目前的各類實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室自動化無疑解決了這個問題。
 

實(shí)驗(yàn)室自動化發(fā)展史

實(shí)驗(yàn)室自動化是通過“機(jī)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)改革，實(shí)現(xiàn)無人化、精準(zhǔn)化和高效化的效果，其技術(shù)特點(diǎn)是自動化、智能化和云端化。實(shí)驗(yàn)室自動化的應(yīng)用市場包括醫(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、環(huán)境和水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都是目前全世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
 

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室機(jī)器人會按照標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程完成實(shí)驗(yàn)操作。未來我們把這類融合了自動化、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)知識的實(shí)驗(yàn)室稱為智慧實(shí)驗(yàn)室。
 

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

實(shí)驗(yàn)室自動化1.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動化1.0是指單一設(shè)備自動化，屬于設(shè)備自動化范疇，功能比較單一，一個自動化設(shè)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(shè)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(shè)備零散分布在實(shí)驗(yàn)室的不同地方，人工操作單個設(shè)備儀器，功能單一，國內(nèi)相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)室處于該實(shí)驗(yàn)室自動化1.0階段。
 

實(shí)驗(yàn)室自動化2.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動化2.0是指工作站形式的自動化，仍然屬于設(shè)備自動化范疇。一臺設(shè)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(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)室自動化3.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動化3.0是指流水線形式的自動化，自動化設(shè)備與設(shè)備之間自動傳輸樣品，實(shí)現(xiàn)了全實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jī)檢測等。流水線形式自動化應(yīng)用最多的是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室自動化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)時效性要求和工作重復(fù)繁重特點(diǎn)，這種社會需求使該領(lǐng)域成為實(shí)驗(yàn)室自動化3.0的排頭兵，目前國內(nèi)在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)領(lǐng)域基本普遍采用該流水線自動化工作方式。
 

實(shí)驗(yàn)室自動化4.0階段

實(shí)驗(yàn)室自動化4.0是指智能化自動化的實(shí)驗(yàn)室，屬于流程自動化，在全實(shí)驗(yàn)室自動化3.0基礎(chǔ)上，加入人工智能，實(shí)驗(yàn)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(jī)器學(xué)習(xí)、自動判斷、自我決策能力，這里自動化實(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、高時效的檢測需求，在全實(shí)驗(yàn)室自動化基礎(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，通過對智能實(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)域開發(fā)實(shí)驗(yàn)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(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)室自動化4.0已成為未來實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的趨勢，將引領(lǐng)現(xiàn)代化高效低碳實(shí)驗(yàn)室自動化建設(shè)的方向。

云端實(shí)驗(yàn)室

云端實(shí)驗(yàn)室是指科學(xué)家可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄在線云實(shí)驗(yàn)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(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測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。國際商業(yè)機(jī)器公司IBM也建立了一個名為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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的機(jī)器人來執(zhí)行這個過程，實(shí)驗(yàn)完成后平臺就會將結(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(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)檢測及食品安全檢驗(yàn)檢測實(shí)驗(yàn)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(xué)領(lǐng)域智能機(jī)器人自動化工作站系統(tǒng)、全流程檢驗(yàn)檢測實(shí)驗(yàn)室自動化以及配套自動化和智能化儀器設(shè)備及相關(guān)耗材等。
 

曼森無人化實(shí)驗(yàn)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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