L'automazione dei laboratori migliora l'efficienza e l'intuizione

La visione artificiale e altri tipi di intelligenza artificiale accelerano i lavori in laboratorio.

Panoramica sull'automazione dei laboratori:

  • Negli ospedali e nei sistemi sanitari, l'automazione dei laboratori clinici consente un'elevata precisione e tempi di risposta rapidi per i test diagnostici.

  • Per la ricerca e lo sviluppo farmaceutico, l'automazione dei laboratori aiuta gli scienziati a eseguire un gran numero di esperimenti in tempi brevi.

  • Le tecnologie Intel® promuovono le soluzioni per l'automazione dei laboratori che vanno dai bracci robotici abilitati dalla visione artificiale all'analisi delle immagini ad alte prestazioni.

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L'automazione dei laboratori sta sottraendo i tecnici e gli scienziati alle attività manuali dispendiose in termini di tempo, in modo tale che possano concentrarsi su lavori più importanti. I pazienti possono ricevere le diagnosi in modo veloce, ottenendo le cure tempestive di cui hanno bisogno. I nuovi farmaci possono essere sottoposti a test in tempi rapidi, portando quindi a trattamenti rivoluzionari. In questo laboratorio del futuro, l'intelligenza artificiale sta portando l'automazione a un livello superiore.

Dall'esecuzione di semplici analisi del sangue all'analisi degli effetti di un potenziale trattamento sulla coltura cellulare, alcune delle risposte più importanti nelle scienze sanitarie e della vita provengono dal laboratorio. Un laboratorio è in grado di garantire la precisione, la velocità e un alto rendimento. Quanto più efficiente è il funzionamento di un laboratorio, più velocemente i ricercatori possono fare scoperte e i medici sono in grado di effettuare le diagnosi, accelerando così la fornitura di cure di livello mondiale.

L'automazione dei laboratori implica una serie di tecnologie per l'automazione delle attività manuali e ad alto volume nei laboratori clinici o di ricerca. In un crescente numero di casi, queste tecnologie includono la robotica dei laboratori e l'intelligenza artificiale (IA), tra cui l'apprendimento automatico, l'apprendimento profondo e la visione artificiale. La robotica e l'automazione dei laboratori possono essere applicate a una gamma di processi e apparecchi, dagli strumenti da banco ai sistemi indipendenti, passando per i microscopi. In base alle loro modalità d'uso, i sistemi di automazione dei laboratori possono essere a singola funzione o combinare diverse funzioni.

Automazione dei laboratori clinici

L'automazione in un laboratorio clinico è volta principalmente a garantire la precisione, accelerando al contempo i tempi e l'efficienza dei test diagnostici. I laboratori clinici tendono a funzionare in modo continuativo. È estremamente importante per i tecnici in questi laboratori gestire il gran numero di test in arrivo da uno o più ospedali o cliniche.

Le più recenti soluzioni per l'automazione dei laboratori clinici utilizzano la visione artificiale per la lettura di codici a barre, l'identificazione di campioni e l'assistenza per l'implementazione di movimenti precisi di bracci robotici. I laboratori clinici stanno anche esplorando l'uso dell'apprendimento automatico in aree come la patologia digitale, la quale richiede un alto livello di prestazioni di elaborazione sui server edge.

Ricerca e sviluppo farmaceutico

I robot per la manipolazione di liquidi, i sequenziatori genomici, lo screening ad alto contenuto (HCS) e lo screening ad alto rendimento (HTS) sono tra i sistemi di automazione dei laboratori che aiutano gli scienziati ad accelerare la ricerca e lo sviluppo farmaceutico. I ricercatori sono in grado di eseguire un gran numero di esperimenti, i quali possono portare alla scoperta di nuovi farmaci, nuove terapie per il cancro e altri trattamenti. L'apprendimento automatico e l'apprendimento profondo assumono un valore particolarmente prezioso nei laboratori di ricerca, grazie agli algoritmi in grado di accelerare l'HCS e altri carichi di lavoro di imaging.

