未来实验室的智能化与网络化

未来的实验室是智能化和网络化的实验室 // 在某些行业中，物质世界与虚拟世界的相互融合快一些；在另外一些行业中融合的慢一些。在实验室领域中需要赶超的事情还有许多：方案、设备、装备、技术等最困难的是IT环境中的集成化和网络化，或者说是试验过程的自动化–有必要赶上所有领域。

未来实验室面临的最大挑战是系统和技术设备的自我沟通和试验过程自动化。例如安全柜对其内部废液桶的液位监控、与其他试验设备和实验室装备之间的通信。摄像机可以在实验室技术领域中使用，并控制试验过程。智能化模块能够自动的开启和关闭试验仪器设备。总而言之，实验室的试验过程越来越多的受到各试验设备之间独立通信的控制。这就是被称之为‘实验室4.0’的实验室远景。

创新性实验室技术的开发和标准化

智能化和网络化的‘实验室4.0’远景是实现全国范围内联网的‘Smartlab-Innovationsnetzwerk智能化网络实验室’这是一项由联邦政府经济和技术部BMWi资助的、作为中小企业创新计划ZIM的一部分。大约20余家工业企业和研究机构参与了这一合作项目：Eppendorf公司、霍伦霍夫制造工程和自动化研究所IPA、Itizzimo公司、Köttermann公司、Labfolder公司、Lorenscheit公司、Lupyled公司、Presens Precision Sensing公司、Sartorius公司、Schmidt +Haensch公司、Zühlke工程技术公司以及德国会展公司等该项目的负责单位是汉诺威的莱布尼茨技术大学的TCI化工技术研究所。“在智能化网络实验室项目中，我们作为一家企业有机会与其他人一起实现实验室的未来愿景，彼此交换信息、与当地客户交流信息，为实现未来的智能化网络实验室提供动力。”Eppendorf公司的投资组合管理的营销经理TanjaMusiol女士说道。

该网络的目标是创新性实验室技术的开发和标准化以及提供相关的应用和解决方案。在它的帮助下应简化实验室的检测实验流程，提高实验室的工作质量和工作效率，同时也提高实验室工作过程的可靠性。为了使实验室工作环境能够满足所有的要求，所有的实验室装备和功能都应该能够环环相扣，并且用机器人系统承担更多的工作。“动态、数字网络、自动化和机器人集成到功能表面和模块化方案–所有这些技术都是未来型的技术，也包括了实验室的未来。”Labfolder公司的首席执行官兼Smartlab智能化网络实验室的发言人Simon Bugers博士说道。

汉诺威的智能化未来实验室

目前，在汉诺威就有‘实验室4.0’的实验室样板了。Smartlab智能化网络实验室就是这一未来样板的名称，并首次以未来实验室样板出现在2015年的实验室技术国际博览会Labvolution上。

无论是可以看见的还是看不见的，智能化网络实验室都打破了人们的传统观念。在外行人眼中首先看到的是智能化网络实验室没有桌子或实验室工作台，而是由一个个高度90厘米的六角形蜂窝模块组成的。这就节约了空间占用，并使得实验室的设备更加灵活。联网设备、自动化、机器人、可以称重和测量的功能表面、3D打印或者可以提供数据的数据并能够在必要时发出报警的扫描眼睛等，这些都是重大的技术创新。然而，智能化网络实验室真正的开拓性工作是各个实验室设备之间的相互作用以及专门开发的控制软件。‘实验室4.0’的实验室工作起来是完全联网的，这仍然是现实实验室中找不到的。“Smartlab智能化网络实验室项目不仅仅是德国实验室领域中的典范，而且是全球范围内实验室技术的典范。在智能化网络实验室中，我们的各个技术装备都联网了，所有的工作都得到了数字化技术的支持。因此不仅更加简单而且也更加安全。”TCI公司的化工研究所的领导人Thomas Scheper博士说道。

