Adaption biotechnologischer Prozesse für die interaktive Umsetzung in digital unterstützter Laborumgebung, Entwicklung und Evaluation

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der digitalen Transformation des biotechnologischen Labors. Ziel der Bemühungen ist, einen Mehrwert sowohl in der Qualität der erzeugten Ergebnisse, als auch in den Arbeitsabläufen für den Wissenschaftler oder Laboranten zu schaffen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Interaktion des digitalisierten Laborsystems mit dem Benutzer. Es wird beschrieben, welche Maßnahmen notwendig sind, um ein solches Laborsystem aufbauen und betreiben zu können. Neben den Hardware-Voraussetzungen für den Betrieb wird insbesondere auf die standardisierte Anbindung von Laborgeräten eingegangen. Da momentan noch kein allgemeiner Kommunikationsstandard in diesem Bereich existiert, werden Mittel und Wege aufgezeigt, wie eine umfassende Integration trotzdem möglich ist. Dazu wurde u. a. ein Hardware-Modul zur Anbindung von Alt- oder Bestandsgeräten entwickelt und evaluiert. Um die Interaktion des Menschen mit dem Laborsystem so unkompliziert wie möglich zu gestalten, werden verschiedene Formen der Nutzerinteraktion (Sprachsteuerung, Head-Mounted-Displays, etc.) untersucht und vorgestellt. Das gesamte System ist so ausgelegt, dass die Steuerung von zentraler Stelle aus möglich ist und alle Daten in einem Laborserver zusammenfließen. Diese Architektur schafft die Voraussetzungen für eine generische und unkomplizierte Anbindung verschiedenster Nutzerinteraktionsgeräte. Im Rahmen der Arbeiten wurde weiterhin ein Prozessleitsystem entwickelt, dass die Formulierung und Durchführung von Arbeitsabläufen im digitalisierten Labor einfach und intuitiv ermöglicht. Dabei sollen Implementierungsdetails und konkrete Probleme der Geräteanbindung abstrahiert werden und die Abläufe möglichst unabhängig von den konkreten Modellen der Geräte werden, die zu ihrer Durchführung notwendig sind. Durch die zentrale Geräteanbindung und Datenverarbeitung werden Möglichkeiten für Abläufe geschaffen, die die FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable)-Richtlinien zum Umgang mit wissenschaftlichen Daten einhalten. Das digitalisierte Labor wurde für die Durchführung von Beispielabläufen und Nutzerinteraktionsstudien verwendet und steht voll funktional zur Verfügung. Die Software und Systemarchitekturen wurden in verschiedenen wissenschaftlichen Veröffentlichungen dokumentiert und viele Komponenten sind unter offenen Lizenzen verfügbar.

This thesis deals with the digital transformation of the biotechnological laboratory. The goal of the efforts is to create benefit for the scientist or laboratory technician, both in the quality of the results produced and in the work processes. Special attention is paid to the interaction of the digitized laboratory system with the user. It is described which measures are necessary to set up and operate such a laboratory system. In addition to the hardware requirements for operation, the standardized connection of laboratory devices is discussed in particular. Since there is currently no general communication standard in this area, ways and means are shown how a comprehensive integration is still possible. For this purpose, a hardware module for the connection of old or existing devices was developed and evaluated. In order to make human interaction with the laboratory system as uncomplicated as possible, different forms of user interaction (voice control, head-mounted displays, etc.) are presented and evaluated. The entire system is designed in such a way that the control is possible from a central location and all data are merged in a laboratory server. This architecture creates the conditions for a generic and uncomplicated connection of various user interaction devices. Within the scope of the work, also a process control system was developed enabling the simple and intuitive formulation and execution of workflows in the digitalized laboratory. Implementation details and specific problems of device connectivity are abstracted from the processes themselves, so that they become as independent as possible from the specific types of devices necessary for their execution. The central device connection and data processing leverages the creation of processes that comply with the FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) guidelines for handling scientific data. The digitized laboratory has been used for the execution of sample procedures and user interaction studies and is fully functional. The software and system architectures have been documented in various scientific publications and many components are available under open licenses.