目前的各類實驗室基本上都是屬于非常消耗人力和時間的勞動密集型場所，而且還容易出現(xiàn)人工操作產(chǎn)生的差錯。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化操作模式轉(zhuǎn)變，實驗室自動化無疑解決了這個問題。
 

實驗室自動化發(fā)展史

實驗室自動化是通過“機器人換人”、“人工智能替代人類智能”的現(xiàn)代技術(shù)，對傳統(tǒng)勞動密集型實驗室進行技術(shù)改革，實現(xiàn)無人化、精準化和高效化的效果，其技術(shù)特點是自動化、智能化和云端化。實驗室自動化的應用市場包括醫(yī)藥研發(fā)、生物學、醫(yī)學檢驗、食品藥品安全檢驗檢測、環(huán)境和水質(zhì)監(jiān)測等領域，這些領域都是目前全世界各國關注的熱點問題。
 

實驗室自動化和智能化正在成為一種趨勢，就像工廠的自動流水線一樣，實驗室機器人會按照標準化的工作流程完成實驗操作。未來我們把這類融合了自動化、實驗室機器人、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)以及現(xiàn)代化學和生物基礎知識的實驗室稱為智慧實驗室。
 

實驗室自動化發(fā)展大體上經(jīng)歷4個主要階段。
 

實驗室自動化1.0階段

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

圖1乳品分析儀
 

圖2功能食品檢測電子舌

這些單個設備零散分布在實驗室的不同地方，人工操作單個設備儀器，功能單一，國內(nèi)相當多的實驗室處于該實驗室自動化1.0階段。
 

實驗室自動化2.0階段

實驗室自動化2.0是指工作站形式的自動化，仍然屬于設備自動化范疇。一臺設備整合了多種功能，一個批次可以處理一定數(shù)量的樣品，一個批次內(nèi)可以做到無人值守，批次之間需要人工補料和下料。例如，液體處理工作站（圖3）
 

圖3 液體處理工作站

實驗室自動化3.0階段

實驗室自動化3.0是指流水線形式的自動化，自動化設備與設備之間自動傳輸樣品，實現(xiàn)了全實驗室自動化，多以流水線形式呈現(xiàn)，類似于工業(yè)自動化，包括自動化樣本運輸、自動化開蓋壓蓋、自動化離心、自動化混合、自動化過濾以及自動化上機檢測等。流水線形式自動化應用最多的是醫(yī)學檢驗，如生化檢測自動化流水線、免疫檢測自動化流水線、血液檢測自動化流水線、微生物檢測自動化流水線等（圖4）。
 

圖4 生化免疫自動化流水線

實驗室自動化3.0的出現(xiàn)大多是在醫(yī)學檢驗和生物醫(yī)藥等領域，主要是由于這些特殊領域檢驗時效性要求和工作重復繁重特點，這種社會需求使該領域成為實驗室自動化3.0的排頭兵，目前國內(nèi)在醫(yī)學檢驗領域基本普遍采用該流水線自動化工作方式。
 

實驗室自動化4.0階段

實驗室自動化4.0是指智能化自動化的實驗室，屬于流程自動化，在全實驗室自動化3.0基礎上，加入人工智能，實驗室自動化4.0技術(shù)，不僅僅代替勞動力，而且還代替了一部分腦力勞動，具有機器學習、自動判斷、自我決策能力，這里自動化實驗室多用在研究型實驗室領域，特別是解決多品種、小批量、多批次、高時效的檢測需求，在全實驗室自動化基礎上，融入機器深度學習等人工智能，即實驗室智能化操作和管理，通過對智能實驗室機器人發(fā)出指令，進行所有的實驗室操作，包括樣品前處理、分析檢測和實驗數(shù)據(jù)的處理，并可以循環(huán)往復地進行，如利物浦大學的案例（圖5）、伊利諾伊大學的案例、zymergen、ginkgo等公司的應用。曼森生物正在為合成生物學、醫(yī)藥、食品領域開發(fā)實驗室自動化4.0的技術(shù)解決方案（圖6、圖7）。
 

圖5 人工智能機器人科學家
 

圖6 曼森生物食品藥品檢驗實驗室


圖7 曼森生物合成生物學實驗室

實驗室自動化4.0已成為未來實驗室建設的趨勢，將引領現(xiàn)代化高效低碳實驗室自動化建設的方向。

云端實驗室

云端實驗室是指科學家可以通過網(wǎng)絡瀏覽器登錄在線云實驗室平臺，在一張空白畫板上，畫出想要制造的分子化合物框架結(jié)構(gòu)，平臺使用機器學習來預測所需的成分和混合的順序，然后將指令發(fā)送到遠程實驗室的機器人去執(zhí)行。云端實驗室結(jié)合有自動化儀器設備、實驗室機器人、人工智能和云計算平臺的集成化實驗室，實驗人員只需遠程設定好實驗步驟，遠程實驗室機器人就可以在云端實驗室接受指令負責解決下游的實驗操作過程，并將實驗數(shù)據(jù)反饋給實驗技術(shù)人員。在全球目前比較成規(guī)模的商業(yè)化云端實驗室有Emerald Cloud Lab和Strateos等公司。國際商業(yè)機器公司IBM也建立了一個名為RoboRXN的云端制藥實驗室（圖8），該實驗室能使科學家足不出戶就能設計并合成新分子�？茖W家只需在瀏覽器上登錄便可進入實驗室，在服務器上畫出需要制造的分子骨架結(jié)構(gòu)，平臺會將指令發(fā)送給遠程實驗室里的機器人來執(zhí)行這個過程，實驗完成后平臺就會將結(jié)果報告發(fā)送給科學家。
 

圖8 RoboRXN化學實驗室機器人科學家

 

曼森生物是一家為生命科學領域?qū)嶒炇易詣踊�建設提供高品質(zhì)創(chuàng)新產(chǎn)品、技術(shù)支撐和全實驗室自動化解決方案的高新技術(shù)企業(yè)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和實力強大的技術(shù)研發(fā)團隊，始終堅持將生命科學實驗和AI及高通量自動化實驗相結(jié)合，致力于為合成生物學、生物醫(yī)藥、醫(yī)療醫(yī)學檢測及食品安全檢驗檢測實驗室提供全方位全流程自動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領域智能機器人自動化工作站系統(tǒng)、全流程檢驗檢測實驗室自動化以及配套自動化和智能化儀器設備及相關耗材等。
 

曼森無人化實驗室局部

文章來源：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：劉娟娟編輯                                                                

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