16. August 2023 von Juan Carlos Peñafiel Suárez
Was ist das Labor 4.0?
Heute wird sehr viel über das Labor 4.0 gesprochen. Und zu Recht, denn das Thema ist nicht nur ein Trend, es findet gerade eine Entwicklung in der Technologie und in der Denkweise der Menschen statt. Die Gründe dafür: Erstens treffen verschiedene Technologien aufeinander und diese sollen koordiniert zusammenarbeiten. Zweitens machen die Menschen sich Gedanken darüber, wie diese Technologien optimal zu verwenden sind, welche Rolle sie selber spielen und welches die Ziele des Labors 4.0 sein sollten. Diese Änderungen erfordern neues Wissen, neue Skills und viele Anpassungen – sowohl bei der Infrastruktur als auch bei den Prozessen in den heutigen Laboren. Aber was genau ist das Labor 4.0? Was sind die Ziele und wann werden diese voraussichtlich erreicht? Diese und andere Fragen beantworte ich in meinem Blog-Beitrag.
Geschichte der Industrie 4.0
Die industrielle Ära (Industrie 1.0) startete circa 1800 – angefangen mit dem Einsatz der Dampfmaschine. Diese ermöglichte es den Menschen, mechanische Arbeit mit weniger Aufwand zu verrichten. Somit hatte der Mensch ein Tool, um seine Arbeit effizienter und produktiver zu gestalten. Ende des 19. Jahrhunderts begann mit der Nutzung der Elektrizität als Antriebskraft die Industrie 2.0. Hier fing auch die Automatisierung von Prozessen an. Damit erreichte man eine noch höhere Produktivität und eine Reduktion der Produktionskosten. Die nächste Entwicklungsstufe wurde durch den Computer gekennzeichnet. Der Bauingenieur Konrad Ernst Otto Zuse entwickelte den ersten funktionsfähigen Computer im Jahr 1941. Damit startete die dritte industrielle Revolution ab den 1970er Jahren. Während dieser Zeit standen die Automatisierung, Vernetzung und Kommunikation im Fokus.
Im Gegensatz zu den ersten drei industriellen Revolutionen ist die vierte industrielle Revolution nicht durch einen großen Umbruch entstanden. Die Industrie 4.0 entstand 2011 in Deutschland als Zukunftsprojekt im Rahmen der Hightech-Strategie. Dabei verfolgt die Industrie 4.0 den Zweck, auf die Zukunft der Produktion vorbereitet zu sein. Diese ist gekennzeichnet durch „eine starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hochflexibilisierten (Großserien-)Produktion“. Ziel ist eine selbststeuernde, selbstoptimierende und vollständig vernetzte Produktion. Um dies zu erreichen, wird eine vollständige Vernetzung, Digitalisierung und Automatisierung der Prozesse angestrebt. Weitere Faktoren wie Datenanalyse, intelligentes Datenmanagement und intelligente Datenverarbeitung, Mensch-Maschine-Interaktion und fortschrittliche Technologien spielen eine wichtige Rolle.
Das Labor 4.0
Im Gegensatz zu den Entwicklungsphasen in der Industrie gab es in den Laboren keine solchen Phasen. Das Labor änderte sich natürlich im Laufe der Jahre durch die Entwicklung von Technologien . Trotzdem geschahen diese Änderungen allmählich und sehr unterschiedlich. Dies ist nicht vergleichbar mit der Entwicklung vieler Industrien, insbesondere im produzierenden Bereich. Seit der ersten industriellen Revolution fokussieren sich alle Entwicklungen auf die Optimierung von Prozessen durch die Automatisierung, die Konnektivität und letztendlich durch die Digitalisierung. Industrie 4.0 zielt heute auch auf die Integration von Cyber-Physical Systems (CPS) ab. Ein CPS bezeichnet mechanische Komponenten, die über Netzwerke und moderne Informationstechnik miteinander verbunden sind.