未来型智能化实验室项目也折服了政治家们。下萨克森州的经济部长Olaf Lies先生说：“智能化网络实验室项目是下萨克森州及其优秀的科研成果。Smartlab智能化网络实验室项目是值得支持的；因为它将科学研究和工业企业的合作融合在一起，创造性的开发了网络化的实验室经济方案，是可以改变未来的实验室实践。”下萨克森州的科学文化部门以及经济、工作和交通部门都在推动该项目：Smartlab智能化网络实验室将成为汉诺威展览中心的德国国际展览技术学院的永久性展示项目，并可用于公司演示和技术培训。

斯图加特实验室自动化创新中心

斯图加特新技术中心与工业企业、IPA霍伦霍夫制造工程和自动化研究所一起合作，开发了未来的智能化网络实验室所需的自动化技术装备。实验室自动化的具体研发单位就在斯图加特简称为Niclas的实验室创新中心。项目的参与者包括了工业企业、研发单位以及把科研成果转化为生产实践的职业培训单位。“跨学科的任务需要一支跨学科的团队才能成功的参与国际竞争。因此，我们很高兴找到了Precise Automation、Tecan、Liconic、Thermo Fisher Scientific、Promega和Festo等公司作为强大的合作伙伴；而他们也为我们提供了最新的设备和创新技术。”IPA霍伦霍夫制造工程和自动化研究所的Niclas项目的经理Mario Bott先生激动的说道。

相关背景：目前，在全球范围内只有很少一部分实验室在推广实验室自动化技术。其中一个原因就是实验室的日常工作中有着非常严格的法律法规规定、许多变量和非标准化的流程。“实验室中的样品和产品都有着最严格的质量要求。对于一家企业来讲，采用新技术也意味着很高的资金投入、需要很长的时间。”Mario Bott先生说。另外，多年来实验室的人工工作环境一直被认为是最快的、最灵活的实验室运行方式。

通往网络化数据工厂之路

渐渐地，工业企业中的思维方式也发生了变化。“实验室与企业中央控制系统的监控日益成为网络化的数据工厂了：作为诊断实验室、新药品开发或者质量保证和产品认证的先头部队，它都能为企业管理提供非常有价值的信息。另外，通过个性化的疾病诊断和治疗促进了个性化产品研发和工艺流程的发展，也为实验室提出了新的挑战和要求。为了应对新的挑战与要求，必须开发可持续发展的、模块化的硬件和软件系统解。这就是Niclas诞生的原因。”Mario Bott强调说。

Niclas实验室创新中心已经收获了第一个成果了，例如智能跟踪。霍伦霍夫IPA研究所开发了一套自动记录和评估手部运动的3D图像跟踪系统：安装在无菌工作台上方的3D摄像机记录着实验员的每一个手部运动，并将数据实时转发到信息系统。信息处理系统利用运动算法语言对采集到的手部运动进行评估、分类并保存到不同的日志中。这一系统完整、准确地记录了实验员的每一个操作步骤。这就使得自动化能够节约更多的时间、减轻了实验员的工作负荷并能提供更好的试验结果。它的另一个优点是：跟踪系统使用的是简单的软件和硬件；因此也适合于在小型实验室中使用。

LP本刊提示

LAB 4.0 — INTELLIGENT, NETWORK-INTEGRATED

In the lab of the future,systems and technologies will communicate autonomously,and process flows will be automated.Safety cabinets, for example,will detect overflow in collection tanks and communicate with other fixtures and equipment.Cameras will be able to control lab equipment and process sequences. Intelligent modules will switch equipment on and off.

To an ever increasing extent, control of process flows will be based on peer-to-peer communication between lab equipment. This is the vision behind Lab 4.0.The German national smartlab innovation network intends to make the vision of the intelligent, networkintegrated Lab 4.0 a reality.Funding is being provided by the German Ministry of Economic Affairs and Energy (BMWi) under the national SME innovation program (ZIM). Approximately 20 companies and institutions have joined forces in the network: Eppendorf, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung(IPA),Itizzimo, Köttermann, Labfolder,Lorenscheit, Lupyled, Presens Precision Sensing, Sartorius,Schmidt + Haensch, Zühlke Engineering and Deutsche Messe.

