Od okularów danych i ramion robotów – laboratoria na drodze do ery cyfrowej

© shutterstock/586533194/Kitreel

© iStock/1298111593/Eplisterra

© iStock/1140779713/gorodenkoff

© iStock/1358567925/PeopleImages

To, co dzieje się na świecie, dzieje się także w laboratoriach: trend ku większej technologii, cyfrowym narzędziom pomocniczym, a niekiedy także robotom i sztucznej inteligencji (SI) – wszystko to często połączone z większą świadomością ekologiczną. Jakie owoce przynoszą i jeszcze przyniosą te zmiany, pokazuje ten raport trendów.

Świat laboratoriów jest w ciągłym rozwoju: podczas gdy do połowy XX wieku do zasysania przy pipetowaniu używano ust, dzisiaj laboratoria są wyposażone w odpowiednie narzędzia techniczne, które chronią personel laboratoryjny i ułatwiają jego pracę. Jednak rozwój nie zatrzymał się na pipetach, a obecnie szczególnie w dziedzinach automatyzacji, digitalizacji i robotyki osiąga szybkie postępy.

Na początku była automatyzacja

Wygląda niemal jak relikt minionej epoki: gdy trzecia rewolucja przemysłowa (Przemysł 3.0) w latach 70. XX wieku coraz bardziej wprowadzała świat pracy w kierunku zautomatyzowanych procesów, przyczyniła się do wzrostu wydajności produkcji i otworzyła nowe możliwości w technice produkcji i inżynierii maszyn. Również w laboratoriach w tym okresie zaczęła się zmiana od ręcznej rutynowej pracy na wsparcie maszynowe. Jednak dopiero czwarta rewolucja przemysłowa, związana z digitalizacją, przyniosła oficjalny przełom, którego dalszy rozwój jest od tego czasu promowany i dyskutowany pod hasłem Laboratorium 4.0.

Połączenie podstawowych zadań, takich jak mieszanie, temperowanie, dozowanie, w zautomatyzowanych procesach, położyło fundament pod szybszą i powtarzalną pracę laboratoryjną. Obecnie praktycznie każde urządzenie laboratoryjne jest choć częściowo zautomatyzowane – od systemów HPLC z pompami i autosamplerami, przez fermentory z precyzyjną techniką temperaturową i podawaniem mediów, aż po elektroniczne pipety z funkcją wsparcia dla wcześniej zapisanych schematów pracy.

Automatyzacja w laboratorium jest dziś nierozerwalnie związana z digitalizacją: „Należy zauważyć, że digitalizacja sama w sobie nie wystarczy – automatyzacja ma również silny komponent sprzętowy”, mówi prof. dr Kerstin Thurow z Centrum Automatyzacji Nauk Życiowych (CELISCA) Uniwersytetu w Rostocku. Bez odpowiednich urządzeń i systemów obsługujących próbki i sprzęt laboratoryjny, automatyzacja procesów laboratoryjnych nie jest możliwa. „To często jest zapominane lub zakładane w dzisiejszych dyskusjach”, zauważa ekspertka.

Idealnie, urządzenie łączy funkcje automatyzacji i digitalizacji, tak jak wiele stanowisk roboczych. Zazwyczaj są one wyposażone w własne oprogramowanie. Użytkownicy mogą samodzielnie zapisywać swoje procesy pracy, nie potrzebując do tego umiejętności programowania. Na przykład w systemie można za pomocą przeciągnięcia i upuszczenia gotowych kroków pracy opracować na komputerze screening substancji aktywnych, które następnie są wykonywane automatycznie przez stację pipetującą. Użytkownicy zyskują więcej czasu na bardziej złożone zadania, takie jak planowanie i analiza eksperymentów.

Od automatu do ramienia robotycznego

Wspierając stanowiska robocze, które wykonują zazwyczaj ściśle określone zadania, coraz częściej można zobaczyć w laboratoriach roboty ramienne znane z przemysłu. „Oprócz klasycznych kartezjańskich robotów do obsługi płynów, różne ramiona robotyczne są wykorzystywane szczególnie wtedy, gdy konieczne jest połączenie wielu urządzeń w złożony system”, wyjaśnia ekspert ds. automatyzacji Thurow. Takie ramię robotyczne, kojarzone głównie z produkcją samochodów, potrafi wykonywać ruchy elastyczne, które normalnie tylko człowiek jest w stanie wykonać – i to z precyzją, wytrzymałością i powtarzalnością maszyny. To przynosi korzyści na przykład przy transferze próbek lub przygotowaniu próbek, zwłaszcza w środowiskach projektowych, gdzie schematy pracy i zadania często się zmieniają, a potrzebne są rozwiązania elastyczne.

