Phòng thí nghiệm 4.0 với hệ thống robot tự động hóa, số hóa toàn bộ, cùng môi trường làm việc linh hoạt, bề mặt chuyên dụng tích hợp và vật liệu thông minh.
Sự phát triển của các quy định, quy trình phòng thí nghiệm khiến các nhà khoa học đưa ra những hướng đi mới về hệ thống robot, tự động hóa và số hóa, tập trung vào phòng thí nghiệm thông minh trong tương lai.
Trên thực tế, số hóa các kết quả thử nghiệm không phải là một khái niệm mới. Có rất nhiều ví dụ trong việc ứng dụng kĩ thuật số, chẳng hạn như trong phòng thí nghiệm hình ảnh, máy ảnh kĩ thuật số với độ nhạy sáng cao đã thay thế được thí nghiệm với giấy ảnh nhạy sáng.
Cuộc cách mạng số đã bắt đầu khởi động, và thời đại kỹ thuật số đã trở thành hiện thực cho gần 20% các công ty lớn trên toàn cầu. Là một phần của quá trình số hóa, các phòng thí nghiệm phải đối diện với những thách thức mới khi quản lý một lượng dữ liệu khổng lồ, được truy xuất từ nhiều nguồn khác nhau. Trên thực tế, với sự xuất hiện của công nghệ thông lượng cao, chất lượng và số lượng thông tin gia tăng đáng kể. Số hóa chính là chìa khóa trong việc tăng năng suất, hiệu quả và sự linh hoạt.
Những ưu điểm của phòng thí nghiệm tự động hóa
+ Kết quả chính xác hơn: lao động thủ công là nơi thường mắc lỗi, vậy nên hệ thống máy móc và robot là những công cụ tốt nhất để giảm thiểu những sai sót do con người gây ra. Ví dụ nếu bạn có một trăm mẫu khác nhau cần theo dõi, bạn có thể sẽ không kiểm soát hết được tất cả. Bằng cách sử dụng hệ thống tự động, máy móc có thể chuẩn bị mẫu, cho phép bạn dễ dàng theo dõi từng mẫu và giảm nguy cơ mất hoặc nhầm lẫn bất kỳ loại mẫu nào.
+ Giảm chi phí: phòng thí nghiệm tự động hóa có thể đảm nhận thêm khối lượng công việc mà không cần tăng thêm thiết bị hay nhân lực hỗ trợ. Mặc dù các công cụ tự động có thể tốn kém trong thời gian ngắn, nhưng chúng sẽ tiết kiệm chi phí cho phòng thí nghiệm về lâu dài do máy móc không chỉ làm nhiều hơn con người trong một khoảng thời gian nhất định mà còn có thể phát hiện sai sót nhanh hơn. Từ đó nhân viên phòng thí nghiệm sẽ phản ứng nhanh hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí.
+ Sự hài lòng của nhân viên ngày càng tăng: nhân viên phòng thí nghiệm có thể làm việc trên các ứng dụng hiệu quả hơn do giảm bớt gánh nặng từ các hoạt động lặp đi lặp lại. Tự động hóa một số nhiệm vụ đơn giản giúp cho nhân viên dành thời gian để theo dõi các công việc khác như phân tích dữ liệu nghiên cứu, tìm hiểu các kỹ thuật mới và phát triển các cách tiếp cận thay thế.
+ Kết quả nhanh hơn: với mô hình tự động hóa, nhân viên phòng thí nghiệm có thể thiết lập, chạy và phân tích kết quả các phép thử trong một khoảng thời gian như họ muốn. Đây là một lợi thế lớn đối với các phòng thí nghiệm sản xuất - chịu áp lực từ thị trường tự do - đòi hỏi kết quả chính xác trong thời gian ngắn.
+ Tính linh hoạt và liên ngành: Xu hướng toàn cầu hóa có tác động đặc biệt đến các phòng thí nghiệm nghiên cứu mà thường có sự cộng tác từ nhiều phía. Điều này có nghĩa là những người cộng tác trong dự án phải trao đổi dữ liệu, kết quả từ nhiều nguồn khác nhau, và phải phối hợp dựa trên quy trình chuẩn. Trong trường hợp này dữ liệu đám mây có thể là giải pháp tối ưu nhất để chia sẻ thông tin.
Tất cả các phòng thí nghiệm ở quy mô và loại nào đều có thể đạt được những lợi ích nhất định từ mô hình tự động hóa. Việc thực hiện một hệ thống tự động hóa ban đầu có thể phức tạp nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Trong thực tế, nhiều khi tương đối đơn giản. Ví dụ, các phòng thí nghiệm quan tâm đến việc tự động hóa quá trình phân tích của họ thường chỉ cần thực hiện một phép thử cơ bản. Điều này bao gồm việc nghiên cứu hiệu suất hiện tại, xác định các quy trình cụ thể dẫn đến các lỗi tiềm ẩn và đưa ra những cách cụ thể để giảm các quy trình thủ công. Mặt khác, các phòng thí nghiệm muốn thực hiện các cấp độ tự động hỏa có hiệu suất cao hơn thì có thể sử dụng các công cụ bổ sung như vật liệu thông minh với cảm biến và bộ truyền động (ví dụ để làm mát khẩn cấp) hoặc bề mặt làm việc có tích hợp chức năng và thiết bị tích hợp hệ thống.
Quy trình phòng thí nghiệm ngày càng phức tạp, sự hợp tác liên ngành và sự phát triển của những quy định thiết yếu đang làm cho các nhà khoa học suy nghĩ lại về cách thức hoạt động trong phòng thí nghiệm. Nhưng không phải mọl phòng thí nghiệm đều giống nhau, ở đây chúng tôi đưa ra một bản tóm tắt sơ lược về những gì phòng thí nghiệm 4.0 có thể có ý nghĩa đối với ba loại phòng thí nghiệm sau: phòng thí nghiệm thực hiện các xét nghiệm chẩn đoán thông thường, phòng thí nghiệm chuyên nghiên cứu và phát triển, và phòng thí nghiệm sản xuất.