The project is being managed by the Institute of Technical Chemistry at Leibniz University Hannover. “Smartlab gives us the opportunity to work with others to make thevision of tomorrow’s laboratory a reality.Information sharing between companies and with customers on site generates valuable stimulus for future projects,”said Dr. Tanja Musiol, Portfolio Management MarketingProject Manager at Eppendorf.The goal of the network is to drive development and standardization of innovative lab technology along with the associated applications and solutions.

The intended outcomes include simplified process flows,better quality, higher efficiency and enhanced process reliability.A lab environment which meets all of these needs will require components and functionalities which work together, and robotic systems will perform many of the manual tasks. Fraunhofer IPA, in conjunction with partners from industry, is also developing new technologies for tomorrow's smart lab. The scene of the action is the Niclas Innovation Center in Stuttgart. The list of active contributors includes industrial users and developers as well as partners who build bridges to the research and education sector. “Given the broad scope of the task, a multidisciplinary team is needed to successfully compete on the international stage. We are pleased to have highly capable partners from industry such as Precise Automation,Tecan,Liconic, Thermo Fisher Scientifc,Pro-mega and Festo on board,who make leading- edge equipment and innovative technology available to us,”reported Niclas Project Manager Mario Bott from Fraunhofer IPA.The background is as follows.Automation is a priority at only a small minority of labs worldwide.

This is due to strict regulations and multi-variant,non-standardized process flows in day-to-day operations. “The samples and products in the lab must meet extremely stringent quality criteria. Introduction of new technologies costs companies a lot of time and money,” explained Mario Bott.Also, the manual nature of the work performed in the labs was long regarded as an advantage,because it was seen as being faster and more flexible. A mind shift is now taking place at many companies. “To an increasing extent, labs situated at central company interfaces are being transformed into data factories,functioning as diagnostic labs or for lead discovery in new medication development, quality assurance and product release.They generate information which is extremely valuable for managing the company,”stressed Mario Bott.“Not only that, increasing product and process personalization b a s e d o n p e r s o n a l i z e d diagnostics and therapy is creating new challenges for labs. Development of longterm,modular hardware and software solutions is essential for managing the future complexity. This is where Niclas comes in.”

“Teach It”是IPA研究所的科研人员开发的另一个成果、也可以提供节约实验室工作时间的解决方案。使用这一解决方案时，实验员只需短时间对实验室机器人的使用操作进行培训就能够很好的使用这一解决方案了。为使用这一解决方案，试验工作台的格栅上都配上了条码。机器人手臂上的3D摄像机能够识别这些标识，并显示机器人抓取的是什么东西。

实验室自动化中的统一标准Sila

许多生物技术、制药和诊断实验室都具有很高的专业化程度和多种多样的试验仪器设备。由于大多数实验室的IT系统是在多年的历史中逐步建立起来的，因此不能协调这些仪器设备的工作，或者不能很好的协调它们的工作。这一问题的解决方案就是建立实验室仪器设备的驱动程序和有着统一标准的公共平台。由于这一平台能够‘了解’所有实验室仪器设备生产厂家的产品，因此，有可能在需要时将不同的试验仪器设备‘组合’在一起完成试验任务。

为了能够开发适用于未来的自动化实验室使用的IT解决方案，目前许多系统供应商、软件技术服务商、系统集成商以及制药和生物技术企业都建议在Sila实验室自动化标准的框架内制定一套有约束力的技术标准。这一举措的目的是将不同生产厂家开发生产的实验室仪器设备和IT系统顺利的集成到一起。这就需要一个统一的通信接口、设备驱动程序以及实验室耗材。非盈利组织将高度专业化的专家派驻到各个技术工作组，共同制定有约束力的标准。据Sila联盟的成员、霍伦霍夫IPA研究所的介绍：实验室仪器设备制造者研发生产的仪器设备和元器件要与Sila标准兼容。

小结：硬件、软件和人的网络化能够实现实验室工作过程的自动化。这不仅节约了时间，而且也提高了实验室里检测实验的质量和安全可靠性。为了使网络化的实验室成为生活中的现实，需要有约束力的技术标准。2018年将颁布Sila 2标准。