Labor 4.0 – Die Digitalisierung des Labors

Die Digitalisierung erfasst immer mehr Lebens- und Arbeitsbereiche und macht auch vor Laboren nicht halt. Labor 4.0 ist das Labor der Zukunft. In einem Satz ist mit Labor 4.0 die Digitalisierung und Transformierung des Labors durch effizient automatisierte Prozesse, sowie die uneingeschränkte Kommunikationsfähigkeit von Laborsystemen gemeint. Klingt kompliziert als es ist. Also was verbirgt sich dahinter?

Warum die Digitalisierung des Labors?

Die Komplexität von Laborprozessen steigt weiter und gesetzliche Regelungen nehmen zu. Deshalb ist effizientes sowie sicheres Arbeiten gefragt. Um diesem Ziel näher zu kommen, werden manuelle Abläufe in automatisierte Prozesse umgewandelt und in Laborinformationsmanagementsysteme (LIMS) integriert. Cloud-Lösungen unterstützen weitere Vernetzungen und fördern so übergreifende Zusammenarbeit in den Fachbereichen. Ein weiteres Plus ist die Senkungen der Betriebskosten.

Die Aufgabenbereiche von Laborant:innen werden sich zunehmend auf die Organisation und die Überwachung verlagern. Die Systeme hingehen sind zuständig für die Aufzeichnung und Auswertung der Vorgänge. Damit bleibt Laborant:innen mehr Freiraum für das Anstoßen neuer Prozesse und die Kreativität bei der Forschung.

Wie funktioniert ein Labor 4.0?

Durch ein Netzwerk sind Laborgeräte verbunden und können mit Hilfe eines Workflow- Prozessmanagementsystems gesteuert werden. Dies bietet Schnittstellen zwischen der Laborinfrastruktur, den benötigten Geräten, der Steuersoftware und dem Personal des Labors. Mit Hilfe der Modularen Verbindungen einzelner Elemente können Arbeitsplätze flexibel und je nach Workflow eingerichtet werden. Voraussetzungen für das Labor 4.0 sind zum einen die geeignete Soft- und Hardware,  Laborarbeitsplätze, welche sich flexibel und modular an die jeweiligen Anforderungen anpassen lassen, aber auch motivierte und lernfähige Mitarbeiter die bereit sind, sich den neuen Anforderungen anzupassen und die Systeme zu bedienen.

Mikroskop mit Tablet PC im Labor, Quelle: Adobe Stock

Beispiele von Labor 4.0

Ein Beispiel für Labor 4.0 ist das I-Hex System, welches die TU Dresden entwickelte. Es gewährleistet modulare Gestaltung des Arbeitsplatzes sowie stetige um Konfigurierung nach Wunsch. Die sechs Elemente des Systems sind an den Kanten miteinander befestigt. Mobile Elemente können mit statischen Elementen verbunden werden. Das führt zu Sicherstellung der Übertragung von Strom und Daten über einen integrierten Stecker. Daten können hierbei beispielweise das Ethernet oder RS485-Signale sein. Da jedes I-Hex-Element über eine eigene Strom- und Ethernet-Anbindung verfügt, und die Laborelemente in einem Netzwerk verbunden sind, werden diese dann über ein Workflow-Prozessmanagementsystem gesteuert.  Bei dem I-Hex-System können die jeweils in einem Workflow genutzten Geräte direkt integriert werden oder auf den Oberflächen der einzelnen Elemente platziert werden.

Die Folge ist ein übersichtlicher und aufgeräumter Arbeitsplatz, denn es stehen lediglich die wichtigsten funktionalen Gerätteile zur Verfügung. Die modulare Verbindung der Elemente kann je nach Workflow eingerichtet werden. Das I-Hex-System ist aus den genannten Gründen nicht nur als sechseckigen Laborutensil zu verstehen, sondern eine Schnittstelle zwischen der Labor Infrastruktur, den benötigten Geräten, deren Steuersoftware sowie dem Laborpersonal.

