De la automatización y la robótica a la digitalización, la IA y una mayor sostenibilidad: Los laboratorios están en constante cambio

Casi parece una reliquia de una época pasada: en los años 70, cuando la tercera revolución industrial (Industria 3.0) empujaba el entorno laboral cada vez más hacia los procesos automatizados. Esto provocó un aumento del rendimiento de la producción y creó nuevas oportunidades en la fabricación y la ingeniería. Al mismo tiempo, los laboratorios empezaron a abandonar el trabajo manual rutinario en favor de un soporte más mecánico. Sin embargo, no fue hasta la Cuarta Revolución Industrial, a raíz de la digitalización, cuando se produjo el avance formal. Desde entonces, los avances en este ámbito se han promovido y debatido bajo la palabra de moda Laboratorio 4.0.

La combinación de tareas básicas como la agitación, el templado, la dosificación, etc. en procesos automatizados sentó las bases de un trabajo de laboratorio más rápido y repetible. Hoy en día, prácticamente todos los equipos de laboratorio están automatizados, al menos parcialmente: desde el sistema HPLC con unidad de bombeo y automuestreador, hasta el fermentador con tecnología de temperatura controlada con precisión y suministro de medios, pasando por la pipeta electrónica con función de soporte para flujos de trabajo predefinidos.

Cuando hablamos hoy de automatización en el laboratorio, está indisolublemente ligada a la digitalización. “Es importante recordar que la digitalización por sí sola no es suficiente; especialmente en el laboratorio, la automatización también incluye un fuerte componente de hardware”, afirma Kerstin Thurow, del Centro de Automatización de Ciencias de la Vida (Celisca) de la Universidad de Rostock. Sin equipos y sistemas adecuados para manipular las muestras y el material de laboratorio, no es posible automatizar los procesos de laboratorio. “A menudo esto se pasa por alto o se da por sentado en el debate actual”, señala.

Lo ideal es que un dispositivo combine automatización y digitalización, como hacen muchas estaciones de trabajo. Estos dispositivos suelen estar equipados con un software propio que permite a los usuarios guardar sus propios flujos de trabajo sin necesidad de conocimientos de programación. Por ejemplo, se pueden arrastrar y soltar pasos predefinidos en el sistema para desarrollar cribas de fármacos en un PC, que luego realiza automáticamente una estación de pipeteo. De este modo, los usuarios disponen de más tiempo para realizar tareas de laboratorio complejas, como planificar y evaluar experimentos.

Además de los puestos de trabajo, que suelen cumplir una tarea muy concreta, los brazos robóticos, conocidos en la industria, se utilizan cada vez más en el laboratorio.  Este tipo de brazo robótico en la fabricación de automóviles, puede realizar movimientos flexibles que de otro modo sólo podría realizar un brazo humano. Esto resulta útil, por ejemplo, para transferir o preparar muestras,y sobre todo en entornos basados en proyectos, donde los flujos de trabajo y las tareas cambian con más frecuencia y requieren una solución más flexible.

Para acomodar un asistente robótico en el laboratorio, que suele estar ya limitado por la falta de espacio, los brazos robóticos modernos suelen ser los llamados cobots, abreviatura de robots colaborativos. Su ventaja es que pueden integrarse con seguridad en un espacio de trabajo compartido con un humano, sin necesidad de separación física.

Es concebible que en el futuro los asistentes robóticos sustituyan al personal de laboratorio en tareas sencillas y tediosas. “Kevin”, un cobot autónomo desarrollado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Automatización, ya se utiliza en laboratorios reales. Este cobot se mueve de forma autónoma por el laboratorio, tomando muestras y transportándolas entre la zona de recepción, el laboratorio de análisis y el archivo. Según el experto en automatización Thurow, este tipo de robot móvil es el que tiene más posibilidades de cambiar radicalmente el trabajo de laboratorio en el futuro. “Aumentará aún más el grado de automatización, sobre todo en sistemas distribuidos muy complejos”. Sin embargo, cree que nunca habrá un laboratorio totalmente autónomo. “Las soluciones siempre se adaptarán a procesos específicos”, afirma Thurow.

Aparte de las tareas físicas realizadas por robots y otras máquinas, la generación de datos suele ser el foco principal, o al menos una parte esencial del trabajo, en el contexto del laboratorio. Desde el comienzo de la era informática, hemos asistido a un rápido aumento de la velocidad y el volumen de los datos generados.

Esto ha ido inevitablemente acompañado del desarrollo de herramientas para ayudar al personal de laboratorio en la adquisición, el mantenimiento y el análisis de los datos. Entre ellas se encuentran los sistemas de información y gestión de laboratorio (LIMS), que probablemente no existirían sin el creciente flujo de datos. Estos sistemas ayudan con la documentación, la gestión de muestras y actúan como interfaz con los distintos instrumentos utilizados en el laboratorio. Esto facilita o hace posible la trazabilidad de procesos y muestras, lo que permite a los laboratorios acreditados cumplir la normativa a un coste razonable.

