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实验室自动化的发展历程

发布时间:2022-06-10 15:37
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编者按 目前的各类实验室基本上都是属于非常消耗人力和时间的劳动密集型场所,而且还容易出现人工操作产生的差错。这种现状决定了需要由低通量的人工操作向高通量的自动化操作模式转变,实验室自动化无疑解决了这个问题。

曼森生物是一家为生命科学领域实验室自动化建设提供高品质创新产品、技术支撑和全实验室自动化解决方案的高新技术企业,拥有自主知识产权和实力强大的技术研发团队,始终坚持将生命科学实验和AI及高通量自动化实验相结合,致力于为合成生物学、生物医药、医疗医学检测及食品安全检验检测实验室提供全方位全流程自动化和智能化综合解决方案,产品涵盖从食品安全、药品安全到生命科学领域智能机器人自动化工作站系统、全流程检验检测实验室自动化以及配套自动化和智能化仪器设备及相关耗材等。

曼森无人化实验室局部




实验室自动化发展史

实验室自动化是通过“机器人换人”、“人工智能替代人类智能”的现代技术,对传统劳动密集型实验室进行技术革命,实现无人化、精准化和高效化的效果,其技术特点是自动化、智能化和云端化。实验室自动化的应用市场包括医药研发、生物学、医学检验、食品药品安全检验检测、环境和水质监测等领域,这些领域都是目前全世界各国关注的热点问题。

实验室自动化和智能化正在成为一种趋势,就像工厂的自动流水线一样,实验室机器人会按照标准化的工作流程完成实验操作。未来我们把这类融合了自动化、实验室机器人、人工智能、大数据、物联网、云计算等信息技术以及现代化学和生物基础知识的实验室称为智慧实验室。

实验室自动化发展大体上经历4个主要阶段

实验室自动化1.0阶段

实验室自动化1.0是指单一设备自动化,属于设备自动化范畴,功能比较单一,一个自动化设备往往只有一种或一两种功能,需要人来操作使用,只解决了检测工艺流程中的一步或一两步。例如自动化配液,自动化称量,自动化离心,自动化消解以及自动化测试等操作,如乳品质量检测中使用的乳品分析仪(图1)、功能食品检测电子舌(图2)等,这些设备在乳品质量安全检测中执行比较单一的地特定功能检测。


图1 乳品分析仪

图2 功能食品检测电子舌

这些单个设备零散分布在实验室的不同地方,人工操作单个设备仪器,功能单一,国内相当多的实验室处于该实验室自动化1.0阶段

实验室自动化2.0阶段

实验室自动化2.0是指工作站形式的自动化,仍然属于设备自动化范畴。一台设备整合了多种功能,一个批次可以处理一定数量的样品,一个批次内可以做到无人值守,批次之间需要人工补料和下料。例如,液体处理工作站(图3)


图3 液体处理工作站

实验室自动化3.0阶段

实验室自动化3.0是指流水线形式的自动化,自动化设备与设备之间自动传输样品,实现了全实验室自动化,多以流水线形式呈现,类似于工业自动化,包括自动化样本运输、自动化开盖压盖、自动化离心、自动化混合、自动化过滤以及自动化上机检测等。流水线形式自动化应用最多的是医学检验,如生化检测自动化流水线、免疫检测自动化流水线、血液检测自动化流水线、微生物检测自动化流水线等(图4)

图4 生化免疫自动化流水线

实验室自动化3.0的出现大多是在医学检验和生物医药等领域,主要是由于这些特殊领域检验时效性要求和工作重复繁重特点,这种社会需求使该领域成为实验室自动化3.0的排头兵,目前国内在医学检验领域基本普遍采用该流水线自动化工作方式。


实验室自动化4.0阶段

实验室自动化4.0是指智能化自动化的实验室,属于流程自动化,在全实验室自动化3.0基础上,加入人工智能,实验室自动化4.0技术,不仅仅代替劳动力,而且还代替了一部分脑力劳动,具有机器学习、自动判断、自我决策能力,这里自动化实验室多用在研究型实验室领域,特别是解决多品种、小批量、多批次、高时效的检测需求,在全实验室自动化基础上,融入机器深度学习等人工智能,即实验室智能化操作和管理,通过对智能实验室机器人发出指令,进行所有的实验室操作,包括样品前处理、分析检测和实验数据的处理,并可以循环往复地进行,如利物浦大学的案例(图5)、伊利诺伊大学的案例、zymergen、ginkgo等公司的应用。曼森生物正在为合成生物学、医药、食品领域开发实验室自动化4.0的技术解决方案(图6、图7)

图5 人工智能机器人科学家

图6 曼森生物合成生物学自动化实验室

图7 曼森生物食品药品检验实验室

实验室自动化4.0已成为未来实验室建设的趋势,将引领现代化高效低碳实验室自动化建设的方向。


云端实验室

云端实验室是指科学家可以通过网络浏览器登录在线云实验室平台,在一张空白画板上,画出想要制造的分子化合物框架结构,平台使用机器学习来预测所需的成分和混合的顺序,然后将指令发送到远程实验室的机器人去执行。云端实验室结合有自动化仪器设备、实验室机器人、人工智能和云计算平台的集成化实验室,实验人员只需远程设定好实验步骤,远程实验室机器人就可以在云端实验室接受指令负责解决下游的实验操作过程,并将实验数据反馈给实验技术人员。在全球目前比较成规模的商业化云端实验室有Emerald Cloud Lab和Strateos等公司。国际商业机器公司IBM也建立了一个名为RoboRXN的云端制药实验室(图8),该实验室能使科学家足不出户就能设计并合成新分子。科学家只需在浏览器上登录便可进入实验室,在服务器上画出需要制造的分子骨架结构,平台会将指令发送给远程实验室里的机器人来执行这个过程,实验完成后平台就会将结果报告发送给科学家。

图8 RoboRXN化学实验室机器人科学家


文章来源:本文由上海曼森生物整理提供

内容审核:郝玉有博士

排版校对:刘娟娟编辑

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