Trong phòng thí nghiệm chẩn đoán, mẫu phải được xử lý một cách nhanh chóng, chính xác, có khả năng truy xuất nguồn gốc đầy đủ, và phù hợp với các tiêu chuẩn chất lượng được chứng nhận và các tiêu chuẩn đã được thiết lập. Đây chính là những quy định thiết yếu có thể dễ dàng đáp ứng với sự trợ giúp của mô hình số hóa và tự động hóa - từ việc tự động ghi lại mẫu khi chuyển tới phòng thí nghiệm để in ra các báo cáo và những chứng chỉ kiểm tra cuối cùng. Lý tưởng nhất là với phần mềm chuyên dụng, tất cả các dụng cụ và thiết bị có liên quan đến mạng dữ liệu, toàn bộ trình tự xử lý có thể được tự động hoàn toàn, bao gồm kế toán và thanh toán.
Bề mặt chuyên dụng với các thiết bị tích hợp chức năng như cân, khuấy, nung nóng và làm mát tạo ra một bề mặt làm việc lý tưởng. Việc chuẩn bị một giải pháp được hướng dẫn, theo dõi và ghi lại thông qua một giao thức kĩ thuật số, và tất cả dữ liệu sẽ được lưu trữ trong sổ ghi chép và phần mềm quản lý.
Yếu tố lớn nhất trong phòng thí nghiệm luôn là lao động thủ công. Và đây cũng là nơi mà phần lớn các lỗi thường xảy ra. Các máy móc và hệ thống robot là những công cụ tốt nhất để sàng lọc phương pháp, và chúng đảm bảo mức độ tái sản xuất cao. Nhưng sự tập trung vào tự động hóa ở đây phải giống như những gì đang diễn ra trong ngành công nghiệp 4.0: đó là hệ thống này chỉ thực sự đáng giá cho việc sản xuất hàng loạt.
Các phòng thí nghiệm chuyên nghiên cứu hoạt động khá khác nhau, ở đây sẽ nhấn mạnh vào sự linh hoạt. Làm việc liên ngành phải được số hóa từ trên xuống dưới. Những người cộng tác trong một dự án thường ở các địa điểm khác nhau, nhưng họ cần phải trao đổi dữ liệu một cách thường xuyên và theo một quy định chuẩn. Ví dụ, nếu một cuộc thí nghiệm được tiến hành tại một phòng thí nghiệm khác vì có thiết bị phù hợp hơn thì đều phải áp dụng các điều kiện chuẩn tương đồng, và lưu trữ đám mây là một yêu cầu thiết yếu trong việc chia sẻ kết quả thử nghiệm.
Những cách thức làm việc theo mô đun sẽ tăng sự linh hoạt trong nhiều chuỗi công việc, thiết lập và quy trình. Tất cả những thiết lập và trang thiết bị trong phòng thí nghiệm đều nên sắp xếp lại theo yêu cầu tính chất công việc. Vì vậy, trước khi một dự án bắt đầu, phòng thí nghiệm có thề được thiết lập lại cho phù hợp, và bất kì thiết bị nào trên bề mặt làm việc có thể sắp xếp lại hoặc đổi vị trí khi cần thiết.
Cải tiến chất lượng và khả năng tái sản xuất có thể đạt được trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu thông qua quá trình sử dụng mô hình tự động hóa. Các giải pháp tự động hóa này tăng tỉ lệ thành công, tuy nhiên so với những tiêu chuẩn nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm chẩn đoán thông thường, những giải pháp này cần được cập nhật chi tiết hơn.
Đối với phòng thí nghiệm sản xuát, loại phòng thí nghiệm này đang chịu áp lực từ thị trường tự do. Ưu tiên hàng đầu phải nói đến tính hiệu quả, quy trình được tối ưu hóa, tính linh hoạt và sự bảo mật, Quá trình tự động hóa nên là một yêu cầu tất yếu khi các thông số phản ứng đã được thiết lập. Các vật liệu thông minh có cảm biến và thiết bị truyền động (ví dụ như để làm mát khẩn cấp) có thề giám sát và kiểm soát các mạch phản ứng bằng kĩ thuật số, từ đó đảm bảo tính an toàn khi xuất hiện những quy trình nguy hiểm tiềm ẩn, Dụng cụ thí nghiệm tích hợp trên bề mặt làm việc và các thiết bị khác (bao gồm cả hệ thống robot) sẽ biến những quy chuẩn trở nên dễ dàng hơn, các dụng cụ theo chuẩn mô đun từ đó được cấu hình lại để tạo ra các trình tự quy trình mới. Bằng cách này, việc sản xuất có thể được liên tục thích nghi với những nhu cầu của thị trường.
Làm thế nào để nâng cáp lên phòng thí nghiệm 4.0 một cách tốt nhất khi kinh phí hạn chế là một thách thức. Tuy nhiên, số hóa sẽ cải thiện được kế hoạch kiểm soát, đảm bảo chất lượng trong tương lai gần và nó cần phải được cân nhắc bởi mỗi phòng thí nghiệm. Đã đến lúc các phòng thí nghiệm cân nhắc về việc có được một hệ thống thông tin tối ưu hóa, một mạng lưới dữ liệu tốt và lập kế hoạch cẩn thận hơn.
Theo Labvolution
Bản tin thử nghiệm ngày nay số 2 - Tháng 11-12/2017