Ad esempio, per supportare la scoperta di nuovi farmaci attraverso l'accelerazione HCS, Intel e Novartis hanno utilizzato reti neurali profonde (DNN) per ridurre i tempi di esecuzione del training dei modelli di analisi di imaging da 11 ore a 31 minuti1. Il team ha utilizzato otto server basati su CPU, un'interconnessione in tessuto ad alta velocità e un TensorFlow ottimizzato per elaborare le immagini microscopiche in un modo molto più veloce. Questa soluzione aiuta i ricercatori a studiare gli effetti di migliaia di trattamenti chimici su diverse colture cellulari e a valutare la potenziale efficacia di vari farmaci.

Vantaggi dell'automazione dei laboratori

L'automazione dei processi manuali in laboratorio genera una serie di vantaggi, in particolare in termini di risparmio di tempo. Ma, fattore ancora più importante, è la posta in gioco quando le attività vengono completate più velocemente conservando al contempo la precisione. Ad esempio, se i ricercatori hanno la possibilità di gestire in modo rapido milioni di composti rispetto a un bersaglio farmacologico, essi sono in grado di ottenere un trattamento rivoluzionario a una velocità impossibile in precedenza.

  • Riduzione degli errori. Sin dalla progettazione, l'automazione dei laboratori riduce la possibilità di errore umano eliminando il lavoro manuale dal processo2. Ciò favorisce anche la riproducibilità e la coerenza nella fase di test.
  • Tempi di risposta rapidi. I sistemi automatizzati sono in grado di eseguire uno screening ad alto rendimento e altri esperimenti a un ritmo non possibile quando è eseguito dagli esseri umani, conservando al contempo la precisione.3
  • Uso strategico del personale umano. I tecnici e gli scienziati di laboratorio possono lavorare al massimo delle loro competenze e concentrare la loro attenzione sulle attività strategiche, piuttosto che essere legati alle attività ripetitive.
  • Riduzione dei costi. I sistemi di automazione dei laboratori potrebbero contribuire a ridurre i costi, riducendo i volumi di reagenti necessari e gli sprechi.
  • Sicurezza sul lavoro. Riducendo l'esigenza dell'intervento umano, l'automazione dei laboratori può aiutare i tecnici a limitare l'esposizione ad agenti patogeni e chimici nocivi o il verificarsi di lesioni causate da movimenti ripetitivi.

Intel e Novartis hanno utilizzato le reti neurali profonde (DNN) per ridurre i tempi di esecuzione del training dei modelli di analisi di imaging da 11 ore a 31 minuti1.

Tecnologie per l'automazione dei laboratori

Dai bracci robotici all'elaborazione delle immagini, le tecnologie Intel® potenziano le più recenti soluzioni di automazione dei laboratori. Il nostro ampio portafoglio di tecnologie di elaborazione offre ai produttori di strumenti una gamma di opzioni di elaborazione che soddisfano i requisiti di potenza e prestazioni, nonché funzionalità di progettazione software per la visione artificiale e altre tipologie di IA.

Inoltre, i server e lo storage con tecnologie Intel® offrono una base solida per la gestione dei dati nell'intero laboratorio. Tutto ciò supporta i principi dei dati FAIR, rendendo i dati reperibili, accessibili, interoperabili e riutilizzabili con sistemi automatizzati senza intervento umano.

