未來的實驗室是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的實驗室 // 在某些行業(yè)中，物質(zhì)世界與虛擬世界的相互融合快一些；在另外一些行業(yè)中融合的慢一些。在實驗室領(lǐng)域中需要趕超的事情還有許多：方案、設(shè)備、裝備、技術(shù)等最困難的是IT環(huán)境中的集成化和網(wǎng)絡(luò)化，或者說是試驗過程的自動化–有必要趕上所有領(lǐng)域。

未來實驗室面臨的最大挑戰(zhàn)是系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)備的自我溝通和試驗過程自動化。例如安全柜對其內(nèi)部廢液桶的液位監(jiān)控、與其他試驗設(shè)備和實驗室裝備之間的通信。攝像機可以在實驗室技術(shù)領(lǐng)域中使用，并控制試驗過程。智能化模塊能夠自動的開啟和關(guān)閉試驗儀器設(shè)備?？偠灾?，實驗室的試驗過程越來越多的受到各試驗設(shè)備之間獨立通信的控制。這就是被稱之為‘實驗室4.0’的實驗室遠景。

創(chuàng)新性實驗室技術(shù)的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化

智能化和網(wǎng)絡(luò)化的‘實驗室4.0’遠景是實現(xiàn)全國范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的‘Smartlab-Innovationsnetzwerk智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室’這是一項由聯(lián)邦政府經(jīng)濟和技術(shù)部BMWi資助的、作為中小企業(yè)創(chuàng)新計劃ZIM的一部分。大約20余家工業(yè)企業(yè)和研究機構(gòu)參與了這一合作項目：Eppendorf公司、霍倫霍夫制造工程和自動化研究所IPA、Itizzimo公司、K?ttermann公司、Labfolder公司、Lorenscheit公司、Lupyled公司、Presens Precision Sensing公司、Sartorius公司、Schmidt +Haensch公司、Zühlke工程技術(shù)公司以及德國會展公司等該項目的負責(zé)單位是漢諾威的萊布尼茨技術(shù)大學(xué)的TCI化工技術(shù)研究所?！霸谥悄芑W(wǎng)絡(luò)實驗室項目中，我們作為一家企業(yè)有機會與其他人一起實現(xiàn)實驗室的未來愿景，彼此交換信息、與當(dāng)?shù)乜蛻艚涣餍畔ⅲ瑸閷崿F(xiàn)未來的智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室提供動力?！盓ppendorf公司的投資組合管理的營銷經(jīng)理TanjaMusiol女士說道。

該網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是創(chuàng)新性實驗室技術(shù)的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化以及提供相關(guān)的應(yīng)用和解決方案。在它的幫助下應(yīng)簡化實驗室的檢測實驗流程，提高實驗室的工作質(zhì)量和工作效率，同時也提高實驗室工作過程的可靠性。為了使實驗室工作環(huán)境能夠滿足所有的要求，所有的實驗室裝備和功能都應(yīng)該能夠環(huán)環(huán)相扣，并且用機器人系統(tǒng)承擔(dān)更多的工作?！皠討B(tài)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、自動化和機器人集成到功能表面和模塊化方案–所有這些技術(shù)都是未來型的技術(shù)，也包括了實驗室的未來?！盠abfolder公司的首席執(zhí)行官兼Smartlab智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室的發(fā)言人Simon Bugers博士說道。

漢諾威的智能化未來實驗室

目前，在漢諾威就有‘實驗室4.0’的實驗室樣板了。Smartlab智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室就是這一未來樣板的名稱，并首次以未來實驗室樣板出現(xiàn)在2015年的實驗室技術(shù)國際博覽會Labvolution上。

