實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的發(fā)展歷程

目前的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室基本上都是屬于非常消耗人力和時(shí)間的勞動(dòng)密集型場(chǎng)所，而且還容易出現(xiàn)人工操作產(chǎn)生的差錯(cuò)。這種現(xiàn)狀決定了需要由低通量的人工操作向高通量的自動(dòng)化操作模式轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化無(wú)疑解決了這個(gè)問(wèn)題。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化發(fā)展史

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化是通過(guò)“機(jī)器人換人”、“人工智能替代人類(lèi)智能”的現(xiàn)代技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)改革，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、精準(zhǔn)化和高效化的效果，其技術(shù)特點(diǎn)是自動(dòng)化、智能化和云端化。實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的應(yīng)用市場(chǎng)包括醫(yī)藥研發(fā)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品藥品安全檢驗(yàn)檢測(cè)、環(huán)境和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都是目前全世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和智能化正在成為一種趨勢(shì)，就像工廠的自動(dòng)流水線一樣，實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程完成實(shí)驗(yàn)操作。未來(lái)我們把這類(lèi)融合了自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)以及現(xiàn)代化學(xué)和生物基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)為智慧實(shí)驗(yàn)室。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化發(fā)展大體上經(jīng)歷4個(gè)主要階段。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化1.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化1.0是指單一設(shè)備自動(dòng)化，屬于設(shè)備自動(dòng)化范疇，功能比較單一，一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備往往只有一種或一兩種功能，需要人來(lái)操作使用，只解決了檢測(cè)工藝流程中的一步或一兩步。例如自動(dòng)化配液，自動(dòng)化稱(chēng)量，自動(dòng)化離心，自動(dòng)化消解以及自動(dòng)化測(cè)試等操作，如乳品質(zhì)量檢測(cè)中使用的乳品分析儀（圖1）、功能食品檢測(cè)電子舌（圖2）等，這些設(shè)備在乳品質(zhì)量安全檢測(cè)中執(zhí)行比較單一的地特定功能檢測(cè)。
 

圖1乳品分析儀
 

圖2功能食品檢測(cè)電子舌

這些單個(gè)設(shè)備零散分布在實(shí)驗(yàn)室的不同地方，人工操作單個(gè)設(shè)備儀器，功能單一，國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)室處于該實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化1.0階段。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化2.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化2.0是指工作站形式的自動(dòng)化，仍然屬于設(shè)備自動(dòng)化范疇。一臺(tái)設(shè)備整合了多種功能，一個(gè)批次可以處理一定數(shù)量的樣品，一個(gè)批次內(nèi)可以做到無(wú)人值守，批次之間需要人工補(bǔ)料和下料。例如，液體處理工作站（圖3）
 

圖3 液體處理工作站

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化3.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化3.0是指流水線形式的自動(dòng)化，自動(dòng)化設(shè)備與設(shè)備之間自動(dòng)傳輸樣品，實(shí)現(xiàn)了全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化，多以流水線形式呈現(xiàn)，類(lèi)似于工業(yè)自動(dòng)化，包括自動(dòng)化樣本運(yùn)輸、自動(dòng)化開(kāi)蓋壓蓋、自動(dòng)化離心、自動(dòng)化混合、自動(dòng)化過(guò)濾以及自動(dòng)化上機(jī)檢測(cè)等。流水線形式自動(dòng)化應(yīng)用最多的是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)，如生化檢測(cè)自動(dòng)化流水線、免疫檢測(cè)自動(dòng)化流水線、血液檢測(cè)自動(dòng)化流水線、微生物檢測(cè)自動(dòng)化流水線等（圖4）。
 

圖4 生化免疫自動(dòng)化流水線

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化3.0的出現(xiàn)大多是在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，主要是由于這些特殊領(lǐng)域檢驗(yàn)時(shí)效性要求和工作重復(fù)繁重特點(diǎn)，這種社會(huì)需求使該領(lǐng)域成為實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化3.0的排頭兵，目前國(guó)內(nèi)在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)領(lǐng)域基本普遍采用該流水線自動(dòng)化工作方式。
 

