Aufbau eines Betriebssystems (OS) für das biowissenschaftliche Labor von heute

Wenn Sie dies lesen, arbeiten Sie wahrscheinlich mit einem Desktop-Computer, einem Tablet oder einem Telefon. 

Wir nehmen das komplexe Innenleben dieser Geräte oft als selbstverständlich hin, aber was sie leisten, ist unglaublich: Sie verwalten die Eingaben und Ausgaben einer breiten Palette von Software und Hardware. 

Und im Zentrum des Ganzen steht das Betriebssystem (OS), eine wichtige Software, die mit der Zentraleinheit (CPU), der Festplatte, dem Speicher und anderer Software kommuniziert und sie integriert, damit Ihr Gerät ordnungsgemäß funktionieren kann. Außerdem ermöglicht es Ihnen als Benutzer, mit Ihrem Computer, Tablet oder Telefon zu kommunizieren und Aufgaben über eine einfache visuelle Schnittstelle auszuführen, ohne die Sprache Ihres Geräts sprechen zu müssen. 

Auch wenn die Grundfunktion die gleiche ist, sind nicht alle Betriebssysteme gleich: Das Betriebssystem von Apple bietet eine optisch ansprechende Benutzeroberfläche und legt den Schwerpunkt auf Einfachheit und Integration. Bei Microsofts Betriebssystem stehen hohe Leistung, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund. 

In den letzten Jahren haben mein Team und ich uns eine Welt vorgestellt, in der ein Betriebssystem in einem biowissenschaftlichen Labor existieren könnte. Anstatt für jedes Instrument ein anderes Programm zu verwenden, könnten alle Instrumente und Geräte über eine einzige Software-Schnittstelle angesprochen und gesteuert werden, ohne dass man sich mit den Besonderheiten ihres Innenlebens auskennen müsste, was die Laborautomatisierung auf eine neue Stufe heben würde. Diese Möglichkeit würde das Experimentieren für Mitarbeiter aller Erfahrungsstufen zugänglich machen und auf Labor-, Abteilungs- und Unternehmensebene enorme Zeiteinsparungen ermöglichen.

Im folgenden Blog werden wir tiefer in die Laborautomatisierung eintauchen, die derzeitigen Grenzen automatisierter Instrumente aufzeigen und erläutern, wie unsere Mission - der Aufbau eines "Lab OS" - die nächste Generation der biowissenschaftlichen Forschung hervorbringen kann. 

Die Grundlagen und Vorteile der Laborautomatisierung

In den letzten Jahrzehnten hat die Zahl der hochentwickelten automatisierten Flüssigkeitsverarbeitungs- und Analysegeräte zugenommen, die den Wissenschaftlern leistungsfähige Werkzeuge an die Hand geben, um unser Verständnis der Welt um uns herum zu verbessern.

Es gibt 3 Kernkomponenten der Laborautomatisierung, die dies möglich machen:

• Robotersysteme: Robotersysteme können eine breite Palette von Routineaufgaben im Labor übernehmen, darunter die Handhabung von Flüssigkeiten, die Probenvorbereitung, die Handhabung von Platten und die Durchführung von Tests. Diese automatisierten Systeme sind mit präzisen Mechanismen und Sensoren ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, kleine Flüssigkeitsmengen zu handhaben, Reagenzien exakt zu dosieren und sich wiederholende Pipettierschritte mit hoher Präzision auszuführen. Sie können rund um die Uhr und mit minimalem Zeitaufwand arbeiten, was das Tempo der Experimente beschleunigt und die Produktivität erhöht.
• Geräte-Software: Robotik-Hardware ist unverzichtbar, aber ohne Software, die ihr sagt, was sie tun soll, und die dem Benutzer ein Portal zur Steuerung bietet, ist sie nutzlos. Automatisierungssoftware ermöglicht die Steuerung und Koordinierung der verschiedenen Instrumente und Geräte im Labor. Sie ermöglicht den Entwurf und die Ausführung komplexer Versuchsprotokolle, die Planung von Aufgaben und die Überwachung der Geräteleistung. 
• Systeme zur Datenverwaltung und -analyse: Datenverwaltungs- und -analysesysteme erleichtern die Speicherung, den Abruf und die Analyse von Versuchsdaten, die mit bestimmten Instrumenten erzeugt wurden, und erleichtern den Wissenschaftlern die Verwaltung und Auswertung großer Informationsmengen. Je nach Plattform kann ein Datenverwaltungssystem ein einfaches "One-Trick-Pony" sein oder ein End-to-End-Lösung für den gesamten Lebenszyklus der Daten. 