Der Transformationsprozess zum Labor 4.0

Schritt 1: Die Analyse

Im ersten Schritt ist eine Analyse des Status quo mit Hilfe einer detaillierten Erhebung und Interpretation aller vorhanden Daten in den verschiedenen Arbeitsabläufen erforderlich. Das Ziel ist es, eine Kompatibilität zwischen den Methoden der Digitalisierung und dem Internet der Dinge herzustellen. Der Datenfluss ist auf eine durchgängige Nutzbarkeit der Daten ausgelegt. Die Neufassung der Arbeitsabläufe inklusive der Ausführungsplanung werden im Lasten- und Pflichtenheft festgehalten. Von Beginn an ist es wichtig ein IT-Security System zu implementieren.

Schritt 2: Die Implementierung

Die im Analyse-Schritt erarbeiteten Inhalte werden im Implementierungs-Schritt umgesetzt. Die Umsetzung erstreckt sich auch auf den Geräteaufbau und die Inbetriebnahme dieser. Regelmäßiges Training mit dem Umgang des neuen Systems ist insbesondere zu Beginn sehr wichtig, um bei auffälligen Ereignissen schnellstmöglich zu reagieren.

scientist working experiment with a computer in the laboratory, Quelle: Adobe Stock

Chancen und Risiken des Labor 4.0

Durch die Digitalisierung richtet sich der Focus eines Labors von innen nach außen. Die Dezentralisierung von autonomen und teilautonomen Systemen beeinflusst Prozessentscheidungen und damit die Rolle des Laboranten. Daraus ergeben sich Chancen für Laborant:innen wie zum einen die Möglichkeit sich mehr auf die Forschung und ihr Fachwissen zu konzentrieren, während das System die Daten aufzeichnet.  Die Möglichkeit der Interdisziplinären Arbeit verschiedener Labore auf Basis der Big-Data ermöglicht bahnbrechende Fortschritte. Es Erfordert aber auch ein hohes Maß an Lernbereitschaft und Verantwortung. Denn die riesige Datenmenge kann Laborant:innen zu Beginn Überfordern und Einschüchtern.  Aus diesem Grund sind motivierte und lernfähige Mitarbeitende von hoher Bedeutung, wenn es darum geht ein herkömmliches Labor zu einem Labor 4.0 zu Transformieren. Ein weiteres Risiko kann entstehen, wenn die Datenmenge missbräuchlich genutzt oder zum Opfer von Cyberkriminalität wird.

Aus diesem Grund hat die IT-Security von Beginn der Transformation an einen hohen Stellenwert, da sie nicht nur das Netzwerk und die vom Labor gesammelten Daten, sondern auch alle Endgeräte die darauf Zugriff haben schützen muss. Ein ununterbrochener Einsatz der IT-Security ist notwendig, um bei außergewöhnlichen Geschehnissen sofortiges Eingreifen und Gegensteuern zu gewährleisten. Die Sicherheit des Laborpersonals hingegen steigt bei steigender Digitalisierung des Labors, denn durch die maschinelle Bearbeitung der Proben sinkt das Kontaminationsrisiko, sowie das Risiko für Verletzungen am Arbeitsplatz.

Weitere Vorteile sind die schnelleren Ergebnisse durch effizientere Nutzung von Ressourcen, sowie die Reduzierung von Fehlern. Die Fehleranfälligkeit ist bei vollautomatisierten Systemen geringer als bei manueller Bearbeitung von Daten. Kosten sind geringer aufgrund der automatisierten Prozesse, welche für weniger Personal im Labor sorgen. Die Kostenreduzierung erfolgt ebenfalls durch das Einsparen von Material, was der Umwelt zugutekommt. Die Rückverfolgung von Prozessen und Ergebnissen verbessert sich, weil automatisierte Abläufe transparenter und nachvollziehbarer sind. Dies wiederum fördert die bereits erwähnte interdisziplinäre Arbeit.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Transformation zum Labor 4.0 sinnvoll ist, wenn die hierfür notwendigen Voraussetzungen hierfür erfüllt sind. Da die Digitalisierung auch in der Forschung und Entwicklung weiter vorausschreitet und die Anforderungen an ein effizient funktionierendes Labor stetig wachsen, wird das Teilen von Laborergebnissen und Arbeitsprozessen fortlaufend immer wichtiger. Für die Gewährleistung eines hohen Maßes an Qualität und Sicherheit, muss die IT-Security im Focus stehen.