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Das digitale Labor nimmt Fahrt auf

Ein neues Team am Fraunhofer IPA entwickelt digitale Laborsysteme, um Industriepartner bei der Planung und dem Management von Laborprozessen zu unterstützen. Davon profitieren Unternehmen in puncto Qualitätssicherung, Wirtschaftlichkeit und nicht zuletzt durch ergonomische Verbesserung der Arbeitsplätze.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart reagiert auf den Trend zur Digitalisierung im Labor auf seine Weise: Zum 1. März 2018 wurde hier eine neue Arbeitsgruppe „Digital Lab Services“ gegründet. Mit zunächst vier Vollzeitmitarbeitern und unterstützt von sieben Studierenden ging das Team unter Leitung von Matthias Freundel an den Start, um das digitale Labor vor allem in Unternehmen voranzubringen.

Matthias Freundel (3. von rechts, umgeben von einigen seiner Mitarbeiter) ist selbst Informatiker und leitet seit März 2018 die neue Arbeitsgruppe „Digital Lab Services“. © Fraunhofer IPA

„Wir hatten immer mehr Anfragen von Kunden, die im Rahmen von Industrie 4.0 eine Digitalisierungsstrategie entwickeln. Hersteller von Pharmaka und In-vitro-Diagnostika haben teils schon einen hohen Automatisierungsgrad von bis zu 80 Prozent – nun geht es darum, auch die restlichen 20 Prozent digital zu erfassen“, sagt Freundel. Er entwickelt mit seinem Team aus Informatikern und Bioinformatikern Lösungen für die softwarebasierte Unterstützung der Arbeiten, die weiterhin individuell und von Hand ausgeführt werden. Das betrifft im Grunde alle Arbeiten, bei denen es keinen Sinn macht, sie zu automatisieren. „Wenn zum Beispiel ein Pipettiervorgang hundert- oder tausendmal wiederholt werden soll, kann das eine Maschine besser als der Mensch. Es gibt jedoch auch Pipettier-Arbeiten, bei denen hohe Flexibilität gefragt ist und die manuell ausgeführt werden müssen. Durch eine digitale Erfassung und Auswertung der Arbeitsschritte könnten diese jedoch optimiert werden, was auch der Qualitätssicherung zugutekommt.“

Praktisch sieht das in einem der Pilotprojekte des IPA so aus, dass an einem Laborarbeitsplatz mit Sensorik und Kamera digital erfasst wird, was der Nutzer macht. In welchem Winkel wird zum Beispiel eine Pipette gehalten und in welchem das Probenröhrchen? Wie sind die benötigten Gerätschaften im Arbeitsfeld angeordnet, werden Tätigkeiten dadurch erleichtert oder behindert? Die Ergebnisse solcher Analysen sollen dabei helfen, die Arbeitsabläufe und die Arbeitsumgebung zu verbessern. Sie können auch dazu beitragen, die Arbeit ergonomischer zu gestalten: Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass der Nutzer die Pipette so hält, dass das Risiko für eine Schmerzerkrankung steigt. „Schlussendlich suchen wir stets eine Antwort darauf, wie wir den Nutzer bei der Laborarbeit unterstützen können, ohne dabei Robotik einzusetzen“, so Freundel.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Ein In-vitro-Diagnostikum (IVD) ist ein Medizinprodukt, das zur In-vitro-Untersuchung von aus dem menschlichen Körper entnommenen Proben verwendet wird.

Lückenlose, umfassende Datenerfassung von Arbeitsprozessen ist die Basis

Das IPA-Team entwickelt dafür eigene Systeme zur Objekt- und Gestenerkennung. „Wir verwenden in der Regel Kameras für hochaufgelöste Aufnahmen und eine Tiefensensorik für die Abstands- und Formerkennung. Die erfassten Daten werden an ein übergeordnetes System inklusive Datenbanken weitergeleitet und ausgewertet“, erklärt Freundel. Er räumt ein, dass es zurzeit noch schwierig ist, manche Handstellungen und Materialien zu erkennen. Hier ist noch intensive Entwicklungsarbeit gefragt, um die Prozesse ohne Datenlücken darstellen zu können. Je nachdem, welche Tätigkeiten analysiert werden sollen, kommen dabei enorme Datenmengen zusammen. Deshalb muss sich das Team auch mit dem Thema „Big Data“ auseinandersetzen. Es müssen geeignete Soft- und Hardware-Lösungen gefunden werden, um die Daten sinnvoll zu verwalten und um sie einfach und schnell zu interpretieren.