Die Kombination dieser drei Komponenten in einem automatisierten Gerät, das von der Probenvorbereitung bis zur Analyse alles abdecken kann, bringt vielen Labors erhebliche Vorteile, unter anderem:

• Verbesserte Reproduzierbarkeit: Die Krise der Reproduzierbarkeit in den Wissenschaften und die dazu beitragenden Faktoren sind seit langem ein Segen für den Fortschritt in der Forschung. Robotersysteme bekämpfen mehrere dieser Probleme, indem sie Aufgaben mit hoher Genauigkeit ausführen, das Risiko menschlicher Fehler verringern (wenn auch nicht ausschließen) und die Datenqualität verbessern. Automatisierte Prozesse erleichtern auch die Replikation von Experimenten und ermöglichen es den Forschern, zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, die für den wissenschaftlichen Fortschritt und die Einhaltung von Vorschriften unerlässlich sind.
• Langfristige Kosteneffizienz: Die Laborautomatisierung erfordert zwar eine relativ hohe Anfangsinvestition, kann aber langfristig zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Durch die Steigerung von Durchsatz und Produktivität optimiert die Automatisierung die Ressourcennutzung, senkt die Arbeitskosten und minimiert den Bedarf an Reagenzien und Verbrauchsmaterialien. Darüber hinaus verringert die Automatisierung das Risiko von kostspieligen Fehlern und Nacharbeiten, was die betriebliche Effizienz und die Kosteneffizienz steigert.
• Sicherheit und Risikominderung: Durch die Minimierung der Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen und der mit der manuellen Handhabung verbundenen Verletzungen durch wiederholte Belastungen trägt die Laborautomatisierung dazu bei, die Sicherheitsrisiken für das Personal zu verringern. Automatisierte Systeme können potenziell gefährliche Substanzen handhaben und Aufgaben in kontrollierten Umgebungen ausführen, wodurch das Unfallrisiko verringert und eine sicherere Arbeitsumgebung gewährleistet wird.
• Beschleunigte Entdeckung: Die Automatisierung beschleunigt den F&E-Prozess und ermöglicht es den Wissenschaftlern, Experimente schneller durchzuführen. Durch die Möglichkeit, eine große Anzahl von Proben zu verarbeiten und Experimente im Hochdurchsatz durchzuführen, erleichtert die Automatisierung die schnelle Datengenerierung und -analyse. Dieser beschleunigte Arbeitsablauf führt zu schnelleren wissenschaftlichen Entdeckungen, fördert die Innovation und beschleunigt die Umsetzung von Forschungsergebnissen in praktische Anwendungen.
• Standardisierung und Einhaltung der Vorschriften: Die Automatisierung hilft bei der Erstellung von standardisierten Protokollen und Verfahren, die die Einheitlichkeit von Experimenten und Laboren gewährleisten. Diese Standardisierung ist in regulierten Umgebungen, in denen die Einhaltung strenger Qualitätsstandards und gesetzlicher Vorschriften erforderlich ist, von entscheidender Bedeutung. Die Automatisierung ermöglicht eine präzise Kontrolle der Versuchsparameter, der Datenerfassung und der Dokumentation und vereinfacht so die Einhaltung von Vorschriften und die Audit-Prozesse.
• Verbesserte Datenverwaltung: Die Automatisierung lässt sich in anspruchsvolle Softwaresysteme integrieren, um Daten nahtlos zu erfassen, zu analysieren und zu speichern. Dies macht die manuelle Dateneingabe überflüssig, reduziert Transkriptionsfehler und verbessert die Datenintegrität. Die automatisierte Datenverwaltung ermöglicht die Überwachung und Nachverfolgung des Versuchsfortschritts in Echtzeit, gewährleistet eine effiziente Datenorganisation und -abfrage und erleichtert datengestützte Entscheidungen.

Beschränkungen des derzeitigen Ökosystems der Laborautomatisierung

Auch wenn die Vorteile der Automatisierung auf der Hand liegen, gibt es immer noch Einschränkungen.

Beschränkung #1: Wissenschaftliche Erfahrung und instrumentenspezifische Ausbildungsanforderungen

Die Arbeit mit aktuellen automatisierten Laborgeräten und -ausrüstungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie manuelle biowissenschaftliche Protokolle konzipiert und umgesetzt werden. Darüber hinaus ist Erfahrung mit dem Betrieb, der Funktionalität und der zugehörigen Software der Geräte erforderlich, und in der Regel ist eine Schulung durch einen technischen Experten oder eine Beratung durch einen solchen erforderlich, bevor ein Gerät in Betrieb genommen werden kann. Diese Kenntnisse und Schulungen ermöglichen es dem Laborpersonal, fundierte Entscheidungen zu treffen, Probleme zu beheben und die Leistung automatisierter Systeme zu optimieren.

Jedes automatisierte Laborgerät verfügt über einzigartige Funktionen, Protokolle und Software-Schnittstellen. Die Benutzer müssen eine spezielle Schulung zu dem Gerät erhalten, mit dem sie arbeiten werden, um dessen Fähigkeiten, Einschränkungen und Wartungsanforderungen zu verstehen. Schulungsprogramme, die von Geräteherstellern oder Drittanbietern, die mit der Technologie vertraut sind, angeboten werden, können den Anwendern helfen, Fachwissen für die effektive Bedienung des jeweiligen Geräts zu erwerben. Dies ist jedoch keine langfristige Lösung: Die Schulungsteilnehmer werden das Gelernte mit der Zeit vergessen und Fehler machen.