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化4.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化4.0是指智能化自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)室，屬于流程自動(dòng)化，在全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化3.0基礎(chǔ)上，加入人工智能，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化4.0技術(shù)，不僅僅代替勞動(dòng)力，而且還代替了一部分腦力勞動(dòng)，具有機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)判斷、自我決策能力，這里自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室多用在研究型實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，特別是解決多品種、小批量、多批次、高時(shí)效的檢測(cè)需求，在全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化基礎(chǔ)上，融入機(jī)器深度學(xué)習(xí)等人工智能，即實(shí)驗(yàn)室智能化操作和管理，通過(guò)對(duì)智能實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人發(fā)出指令，進(jìn)行所有的實(shí)驗(yàn)室操作，包括樣品前處理、分析檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，并可以循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，如利物浦大學(xué)的案例（圖5）、伊利諾伊大學(xué)的案例、zymergen、ginkgo等公司的應(yīng)用。曼森生物正在為合成生物學(xué)、醫(yī)藥、食品領(lǐng)域開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化4.0的技術(shù)解決方案（圖6、圖7）。
 

圖5 人工智能機(jī)器人科學(xué)家
 

圖6 曼森生物食品藥品檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室


圖7 曼森生物合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化4.0已成為未來(lái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的趨勢(shì)，將引領(lǐng)現(xiàn)代化高效低碳實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化建設(shè)的方向。

云端實(shí)驗(yàn)室

云端實(shí)驗(yàn)室是指科學(xué)家可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄在線云實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，在一張空白畫(huà)板上，畫(huà)出想要制造的分子化合物框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)所需的成分和混合的順序，然后將指令發(fā)送到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人去執(zhí)行。云端實(shí)驗(yàn)室結(jié)合有自動(dòng)化儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人、人工智能和云計(jì)算平臺(tái)的集成化實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)人員只需遠(yuǎn)程設(shè)定好實(shí)驗(yàn)步驟，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人就可以在云端實(shí)驗(yàn)室接受指令負(fù)責(zé)解決下游的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員。在全球目前比較成規(guī)模的商業(yè)化云端實(shí)驗(yàn)室有Emerald Cloud Lab和Strateos等公司。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司IBM也建立了一個(gè)名為RoboRXN的云端制藥實(shí)驗(yàn)室（圖8），該實(shí)驗(yàn)室能使科學(xué)家足不出戶(hù)就能設(shè)計(jì)并合成新分子�？茖W(xué)家只需在瀏覽器上登錄便可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在服務(wù)器上畫(huà)出需要制造的分子骨架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)會(huì)將指令發(fā)送給遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的機(jī)器人來(lái)執(zhí)行這個(gè)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)完成后平臺(tái)就會(huì)將結(jié)果報(bào)告發(fā)送給科學(xué)家。
 

圖8 RoboRXN化學(xué)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人科學(xué)家

 

曼森生物是一家為生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室自動(dòng)化建設(shè)提供高品質(zhì)創(chuàng)新產(chǎn)品、技術(shù)支撐和全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化解決方案的高新技術(shù)企業(yè)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和實(shí)力強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，始終堅(jiān)持將生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)和AI及高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，致力于為合成生物學(xué)、生物醫(yī)藥、醫(yī)療醫(yī)學(xué)檢測(cè)及食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室提供全方位全流程自動(dòng)化和智能化綜合解決方案，產(chǎn)品涵蓋從食品安全、藥品安全到生命科學(xué)領(lǐng)域智能機(jī)器人自動(dòng)化工作站系統(tǒng)、全流程檢驗(yàn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化以及配套自動(dòng)化和智能化儀器設(shè)備及相關(guān)耗材等。
 

曼森無(wú)人化實(shí)驗(yàn)室局部

文章來(lái)源：本文由上海曼森生物整理提供                                        

內(nèi)容審核：郝玉有博士                                                                

排版校對(duì)：劉娟娟編輯                                                                

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