Cuando se trata de la facilidad de uso de un laboratorio nuevo o que se instala por primera vez, no sólo entra en juego la cuestión de las interfaces, sino también aspectos generales de planificación como la ubicación sensata de los equipos, el espacio disponible e incluso la planificación completa del suministro de medios y la instalación de nuevos puestos de trabajo. La realidad virtual (RV) ya se ha hecho un hueco en el sector de los laboratorios. Por ejemplo, se puede explorar de forma interactiva e inmersiva un gemelo digital precreado del laboratorio, colocar y modificar el mobiliario del laboratorio, y los usuarios pueden debatir y visualizar los cambios con los planificadores del laboratorio en el espacio virtual. De este modo, las visitas tradicionales se convierten en reuniones que pueden celebrarse desde cualquier lugar con sólo conectarse, siempre que haya una conexión estable a internet.

Una tecnología afín, la Realidad Aumentada (RA), superpone información digital a la visión del mundo real que tiene el usuario. Esta tecnología tiene un gran potencial para mejorar la calidad del trabajo en el laboratorio, aunque aún está lejos de utilizarse en el trabajo diario. Las posibilidades son infinitas: flujos de trabajo paso a paso guiados por texto visualizado en gafas de datos, resaltado de equipos o productos químicos necesarios en el campo de visión o instrucciones de reparación de un instrumento analítico son sólo algunos ejemplos. Es posible que los usuarios aún tengan que acostumbrarse a esta forma de asistencia. Es concebible que esta tecnología se convierta pronto en socialmente aceptable a raíz de las gafas de realidad virtual de Apple, presentadas recientemente.

La aparición del chatbot ChatGPT y sus clones, que han generado un enorme revuelo mediático en muy poco tiempo, demuestra lo rápido que puede producirse un salto tecnológico. Las posibilidades que ofrecen estos algoritmos de aprendizaje cambiarán también el mundo del trabajo de laboratorio. Un programa adecuadamente entrenado podría, por ejemplo, ayudar con la documentación y la redacción de publicaciones. O simplemente podría actuar como intermediario entre los humanos y los programas informáticos, permitiéndoles diseñar y controlar las mediciones a través de la introducción de texto o voz, en diálogo directo con el instrumento analítico, por así decirlo. En 2022, Lauda, fabricante de tecnología de control de temperatura, hizo sus primeros intentos de control por voz para el laboratorio con su sistema Lauda Live. La ventaja es obvia: ya no es necesaria la introducción manual de datos, lo que deja las manos libres para otras tareas.

Los laboratorios estarán cada vez más conectados, digitalizados y automatizados. En el futuro, puede que incluso lleguemos al tan cacareado “laboratorio sin papeles”, aunque en algunos casos aún estamos lejos de conseguirlo. Sin embargo, hay un aspecto que parece ser el contrapunto a todo este progreso tecnológico y que influirá decisivamente en el laboratorio del futuro: la cuestión de la sostenibilidad.

El deseo de un laboratorio más sostenible no es en absoluto sinónimo de menos tecnología, sino que más bien se apoya en las nuevas tecnologías. Thorsten Teutenberg, del Instituto de Medio Ambiente y Energía, Tecnología y Análisis (IUTA), lo confirma: “Inicialmente, la digitalización ofrece el mayor potencial para hacer avanzar la sostenibilidad en el laboratorio”. Según Teutenberg, esto se debe, por ejemplo, a una mejor organización y documentación. “En muchas instituciones académicas, a menudo se repiten experimentos que ya se han realizado varias veces, pero por una persona diferente que puede no haber trabajado en esa institución durante mucho tiempo. Utilizando, por ejemplo, un cuaderno de laboratorio electrónico en lugar de uno de papel, se puede disponer permanentemente de los resultados de la investigación y evitar experimentos innecesarios”.

Otro efecto secundario positivo en términos de sostenibilidad es la miniaturización de los equipos y procesos de laboratorio, como el paso de la clásica HPLC a la micro-LC. Idealmente, estas modificaciones liberan un valioso espacio en el laboratorio. “Si podemos ahorrar espacio miniaturizando los sistemas analíticos, esto repercute directamente en los costes de funcionamiento del laboratorio”, explica Teutenberg.

La miniaturización de equipos y montajes experimentales hasta llegar al lab-on-a-chip para un consumo mínimo de recursos, un enfoque de reacción optimizado por IA que logre más rápidamente el resultado deseado, o simplemente un congelador con menor consumo de energía: muchos desarrollos modernos apoyan implícitamente la idea de sostenibilidad en el laboratorio.

De la automatización y la robótica a la digitalización, la IA y una mayor sostenibilidad: Los laboratorios están en constante cambio. La rapidez con la que cambia el mundo de los laboratorios depende no sólo del avance de estas tecnologías, sino también de las personas que las utilizan en su trabajo diario. Y a veces se necesita un tiempo para que algo nuevo se ponga de moda, ya sea el primer LIMS o unas gafas de datos AR de aspecto futurista para laboratorios.

Acerca de Achema

Achema es el foro mundial de la ingeniería química, la ingeniería de procesos y la biotecnología. La feria líder mundial de la industria de procesos se celebra cada tres años en Fráncfort. El espectro abarca desde equipos de laboratorio, bombas y dispositivos analíticos hasta maquinaria de envasado, calderas y agitadores, pasando por tecnología de seguridad, materiales y software, cubriendo así todas las necesidades de las industrias química, farmacéutica y de producción de alimentos. El congreso, que incluye conferencias científicas y numerosos actos con invitados y socios, complementa la amplia gama de temas de exposición. La próxima edición de Achema tendrá lugar del 10 al 14 de junio de 2024 en Frankfurt.