Tecnologie Intel® per l'automazione dei laboratori
Processori Intel® Core™ e processori Intel Atom® I processori Intel offrono il giusto livello di prestazioni e di consumo energetico necessario per automatizzare i processi in laboratorio. Ideali per la movimentazione e il recupero, l'ordinamento, la centrifugazione e altre funzioni pre e post-analitiche.
Processori scalabili Intel® Xeon® I processori scalabili Intel® Xeon® offrono prestazioni elevate per i server edge in laboratorio, particolarmente utili per lo screening ad alto contenuto (HCS) e altre tipologie di imaging.
VPU Intel® Movidius™ Le VPUs Intel® Movidius™ sono progettate per la visione artificiale nell'edge. Queste VPU a bassa potenza consentono la lettura dei codici a barre, il movimento dei bracci robotici, l'analisi dei campioni e molto altro ancora.
Memoria persistente e SSD Intel® Optane™ La memoria persistente Intel® Optane™ e le unità a stato solido (SSD) supportano le grandi applicazioni in memoria, ideali per l'imaging e i carichi di lavoro IA nell'automazione dei laboratori.
Strumenti software IA4 Per gli sviluppatori, Intel offre le librerie software e le ottimizzazioni per i framework popolari come TensorFlow e Caffe per il miglioramento delle prestazioni dell'architettura Intel®. La distribuzione Intel® di OpenVINO™ toolkit semplifica lo sviluppo delle applicazioni di visione sulle piattaforme Intel, incluse le VPU e le CPU.
Intel® Wi-Fi 6 e Intel 5G Grazie al supporto per i più recenti standard Wi-Fi e 5G, Intel sta semplificando il processo di connessione degli strumenti in laboratorio. La connettività ad alta velocità consente il controllo da remoto, il monitoraggio in tempo reale e altri casi di utilizzo dall'edge al cloud.

Promuovere il laboratorio del futuro

L'Internet delle cose ha già iniziato ad abbattere i compartimenti stagni dei dati e a creare un nuovo livello di automazione. Le immagini microscopiche vengono elaborate in tempo reale. I risultati degli esperimenti possono essere analizzati e condivisi con i laboratori di tutto il mondo. I dati dei sensori possono essere applicati agli algoritmi di IA per informare la manutenzione predittiva, il che a sua volta previene i tempi di inattività dello strumento.

Le tecnologie di elaborazione, storage e di rete più rapide continueranno a migliorare l'efficienza del laboratorio del futuro. Ad esempio, i ricercatori del Translational Genomics Research Institute (TGen) stanno eseguendo il sequenziamento dei genomi dei pazienti, realizzando pertanto l'analisi genomica su un'infrastruttura di elaborazione ad alte prestazioni (HCP) con processori scalabili Intel® Xeon®. L'uso del moderno hardware HPC per l'analisi più rapida consente ai medici e ai consulenti genetici di individuare le opzioni di trattamento più tempestive. L'hardware HPC moderno fornisce anche una base che consente ai ricercatori di applicare i metodi di apprendimento automatico a enormi quantità di dati, rivelando informazioni in grado di portare la medicina di precisione verso nuove vette.

TGen ha costruito un'infrastruttura di elaborazione HPC ad alte prestazioni. Ottimizzata per le scienze della vita, include i processori scalabili Intel® Xeon®, memoria Intel® Optane™ e server rack Dell.

Con l'intensificarsi dei collegamenti e dell'automazione tra laboratori clinici, di ricerca e farmaceutici, Intel fornirà una base di tecnologie per il trasferimento, l'archiviazione e l'elaborazione dei dati in modo efficiente. Sia che si tratti dell'analisi genomica nel cloud o dei bracci robotici nell'edge, le tecnologie Intel® consentono l'intelligenza a ogni livello del laboratorio automatico.

Domande ricorrenti

L'automazione dei laboratori utilizza la robotica, l'IA e altre tecnologie per l'automazione delle attività manuali e ad alto volume nei laboratori clinici o di ricerca.

L'automazione è in grado di accelerare i tempi di risposta e le scoperte nei laboratori sia clinici che di ricerca. Tra questi laboratori figurano laboratori ospedali, aziende farmaceutiche e biotecniche, università e altri istituti di ricerca.

La robotica e l'automazione dei laboratori sono dotate di una gamma di hardware e software, talvolta dotati di funzionalità speciali per la visione artificiale o altre tipologie di IA.

Maggiori risorse nei settori della salute e delle scienze della vita

Maggiori informazioni sulle più recenti tecnologie per i fornitori sanitari, i sistemi sanitari e i professionisti delle scienze della vita.

Tecnologia della salute e delle scienze della vita

I settori della salute e delle scienze della vita stanno avanzando grazie all'imaging medico con tecnologia Intel®, all'analisi dei dati, alla genomica, alla telemedicina e alla robotica.