Aby w już i tak ciasnych laboratoriach zmieścić takie wsparcie robotyczne, nowoczesne ramiona robotyczne to zazwyczaj tzw. cobots (collaborative robots), czyli roboty współpracujące. Ich zaletą jest to, że można je bezpiecznie integrować w wspólne środowisko pracy z ludźmi, bez konieczności fizycznego oddzielenia pracowników od robotów.

Możliwe jest, że w przyszłości roboty-asystenci będą wykonywać proste i monotonne zadania personelu. „Kevin”, autonomiczny cobot opracowany przez Fraunhofer-Institut für Automatisierungstechnik, prezentowany na targach ACHEMA 2022, jest już dziś wykorzystywany w rzeczywistych laboratoriach. Samodzielnie porusza się po laboratorium, przyjmuje próbki i transportuje je między przyjęciem towarów, laboratorium analitycznym a archiwum. Taka mobilna robotyka, według

eksperta ds. automatyzacji Thurow, ma największy potencjał do fundamentalnej zmiany pracy laboratoryjnej w przyszłości. „Dzięki temu możliwy będzie jeszcze wyższy poziom automatyzacji w systemach rozproszonych i złożonych.” Jednak w jej ocenie pełnoprawne autonomiczne laboratorium nie powstanie. „Rozwiązania będą zawsze optymalizowane pod kątem określonych procesów”, mówi Thurow.

Przyszłość danych

Oprócz fizycznych zadań wykonywanych przez roboty i inne maszyny, w środowisku laboratoryjnym zwykle najważniejsza jest generacja danych lub przynajmniej ich kluczowa część. Od początku ery komputerów nastąpił tu gwałtowny wzrost szybkości i ilości produkowanych danych.

Równocześnie wykształcił się nieunikniony rozwój wspierający pracę laborantów w zakresie gromadzenia, zarządzania i analizy danych. Przede wszystkim należy wymienić systemy informacyjne i zarządzania laboratorium (LIMS), które bez rosnącego strumienia danych nie miałyby racji bytu. Pomagają w dokumentacji, zarządzaniu próbkami i pełnią funkcję interfejsu do różnych urządzeń w laboratorium. Ułatwia to lub umożliwia śledzenie procesów i próbek, co pozwala na spełnienie wymogów regulacyjnych w akredytowanych laboratoriach przy rozsądnym nakładzie pracy.

Komunikacja jest kluczem

W ogóle, interfejsy stanowią ważny temat w laboratorium. Już od dawna dąży się do zakończenia epoki oprogramowania własnościowego i umożliwienia tzw. plug-and-play także między różnymi producentami – czyli podłączenia nowego spektrometru i natychmiastowego rozpoznania go w istniejącej sieci laboratoryjnej i gotowości do pracy. W wielu przypadkach już działa to poprawnie, ale jeszcze jest wiele do zrobienia. Wśród inicjatyw na ten cel wymienia się SiLA i OPC UA LADS, które mają na celu ustanowienie powszechnego standardu dla podłączania urządzeń w laboratorium.

Rzeczywistość to za mało

Jeśli chodzi o przyjazność dla użytkownika przy zakładaniu nowego laboratorium lub jego pierwszej konfiguracji, nie chodzi tylko o kwestię interfejsów, ale także o ogólne kwestie planowania, takie jak wybór odpowiedniego miejsca na urządzenia, dostępne miejsce, aż po pełne planowanie zasilania mediów i urządzenia nowego stanowiska pracy. W tym zakresie technologia wirtualnej rzeczywistości (VR) już odgrywa istotną rolę w laboratoriach. Umożliwia ona interaktywne i immersyjne zwiedzanie wcześniej stworzonych cyfrowych bliźniaków laboratorium, rozmieszczanie i modyfikację mebli laboratoryjnych, a także wspólne z planistami laboratorium omawianie i wizualizację zmian w wirtualnej przestrzeni. Dzięki temu tradycyjne wizyty na miejscu można przeprowadzać z dowolnego miejsca, logując się z dowolnego urządzenia i korzystając z stabilnego łącza internetowego.