In einem der IPA-Projekte werden die Abläufe manueller Labortätigkeiten mithilfe von Datenbrillen digital erfasst und dargestellt, um die Arbeitsplätze optimieren zu können. © Fraunhofer IPA

Auch bei der physischen Laborplanung versprechen sich Freundel und sein Team davon Vorteile. „Eines unserer Ziele ist es, mithilfe der ‚Augmented Reality’ Geräte im Raum zu platzieren. Wir können dann zum Beispiel analysieren, wieviel Platz die Labormitarbeiter dafür haben, um das Gerät herumzulaufen und wie das Gerät in die Raumstruktur passt. Konsequent weiter gedacht können diese Werkzeuge auch dabei helfen, neue Gebäude besser zu planen. Dafür werden wir noch im Laufe des Jahres 2018 Weiterentwicklungen erarbeiten.“

So gut sich das alles in der Theorie anhört, gibt es bei der Umsetzung noch so einige Hürden, wie Freundel weiß: „Viele Technologien klingen erst einmal gut, haben wie die Augmented Reality jedoch noch ihre Grenzen. So ist zum Beispiel das mit Datenbrillen erfassbare Sichtfeld noch relativ klein, was uns bei Anwendungen nah am Auge und am Körper noch Probleme bereitet. Andere Brillen mit mehr Rechenleistung sollen hier Abhilfe schaffen.“ Auch die digitale Spracherkennung, etwa im Dienste der Protokollierung, weist im Labor besondere Tücken auf. Sie muss hier nicht nur die Fachsprache meistern, sondern auch mit den vielfältigen Nebengeräuschen klarkommen. Wichtig ist auch die Frage der Platzierung von Sensoren: Welche Sensoren sollen wo angebracht werden, am Körper der Mitarbeiter oder doch besser im Raum? Genau dafür ist das Team angetreten: Die vielen kleinen Details zu klären, um den Industriepartnern reibungslos funktionierende Systeme anbieten zu können bzw. gemeinsam individuell angepasste Lösungen zu entwickeln.

Digitale Labordienste stärken die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen

Digitale Analysen können auch dazu dienen, die Lagerhaltung von Verbrauchsmaterialien und Chemikalien für den schnellen Zugriff miteinander benötigter Utensilien zu verbessern. © Fraunhofer IPA

Es steht jedoch nicht nur das Labor selbst im Fokus: Die digitalen Labordienste umfassen auch die Lagerhaltung. Das IPA hat ein Forschungsprojekt gestartet, um zu untersuchen, wie häufig welche Utensilien aus dem Lager entnommen werden und ob sie nicht womöglich dieser Häufigkeit entsprechend im Lager angeordnet werden sollten. „Es könnte zum Beispiel sinnvoll sein, Pipettenspitzen und Handschuhe direkt zusammen zu lagern“, sagt Freundel. Daran schließt sich wiederum die Frage an, wie das Labor gestaltet sein sollte, damit der Nutzer schnell alles hat, was er für die häufigsten Tätigkeiten braucht.

Auch Datenschutz und Datensicherheit sind Aspekte, mit denen sich Freundel und seine Mitarbeiter befassen. „Daten dürfen nicht stets automatisch auf Nutzer rückschließen lassen, deshalb streben wir eine generalisierte Datenerfassung an. Es kommt auch immer darauf an, wie digitale Dienste eingesetzt werden. Digitale Protokolle zum Beispiel werden durchweg positiv bewertet. Wenn ein Mitarbeiter durchschnittlich 20 Prozent seiner Zeit darauf verwendet, sich Notizen zu machen, hat er deutlich mehr Zeit, sich auf die eigentliche Arbeit zu konzentrieren, wenn digital protokolliert wird“, sagt Freundel. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Datenübertragung. Können die Daten auch in 20 Jahren noch gelesen werden, gibt es die Software dann noch? Und wie ist es mit der Verschlüsselung von Daten in der Cloud? „All das sind Themen, die uns noch beschäftigen werden und zu denen wir einen Beitrag leisten wollen“, bekräftigt Freundel.

Eines ist er sich jedenfalls sicher: Der Beruf des Laboranten wird trotz Automatisierung und Digitalisierung nicht aussterben. Das liegt an der Vielfalt der Aufgaben und den vielen Unregelmäßigkeiten, die mit experimentellen Arbeiten verbunden sind – für Spezialaufgaben ist der Mensch besser geeignet als eine Maschine. „In Deutschland sind Fachleute jedoch relativ teuer und gut ausgebildetes Personal ist schwierig zu finden. Wir müssen aus diesem Grund die Arbeitskraft unserer Fachkräfte besser nutzen, und dabei sind digitale Labordienste eine entscheidende Hilfe“, so Freundel.

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