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Accelerazione della scoperta dei farmaci

Intel ha collaborato con Novartis al fine di accelerare lo screening ad alto contenuto, elemento fondamentale della scoperta dei nuovi farmaci, utilizzando le reti neurali convoluzionali multi-scala (CNN).

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Accelerazione della ricerca genomica

Intel e Broad Institute stanno collaborando alle soluzioni di data center per l'analisi dei genomi e alla ricerca in tutto il mondo.

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Medicina di precisione

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IA nell'assistenza sanitaria e nelle scienze naturali

L'IA nell'assistenza sanitaria e nelle sciente naturali contribuisce a promuovere l'efficienza e a migliorare l'assistenza nell'imaging medico, nell'automazione dei laboratori e in altri ambiti.

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I robot medici forniscono assistenza chirurgica e semplificano la logistica ospedaliera, consentendo ai fornitori di prestare maggiore attenzione ai pazienti.

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Edge computing

L'Edge computing colloca i server, i dispositivi e l'elaborazione dei dati in punti diversi, laddove sono necessarie le risorse.

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Avvisi e limitazioni alla responsabilità

Le tecnologie Intel® potrebbero richiedere hardware e software abilitati o attivazione di servizi.

Nessun prodotto o componente è totalmente sicuro.

Costi e risultati possono variare.

Informazioni su prodotti e prestazioni

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di 20 volte in base alla velocità di 21,7 volte ottenuta scalando da un sistema a singolo nodo a un cluster a 8 socket. Configurazione nodo del cluster a 8 socket: CPU: processore Intel® Xeon® 6148 a 2,4 GHz, core: 40, socket: 2, Hyper-threading: attivo, Memoria/nodi: 192 GB, 2666 MHz, NIC: Intel® Omni-Path Host Fabric Interface (Intel® OP HFI), TensorFlow: v1.7.0, Horovod: 0.12.1, Open MPI: 3.0.0, Cluster: Switch Top of the Rack (ToR): Intel® Omni-Path Switch. Configurazione a singolo nodo: CPU: processore Intel® Xeon Phi™ 7290F, RAM DDR4 da 192 GB, 1 SSD Intel® DC da 1,6 TB serie S3610 SC2BX016T4, 1 SSD Intel® DC da 480 GB serie S3520 SCBB480G7, Intel® Math Kernel Library (Intel® MKL) 2017/DAAL/Intel Caffe. *Referenze: BBBC-021: Ljosa V, Sokolnicki KL, Carpenter AE, Annotated high-throughput microscopy image sets for validation, Nature Methods, 2012. ImageNet: Russakovsky O et al, ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge, IJCV, 2015. TensorFlow: Abadi M et al, Large-Scale Machine Learning on Heterogeneous Systems, Software available from tensorflow.org. I test documentano le prestazioni dei componenti nell'ambito di un particolare test, in sistemi specifici. Qualsiasi differenza nell'hardware, nel software o nella configurazione potrebbe influire sulle prestazioni effettive. Consultare altre fonti di informazioni per valutare le prestazioni prima di un eventuale acquisto. Per informazioni più complete sulle prestazioni e i risultati dei benchmark, consultare www.intel.com/benchmarks. Le caratteristiche e i vantaggi delle tecnologie Intel® dipendono dalla configurazione di sistema e potrebbero richiedere hardware e software abilitati o l'attivazione di servizi. Le prestazioni variano in base alla configurazione di sistema. Nessun sistema informatico può essere totalmente sicuro. Rivolgersi al produttore o al rivenditore del sistema o consultare informazioni più approfondite all'indirizzo intel.it.

2“Advantages and limitations of total laboratory automation: a personal overview,” Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (CCLM), febbraio 2019, degruyter.com/view/journals/cclm/57/6/article-p802.xml.
3"Advantages and limitations of total laboratory automation: a personal overview", Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (CCLM), febbraio 2019,  degruyter.com/view/journals/cclm/57/6/article-p802.xml.
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Le prestazioni variano in base all'utilizzo, alla configurazione e ad altri fattori. Maggiori informazioni su www.Intel.com/PerformanceIndex.