Einschränkung #2: Workflow-Integration

Viele Arbeitsabläufe und Protokolle erfordern mehrere automatisierte Instrumente mit einzigartigen Funktionen, Protokollen und Softwareplattformen. Um einen vollständig automatisierten, kohärenten Arbeitsablauf zu schaffen, muss das Laborpersonal die Rolle der einzelnen Instrumente verstehen, was zusätzliche Schulungen erfordert. Da mehrere Plattformen im Spiel sind und es kein einheitliches System gibt, das eine Schnittstelle zu ihnen bildet, ist außerdem eine manuelle Kommunikation und Verarbeitung erforderlich, um eine reibungslose Integration, Datenübertragung und Analyse zu gewährleisten. 

Einschränkung #3: Menschliches Versagen

Automatisierte Instrumente eliminieren viele Aspekte menschlicher Fehler im Forschungsprozess, dennoch gibt es mehrere Schritte, die fehleranfällig sind. Die meisten Systeme benötigen bestimmte Eingabeparameter oder Konfigurationen, um Aufgaben korrekt auszuführen. Wenn bei der Einrichtung des Protokolls Fehler gemacht werden, kann ein Gerät versehentlich die falschen Schritte in einem viel größeren Umfang ausführen, als dies bei manueller Ausführung der Fall wäre. Dies kann zu fehlerhaften Daten, erfolglosen Experimenten und einer massiven Verschwendung von Ressourcen, Reagenzien und Verbrauchsmaterialien führen. 

Auch automatisierte Instrumente müssen regelmäßig kalibriert und gewartet werden, um eine genaue Leistung zu gewährleisten. Werden die Geräte nicht ordnungsgemäß kalibriert oder gewartet, kann dies zu nachgelagerten Komplikationen führen, und (wie oben erwähnt) kann ein unbemerkter Fehler zu ungenauen Ergebnissen führen, die eine erneute Prüfung erforderlich machen und Ressourcen verschwenden.

Labor-OS: Einführung der nächsten Generation in der Automatisierung 

Zu Beginn dieses Blogs habe ich Sie gebeten, sich ein vollständig vernetztes Labor vorzustellen, das von einem Lab OS gesteuert wird. 

Wie Sie anhand der oben genannten Einschränkungen sehen können, besteht ein Bedarf an der Modernisierung der derzeitigen Laborautomatisierung. Die derzeitigen automatisierten Systeme mit ihren Robotern, Software- und Datenverwaltungssystemen sind unnötig komplex.

Außerdem ist die "Automatisierung" dieser Instrumente eine falsche Bezeichnung. Die heutigen Geräte haben den Zeitaufwand im Vergleich zu manuellen Protokollen erheblich reduziert. Dennoch wird immer noch geschultes Personal benötigt, das sich um die Geräte kümmert, um Fehler zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Protokolle wie vorgesehen ausgeführt werden. 

Um die nächste Phase der Laborautomatisierung einzuleiten, haben mein Team und ich bei Genie Lebenswissenschaften haben ein vereinheitlichendes Lab-OS namens Genie LabOSDamit können Sie Ihr aktuelles Automatisierungssystem in vollem Umfang nutzen, ohne eine völlig neue Geräteflotte anschaffen zu müssen. 

Das Betriebssystem ist geräteunabhängig und ermöglicht es Wissenschaftlern und Automatisierungstechnikern, Protokolle für alle angeschlossenen Geräte und Zubehörteile zu erstellen, ohne dass eine Schulung für gerätespezifische Software oder Hardware erforderlich ist. Genie macht die Laborautomatisierung zugänglich, indem es die lästigen Details für Ihr Deck-Layout, Ihre Spitzen und Flüssigkeits-Klasseneinstellungen für eine saubere und effiziente Flüssigkeitsverarbeitung übernimmt.

Auf diese Weise haben Labormitarbeiter aller Qualifikationsstufen Zugang zu den Möglichkeiten ihrer automatisierten Geräte. Die Erstellung von Protokollen kann einfach per Drag-and-Drop erfolgen. Darüber hinaus erfassen virtuelle Trockenübungen den Großteil der Absichten eines Forschers, beseitigen Fehler, ohne dass Versuch-und-Irrtum-Nassübungen durchgeführt werden müssen, und ermöglichen den Nutzern die Veröffentlichung von Protokollen zur besseren gemeinsamen Nutzung und Überwachung. 

Planen Sie noch heute eine Demo um zu sehen, wie Sie die nächste Generation der Automatisierungsmöglichkeiten Ihres Labors freisetzen können.