無論是可以看見的還是看不見的，智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室都打破了人們的傳統(tǒng)觀念。在外行人眼中首先看到的是智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室沒有桌子或?qū)嶒炇夜ぷ髋_，而是由一個個高度90厘米的六角形蜂窩模塊組成的。這就節(jié)約了空間占用，并使得實驗室的設(shè)備更加靈活。聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、自動化、機器人、可以稱重和測量的功能表面、3D打印或者可以提供數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)并能夠在必要時發(fā)出報警的掃描眼睛等，這些都是重大的技術(shù)創(chuàng)新。然而，智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室真正的開拓性工作是各個實驗室設(shè)備之間的相互作用以及專門開發(fā)的控制軟件?！畬嶒炇?.0’的實驗室工作起來是完全聯(lián)網(wǎng)的，這仍然是現(xiàn)實實驗室中找不到的?！癝martlab智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室項目不僅僅是德國實驗室領(lǐng)域中的典范，而且是全球范圍內(nèi)實驗室技術(shù)的典范。在智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室中，我們的各個技術(shù)裝備都聯(lián)網(wǎng)了，所有的工作都得到了數(shù)字化技術(shù)的支持。因此不僅更加簡單而且也更加安全?！盩CI公司的化工研究所的領(lǐng)導(dǎo)人Thomas Scheper博士說道。

未來型智能化實驗室項目也折服了政治家們。下薩克森州的經(jīng)濟部長Olaf Lies先生說：“智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室項目是下薩克森州及其優(yōu)秀的科研成果。Smartlab智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室項目是值得支持的；因為它將科學(xué)研究和工業(yè)企業(yè)的合作融合在一起，創(chuàng)造性的開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化的實驗室經(jīng)濟方案，是可以改變未來的實驗室實踐?！毕滤_克森州的科學(xué)文化部門以及經(jīng)濟、工作和交通部門都在推動該項目：Smartlab智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室將成為漢諾威展覽中心的德國國際展覽技術(shù)學(xué)院的永久性展示項目，并可用于公司演示和技術(shù)培訓(xùn)。

斯圖加特實驗室自動化創(chuàng)新中心

斯圖加特新技術(shù)中心與工業(yè)企業(yè)、IPA霍倫霍夫制造工程和自動化研究所一起合作，開發(fā)了未來的智能化網(wǎng)絡(luò)實驗室所需的自動化技術(shù)裝備。實驗室自動化的具體研發(fā)單位就在斯圖加特簡稱為Niclas的實驗室創(chuàng)新中心。項目的參與者包括了工業(yè)企業(yè)、研發(fā)單位以及把科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實踐的職業(yè)培訓(xùn)單位?！翱鐚W(xué)科的任務(wù)需要一支跨學(xué)科的團隊才能成功的參與國際競爭。因此，我們很高興找到了Precise Automation、Tecan、Liconic、Thermo Fisher Scientific、Promega和Festo等公司作為強大的合作伙伴；而他們也為我們提供了最新的設(shè)備和創(chuàng)新技術(shù)。”IPA霍倫霍夫制造工程和自動化研究所的Niclas項目的經(jīng)理Mario Bott先生激動的說道。

相關(guān)背景：目前，在全球范圍內(nèi)只有很少一部分實驗室在推廣實驗室自動化技術(shù)。其中一個原因就是實驗室的日常工作中有著非常嚴格的法律法規(guī)規(guī)定、許多變量和非標(biāo)準(zhǔn)化的流程。“實驗室中的樣品和產(chǎn)品都有著最嚴格的質(zhì)量要求。對于一家企業(yè)來講，采用新技術(shù)也意味著很高的資金投入、需要很長的時間?！盡ario Bott先生說。另外，多年來實驗室的人工工作環(huán)境一直被認為是最快的、最靈活的實驗室運行方式。

