorium przyszłości. Dr Gunther Wobser, dyrektor zarządzający LAUDA, widzi wyzwania w laboratorium 4.0 w tym, że „urządzenia muszą się ze sobą komunikować”. LAUDA oferuje w tym zakresie termostaty i chłodnice obiegowe z różnymi interfejsami. Dostarczamy bezpłatnie sterowniki do zintegrowanych systemów automatyzacji laboratoryjnej i zajmujemy się zdalnym utrzymaniem, aby zapewnić stałą dostępność.” Na analytica LAUDA prezentuje nowość. „Nasza główna innowacja na analytica to PRO. Po raz pierwszy oferujemy zoptymalizowane termostaty do zastosowań w kąpielach i termostaty do zewnętrznych aplikacji. Jednostka sterująca jest całkowicie niezależna od termostatu i może być elastycznie umieszczona tam, gdzie jest potrzebna,” mówi Wobser.

Ponadto nexygen® obchodzi swoją drugą publiczną prezentację na analytica i przedstawia pomysły oraz rozwój laboratorium przyszłości. nexygen® – THE NEXT GENERATION LAB to inicjatywa firm Köttermann, Memmert, Hirschmann, 2mag i Sartorius. Niemieccy producenci produktów i usług związanych z laboratorium dostrzegli, że trendy w laboratorium, oprócz miniaturyzacji i automatyzacji, obejmują także optymalne wykorzystanie przestrzeni laboratoryjnej, obniżanie kosztów operacyjnych, prosty wymianę danych między urządzeniami oraz zwiększanie elastyczności i mobilności.

Podsumowanie

Laboratorium 4.0 rewolucjonizuje świat laboratorium od logistyki próbek po zarządzanie danymi i umożliwia nowatorskie podejścia do spersonalizowanych procesów. Big Data, chmura obliczeniowa, Internet rzeczy i mobilny Internet będą odgrywać kluczową rolę jako technologie nowej generacji w zapewnianiu przyszłego wzrostu.