Da die Labore keine kontinuierliche Entwicklung durchlaufen haben, spüren sie heute den Druck, dies in verschiedenen Bereichen parallel nachzuholen. Das Labor 4.0 ist auf jeden Fall ein Teil der Industrie 4.0, denn das Ziel einer vollständigen Integration wird nur erreicht, wenn die Prozesse im Labor und die dabei erzeugten Daten auch mit allen anderen Prozessen und Daten eines Unternehmens verbunden sind.
Ziele und Herausforderungen des Labors 4.0
Dank der technologischen Entwicklung ist es heute möglich, größere Datenmengen als früher zu analysieren. Dadurch eröffnen sich in den Lebenswissenschaften viele Möglichkeiten, die früher nicht denkbar waren. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von Automatisierungslösungen, die hohe Vernetzung von Instrumenten und Geräten, ein gutes Datenmanagement und eine präzise Datenanalyse sowie die Echtzeitüberwachung und steuerung aller Prozesse. Bevor sich das volle Potenzial in Forschung und Produktion entfalten kann, müssen zunächst die Ziele des Labors 4.0 erreicht werden, denn viele Bereiche werden diese Technologien und Konzepte benötigen. Ist das passiert, wird das Labor das Problem der Datenverarbeitung gelöst haben. Das Hauptziel des Labors 4.0 ist daher die Integration digitaler Technologien und Konzepte in die Laborumgebung, um Effizienz, Produktivität, Qualität und Datenerfassung zu optimieren. Um welche Technologien geht es dabei? Es handelt sich hauptsächlich um Automatisierung, Robotik, KI, Big-Data-Analyse, IoT usw. In Anlehnung an die Industrie 4.0 sollte das Ziel des Labors 4.0 sein, eine vollständige Digitalisierung zu erreichen. Die Industrie 5.0, oder die fünfte industrielle Revolution, beschreibt den Einsatz neuer Technologien, vor allem KI, mit denen Roboter gesteuert werden. Möglicherweise wird es bald den Begriff „Labor 5.0“ geben, der beschreibt, wie voll digitalisierte Labore ihre Daten und Prozesse mit Hilfe von KI weiter optimieren. Bis dahin steht der Begriff „Labor 4.0“ einfach für die Integration aller neuen Technologien, einschließlich KI.
Es versteht sich von selbst, dass im Labor 4.0 nicht nur digitale Technologien zum Einsatz kommen und nicht nur alle Daten in digitaler Form vorliegen, sondern dass diese Daten auch optimal verwaltet und daraus weitere Erkenntnisse gewonnen werden. Künstliche Intelligenz und Big Data Analytics werden dabei eine wichtige Rolle spielen. Die genauen Auswirkungen dieser Technologien sind noch nicht abzusehen, da ihre Anwendung in den Lebenswissenschaften noch relativ am Anfang steht. Zuerst müssen die Labore vollständig digitalisiert werden, bevor diese Technologien eingesetzt werden können. Und genau das ist eine der größten Herausforderungen: die Digitalisierung der Laborprozesse in einer sehr heterogenen IT-Landschaft, wie sie für ein Labor typisch ist.
Fazit
In Anlehnung an den Begriff „Industrie 4.0“ verfolgt das Labor 4.0 ähnliche Ziele: Eine vollständige Digitalisierung, eine lückenlose Vernetzung von Instrumenten und Geräten, Datenmanagement und -analytik, eine vollständige Echtzeitüberwachung und -steuerung von Prozessen sowie die Virtualisierung und Simulation von Prozessen sollen erreicht werden.
Auch der Einsatz von KI und Big Data wird als Ziel von Labor 4.0 verstanden, obwohl dieses Ziel erst für die Industrie 5.0 beschrieben wird. Da aber der Begriff „Labor 5.0“ noch nicht verwendet wird, versteht man heute unter Labor 4.0 die Integration aller gegenwärtigen und zukünftigen Technologien. Dies könnte sich in naher Zukunft ändern, da die Labore bereits heute vor sehr großen Herausforderungen der Digitalisierung stehen. Wenn die vollständige Digitalisierung der Labore erreicht ist, wird eine neue Ära mit der Integration von KI und Big-Data-Technologien beginnen. Dies wird die Arbeit im Labor revolutionieren und ein neues Zeitalter in den Laboren einläuten.
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