通往網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)工廠之路

漸漸地，工業(yè)企業(yè)中的思維方式也發(fā)生了變化?！皩嶒炇遗c企業(yè)中央控制系統(tǒng)的監(jiān)控日益成為網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)工廠了：作為診斷實驗室、新藥品開發(fā)或者質(zhì)量保證和產(chǎn)品認證的先頭部隊，它都能為企業(yè)管理提供非常有價值的信息。另外，通過個性化的疾病診斷和治療促進了個性化產(chǎn)品研發(fā)和工藝流程的發(fā)展，也為實驗室提出了新的挑戰(zhàn)和要求。為了應(yīng)對新的挑戰(zhàn)與要求，必須開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的、模塊化的硬件和軟件系統(tǒng)解。這就是Niclas誕生的原因。”Mario Bott強調(diào)說。

Niclas實驗室創(chuàng)新中心已經(jīng)收獲了第一個成果了，例如智能跟蹤?；魝惢舴騃PA研究所開發(fā)了一套自動記錄和評估手部運動的3D圖像跟蹤系統(tǒng)：安裝在無菌工作臺上方的3D攝像機記錄著實驗員的每一個手部運動，并將數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)到信息系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)利用運動算法語言對采集到的手部運動進行評估、分類并保存到不同的日志中。這一系統(tǒng)完整、準(zhǔn)確地記錄了實驗員的每一個操作步驟。這就使得自動化能夠節(jié)約更多的時間、減輕了實驗員的工作負荷并能提供更好的試驗結(jié)果。它的另一個優(yōu)點是：跟蹤系統(tǒng)使用的是簡單的軟件和硬件；因此也適合于在小型實驗室中使用。

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, K?ttermann, 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研究所的科研人員開發(fā)的另一個成果、也可以提供節(jié)約實驗室工作時間的解決方案。使用這一解決方案時，實驗員只需短時間對實驗室機器人的使用操作進行培訓(xùn)就能夠很好的使用這一解決方案了。為使用這一解決方案，試驗工作臺的格柵上都配上了條碼。機器人手臂上的3D攝像機能夠識別這些標(biāo)識，并顯示機器人抓取的是什么東西。

實驗室自動化中的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)Sila

許多生物技術(shù)、制藥和診斷實驗室都具有很高的專業(yè)化程度和多種多樣的試驗儀器設(shè)備。由于大多數(shù)實驗室的IT系統(tǒng)是在多年的歷史中逐步建立起來的，因此不能協(xié)調(diào)這些儀器設(shè)備的工作，或者不能很好的協(xié)調(diào)它們的工作。這一問題的解決方案就是建立實驗室儀器設(shè)備的驅(qū)動程序和有著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的公共平臺。由于這一平臺能夠‘了解’所有實驗室儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，因此，有可能在需要時將不同的試驗儀器設(shè)備‘組合’在一起完成試驗任務(wù)。

為了能夠開發(fā)適用于未來的自動化實驗室使用的IT解決方案，目前許多系統(tǒng)供應(yīng)商、軟件技術(shù)服務(wù)商、系統(tǒng)集成商以及制藥和生物技術(shù)企業(yè)都建議在Sila實驗室自動化標(biāo)準(zhǔn)的框架內(nèi)制定一套有約束力的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這一舉措的目的是將不同生產(chǎn)廠家開發(fā)生產(chǎn)的實驗室儀器設(shè)備和IT系統(tǒng)順利的集成到一起。這就需要一個統(tǒng)一的通信接口、設(shè)備驅(qū)動程序以及實驗室耗材。非盈利組織將高度專業(yè)化的專家派駐到各個技術(shù)工作組，共同制定有約束力的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)Sila聯(lián)盟的成員、霍倫霍夫IPA研究所的介紹：實驗室儀器設(shè)備制造者研發(fā)生產(chǎn)的儀器設(shè)備和元器件要與Sila標(biāo)準(zhǔn)兼容。

小結(jié)：硬件、軟件和人的網(wǎng)絡(luò)化能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室工作過程的自動化。這不僅節(jié)約了時間，而且也提高了實驗室里檢測實驗的質(zhì)量和安全可靠性。為了使網(wǎng)絡(luò)化的實驗室成為生活中的現(xiàn)實，需要有約束力的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2018年將頒布Sila 2標(biāo)準(zhǔn)。