Podobnie, technologia rozszerzonej rzeczywistości (AR), która nakłada informacje na rzeczywiste otoczenie, już dziś oferuje duży potencjał dla pracy w laboratorium – choć przełom w codziennym użytkowaniu jeszcze się nie dokonał. Możliwości są różnorodne: krok po kroku prowadzone schematy pracy wyświetlane na okularach AR, podkreślenie poszukiwanych urządzeń lub chemikaliów w polu widzenia czy instrukcje naprawy analizatora – to tylko niektóre przykłady. Użytkownicy mogą się jeszcze przyzwyczaić do tego rodzaju wsparcia. Jest prawdopodobne, że technologia ta, wraz z niedawno zaprezentowanymi okularami VR od Apple, szybko znajdzie szerokie zastosowanie w społeczeństwie.

Gdy maszyny się uczą

Jak szybko może nastąpić skok technologiczny, pokazuje pojawienie się chatbota ChatGPT i jego klonów, które w krótkim czasie wywołały medialną gorączkę. Możliwości, jakie dają tego typu uczące się algorytmy, będą również zmieniać pracę w laboratorium. Odpowiednio wytrenowany program mógłby na przykład pomagać w dokumentacji i pisaniu publikacji. Lub pełnić funkcję mediatora między człowiekiem a programem komputerowym, z którym można komunikować się tekstowo lub głosowo, projektując i sterując pomiarami – jakby w bezpośrednim dialogu z analizatorem. Pierwsze próby głosowego sterowania laboratorium przeprowadził w 2022 roku producent techniki temperaturowej Lauda, prezentując system Lauda Live. Zaletą jest to, że nie trzeba już używać rąk do wprowadzania danych, co pozostawia je wolne do innych działań.

Droga ku zieleni

Laboratorium będzie coraz bardziej sieciowe, cyfrowe i zautomatyzowane. Możliwe, że w przyszłości pojawi się nawet często propagowany stan „bezpapierowego laboratorium”. Jednakże jeden aspekt, który będzie miał kluczowe znaczenie w kontekście tego postępu technicznego, to zrównoważony rozwój. Chociaż dążenie do ekologicznego laboratorium nie oznacza rezygnacji z technologii, wręcz przeciwnie – wymaga wdrażania nowych technologii.

W tym przekonany jest również dr Thorsten Teutenberg z Instytutu Środowiska i Energii, Techniki i Analizy (IUTA): „Digitalizacja początkowo oferuje największy potencjał do promowania zrównoważonego rozwoju w laboratorium”. Według niego, jest to m.in. zasadne w lepszej organizacji i dokumentacji. „W wielu instytucjach naukowych często powtarza się eksperymenty, które już były wykonywane wielokrotnie, ale przez inną osobę, która od dawna nie pracuje w tej instytucji. Używając na przykład elektronicznego dziennika laboratoryjnego zamiast papierowego, można zapewnić trwałą dostępność wyników i uniknąć zbędnych powtórzeń.”

Również miniaturyzacja urządzeń i procesów laboratoryjnych, na przykład przejście od klasycznej HPLC do mikro-LC, ma pozytywny wpływ na zrównoważony rozwój. Dzięki takim zmianom można w idealnym przypadku zwolnić cenne miejsce w laboratorium. „Jeśli uda się za pomocą miniaturyzowanych systemów analitycznych zaoszczędzić miejsce, od razu wpłynie to na koszty operacyjne laboratorium”, wyjaśnia Teutenberg.

Niezależnie od tego, czy chodzi o miniaturyzację urządzeń i układów badawczych, aż po „Lab-on-a-Chip” dla minimalnego zużycia zasobów, optymalizację reakcji za pomocą SI, która szybciej doprowadzi do pożądanego wyniku, czy po prostu chłodziarko-zamrażarkę o mniejszym zużyciu energii – wiele nowoczesnych rozwiązań wspiera ideę zrównoważonego rozwoju w pracy laboratoryjnej w sposób implicitny.

Podsumowanie

Od automatyzacji, przez robotykę, digitalizację i SI, po większy nacisk na zrównoważony rozwój: laboratorium jest w ciągłym rozwoju. Jak szybko zmieni się świat laboratoriów, zależy nie tylko od postępu technologicznego, ale także od ludzi, którzy z tych technologii korzystają na co dzień. I czasami potrzeba czasu, aby coś nowego się upowszechniło, czy to pierwszy system LIMS, czy futurystyczne okulary AR do laboratorium.