Doch die Laborumgebung hat sich in den letzten Jahren sehr stark verändert: Die Digitalisierung und Automatisierung der Laborarbeit ist nicht mehr aufzuhalten. So unterstützen cloudbasierte elektronische Laborbücher (ELNs) bei der durchgängigen Dokumentation, und Laborinformations- systeme (LIMS) inventarisieren Substanzen und Materialien sowie Methoden. Halb- und vollautomatische Geräte und Systeme nehmen Mitarbeitern viele monotone und komplexe Teilaufgaben ab. Ein Beispiel sind Pipettierroboter, die kleinste Mengen Flüssigkeit exakt abmessen und dosieren.

Der Übergang vom manuellen zum teilautomatisierten (oder sogar vollautomatisierten) Labor ist aufwändig und langwierig und hält nicht mit der Geschwindigkeit der Forschung mit. Die Digitalisierung von Arbeitsabläufen erfordert ein vollständiges Verständnis aller Teilvorgänge durch alle Parteien und deren genaue Übersetzung in eine vom Computer weiterverwendbaren Form, sogenannte Prozessmodelle. Die darauf aufbauende Automatisierung erfordert zusätzlich eine umfassende Kenntnis der am Markt verfügbaren Geräte, Systeme und Technologien sowie von Substanzen und Materialien, um eine möglichst optimale Laborausstattung zu erreichen. Weiterhin sollten Laborprozesse im Vorfeld zeitlich geplant werden, um den Bedarf an Material und Personal präzise abschätzen zu können. Kurzum: Ein höherer Grad an Digitalisierung und Automatisierung erfordert einen erheblichen Aufwand im Design und in der Planung von Laborprozessen.

Laborprozesse einfacher designen und flexibel planen
Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB des Fraunhofer IPA wollen die Lücke im Design und der Planung von Laborprozessen schließen: „Der `Merlin Process Designer´, kurz Merlin, erlaubt es, Laborprozesse einfach in einer grafischen Form zu erfassen und diese dann im Voraus detailliert zu planen“, sagt Sebastian Schöning, Gruppenleiter der PAMB. Die Prozessbeschreibung basiert auf einer eigens entwickelten Prozessnotation, die Laborprozesse einheitlich als Materialflussdiagramme darstellt. Erfasst werden manuelle, aber auch automatisierte und sogar gemischte Prozesse. Gleichzeitig setzen die Forscher eine von Menschen lesbare Textdarstellung ein, die sich an üblichen technischen Dokumenten und wissenschaftlichen Publikationen orientiert. „Damit bieten wir sowohl eine präzise technische Repräsentation von Laborprozessen auf der einen Seite als auch eine für menschliche Nutzer einfach zu lesende Darstellung auf der anderen Seite«, erläutert Schöning.

Laborprozesse lassen sich hierarchisch gliedern und vollständig erfassen. Die versionierte Dateiablage und der Export in gängige Dateiformate, wie das Rich-Text-Format (RTF) oder das Portable File Format (PDF), machen das nachhaltige Sichern in vorhandenen Informationssystemen möglich, so dass auch noch nach Jahren nachvollziehbar bleibt, welche Version einer Prozessbeschreibung welchem Experiment zugrunde lag und wie Experimente geplant waren und sich entwickelten. Die Programmiersprache, also die zugrundeliegende Prozessnotation, haben die IPA-Experten bewusst einfach gehalten.

Merlin besteht aus zwei Bausteinen: dem Protokolleditor und dem Prozessplaner. Mit Hilfe des Protokolleditors kann der Wissenschaftler Laborprozesse vollständig und konsistent beschreiben. Dafür greifen Forscher vielfach zu technischen oder wissenschaftlichen Veröffentlichungen als Grundlage, also einer Art Kochrezept in Textform. Bisher mussten sie aus diesen Texten selbst heraussuchen, welche Materialien und Geräte sie brauchen. Außerdem ist nicht alles exakt beschrieben, so dass Raum für Vermutungen bleibt. „Mit Merlin soll es hier langfristig keinen Interpretationsspielraum mehr geben“, sagt Oliver Oesterle, Wissenschaftler der PAMB. Vielmehr führe der Protokolleditor den Nutzer Schritt für Schritt zu einer passenden Liste. So schlägt Merlin etwa Materialien vor. Die entsprechenden Symbole kann der Anwender über Drag & Drop auf sein Protokoll ziehen, also auf seine Versuchsanleitung. Wiederholen sich Teile aus einem anderen Protokoll, kann er diese importieren.

Ist eine Angabe des Forschers nicht stimmig, zum Beispiel wenn die Zahl der Proben oder der Ablauf des Experiments fehlerhaft sind, gibt das Programm entsprechende Hinweise. „Merlin ‚weiß‘, was gemacht werden muss: Er ‚hat‘ also Prozesswissen“, erläutert Schöning. Mit dem zweiten Baustein, dem Prozessplaner, können Wissenschaftler in Merlin beschriebene Laborabläufe planen: Damit lassen sich zeitliche Vorhersagen treffen, Ressourcenengpässe identifizieren oder das Zusammenspiel mit anderen Laborprozessen betrachten. Sind sowohl Prozessbeschreibung als auch Prozessplanung zufriedenstellend, übermittelt Merlin diese Informationen an cloudbasierte elektronische Laborbücher. Dafür wird zur Zeit die Anbindung mittels moderner Webschnittstellen entwickelt.