Das Labor als Datenfabrik

Anke Biester Fachjournalistin in Aichstetten

Während „Industrie 4.0“ in aller Munde ist, führt das „Labor 4.0“ noch ein relatives Schattendasein. Dabei sind erste Veränderungen bereits sichtbar und werden Schritt für Schritt in allen Laboren Einzug halten. Viele Technologien gibt es bereits. Nun geht es darum, sie an die Abläufe und die speziellen Laboranforderungen anzupassen. So sind zum Beispiel hohe oder extrem niedrige Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und Sterilbedingungen allesamt Gegner hochpräziser mechanischer Systeme.

Auch wenn es darum geht, Arbeitsabläufe und Geräte aufeinander abzustimmen, gibt es noch große Lücken: „Bisher haben wir auf der einen Seite Anwender, zum Beispiel Biologen und Chemiker, und ihre Arbeitsfelder. Auf der anderen Seite stehen Hersteller, meist Ingenieure und ihre Geräte wie zum Beispiel Roboter“, erklärt Andreas Traube, Leiter der Abteilung Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. „Noch sind die Hersteller häufig nicht nah genug am Anwender“, erklärt Traube. Es dauere bisher 1,5 bis 2 Jahre, bis eine Applikation automatisiert sei – eine zu lange Zeit in der Forschung.

Daher fordert Traube: „In Zukunft müssen sich die Geräte leichter an die Wünsche der Anwender anpassen lassen. Es braucht flexiblere Systeme, zum Beispiel durch 3D-Printing: Damit können individuell benötigte Geräteteile oder Probenplatten auch in kleinen Stückzahlen einfach gedruckt werden.“ Und er ergänzt: „Unsere Vision ist, in fünf Jahren Ad-hoc-Applikationen möglich zu machen, die wie Apps einfach auf eine Maschine, ein Gerät gespielt werden.“ Schließlich wolle ein Forscher sich mit seiner eigentlichen Arbeit beschäftigen und nicht mit dem Programmieren der Arbeitsabläufe oder dem Basteln der Geräteteile. Damit die verschiedenen Disziplinen zusammenkommen, hat sein Institut das Testlabor Niclas (Innovation Center für Laborautomatisierung) gegründet, in dem Hersteller, Anwender und Forscher zusammenkommen und anwendernahe Lösungen entwickeln können.

Welches Zukunftspotenzial in der Digitalisierung der Labore steckt, hat auch die Messe Hannover entdeckt. Bereits 2015 erweiterte sie ihre Biotechnica um die Messe Labvolution, auf deren Sonderschau „Smartlab“ die Universität Hannover sowie Laborgeräte- und -möbelhersteller zeigten, wohin die Reise beim Labor von Morgen gehen kann. Gefördert sowohl vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur als auch vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr geht das Smartlab 2017 zur nächsten Biotechnica erneut an den Start und soll danach ganzjährig als Anschauungs- und Schulungsobjekt zur Verfügung stehen.

Messe und Sonderschau dienen als zwei tragende Säulen des Konzepts, das Land Niedersachsen als führendes Kompetenzzentrum für das Labor der Zukunft zu positionieren. Ende 2015 ist als dritte Säule das Smartlab-Netzwerk hinzugekommen. „Unser Ziel ist es, mit den Netzwerkpartnern Technologie- und Entwicklungs-Roadmaps zu erarbeiten und daraus neue Förderprojekte für Produktentwicklungen zu initiieren“, fasst Dr. Manfred Rahe zusammen, Geschäftsbereichsleiter Innovation und Prozessmanagement der Ellwanger Eura Consult AG und Netzwerkbetreuer des Smartlab-Netzwerkes. Die komplette Wertschöpfungskette soll abgedeckt werden, von den Labormöbeln über die -geräte bis hin zur Software. Das Netzwerk bleibt dementsprechend offen für neue, interessierte Partner.

Doch wer kann Partner in so einem Netzwerk werden und mit welchen Trends rechnen die Experten? Prinzipiell kann jeder, der selbst im weitesten Dunstkreis von Laboren tätig ist, sich beteiligen. Vom Software- über den Leuchten-, Möbel-, Geräte-, Roboterhersteller bis hin zum Forschungsinstitut. Die Bandbreite an Personen und Disziplinen, die zusammenarbeiten müssen, um die Digitalisierung im Labor umzusetzen, ist groß. Und dass diese sehr schnell kommen wird, davon ist Dr. Manfred Rahe überzeugt: „Zuerst natürlich in neuen Laboren, dann jedoch werden die neuen Möglichkeiten in den kommenden fünf Jahren nach und nach in allen Laboren Einzug halten. So beschleunigt bei immer wiederkehrenden, einfachen Handlungsabläufen, zum Beispiel in der Diagnostik, die Robotik und Automation den Arbeitsprozess um ein Vielfaches.“ Auch er sieht Anwendungen wie Apps im Kommen. Sie können, zum Beispiel über eine intelligente Brille wie Google-Glass, nicht nur durch Arbeitsabläufe führen, sondern diese auch kontrollieren – und damit eine verbesserte Prozesskontrolle sowie -qualität bieten.

Andreas Traube führt den Gedanken weiter: „Das Labor ist eigentlich eine riesige Datenfabrik. Es geht nicht nur darum, diese Daten zu speichern, sinnvoll auszuwerten und zu nutzen. Es geht zunehmend auch um die Frage: Wie kann ich Forschung automatisieren und standardisieren und damit reproduzierbar machen?“ Industrie 4.0 erschließe hier neue Anwendungsbereiche, so zum Beispiel für akademische Labore, die flexibel arbeiten müssen: Sie können dies, beispielsweise durch 3D-Druck, trotzdem automatisiert tun und damit reproduzierbare Ergebnisse liefern. Traube betont, das sei ein entscheidender Punkt, „denn wenn ich ein Forschungsergebnis nicht reproduzieren kann, ist es im Grunde genommen rausgeschmissenes Geld.“

Diese geforderte Flexibilität führt zum weiteren Trend, der Modularisierung von Geräten: „Ich habe heute zunehmend Funktionsmodule, zum Beispiel den Pipettierer von Hersteller A, den Shaker von Hersteller B, den Inkubator von Hersteller C und den Roboter von Hersteller D. Diese Module muss ich zusammensetzen können – und die Module werden immer kleiner“, erklärt Traube. Was wiederum zu den nächsten beiden Herausforderungen führe: der Trend zur Miniaturisierung, der zum Beispiel neue Probleme beim Liquid Handling aufwirft, und den nötigen Standards für Schnittstellen.

War man früher von einem Hersteller abhängig, werden diese zukünftig durch die Modularisierung mehr zusammenarbeiten müssen. Schnittstellen sollen passen, also standardisiert werden. Hierzu wurde bereits die internationale „Association Consortium Standardization in Lab Automation“, kurz Sila, mit Sitz im Schweizer Rapperswil, gegründet. Das Ziel von Sila: internationale Standards zu etablieren, die eine offene Konnektivität in der Laborautomation ermöglichen. Nicht jeder Hersteller sieht dem freudig entgegen. „Standardisierte Schnittstellen sind für die Hersteller Fluch und Segen zugleich, denn in Kombination mit der Modularisierung werden die Austauschbarkeit und damit der Konkurrenzdruck weiter steigen“, sagt Dr. Rahe. Es lohnt sich also für Hersteller, sich schon jetzt mit diesen Themen zu beschäftigen – um nicht in ein paar Jahren als „inkompatibel“ für das Labor 4.0 abgehängt zu werden.