敢问生物实验室自动化的未来之路在何方？

1、第一阶段：自动化

——从凌晨四点的星辰到实验室自动化需求

实验室科学家会说，“我们守过凌晨1234点钟的星星月亮，待到56点钟的旭日东升。”；“没有半夜23点钟起床去实验室关仪器的经历，人生是不完整的”；“没有夜半被美梦惊醒的，梦见流动相已经抽空的，不是真正的实验人。”……对于科学家们而言，这些令人“头秃”的“趣味并无奈着”的生活已经是日常了。

聪明的人开始挖掘生命科学实验室场景下科学家们的多样需求，突出解决实验室科学家们的痛点，让科学家们只需要安心做科研，不必担心“实验室中大量重复工作，一个环节错了又得重新开始”的“魔咒”。

随着实验规模扩大，实验室诸多阻碍越来越明显，如实验室管理合规风险；实验室人员工作稳定性和发展路径不明；数据非标准化管理和处理；以及大量人力重复性劳动带来的流程不可控、效率低等问题。

于是乎，出现了以液体处理自动化工作站为代表的实验室科研工具，能够帮助科学家们提高科研效率，缩短科研成果产出周期；出现了以ELN\SDMS\LIMS等实验室管理软件，能够帮助科学家对实验数据管理的科学化、标准化、合规化。

随着创新药企、检验检测等机构的不断涌现，实验室基础建设的逐渐完善，国内实验室开始向数字化、智能化迭代升级，逐渐从野蛮生长向精耕细作进化，从劳动密集型向脑力密集型转变。于是乎，对实验室自动化提出了更高的要求......

2、第二阶段：智能化

——综合性、系统性、灵活性、开放性缺一不可

实验室自动化是指将工业自动化技术融入到实验室流程中，以实现特定实验步骤乃至整个工作流自动化运行的产品。最基础的实验室自动化模块能够实现简单的样品转移、加样、分装、稀释等操作。在此基础上进一步融合协作机械臂、AGV小车、滑轨等自动化硬件以及实验室仪器设备，并通过自动化总控软件进行控制，即能够完成既定的复杂实验室流程。

但，实验室自动化与工业自动化又有诸多不同，实验室自动化更灵活，具有多品种、小批量、多批次，一个机器人干多种事情或多个机器人协同做多件事，变化的动作流程，个性化需求与共性化技术相结合等特点，需要有强大的控制和调度软件。

（来自于：上海汉赞迪生命科技有限公司高通量蛋白药物发现和筛选自动化解决方案KOL客户场景图）

那么，一个理想的实验室自动化智能化系统应当具备哪些特性呢？根据笔者的相关调研反馈以及深度思考，未来的实验室自动化智能化系统必须在以下几个方面实现突破：

① 综合性：并不局限于自家仪器设备的连接，而且可以与其他任何厂家的分析仪器以及相关设备进行连接；这不仅仅是仪器与仪器之间通过机器人的物理连接，更重要的是软件与软件、软件与硬件之间的对话和链接。

借助自有设备和市面上已有的仪器设备，可以完成几乎所有常见的生物实验操作：移液、离心、孵育、细胞培养、PCR、菌落挑选、分液、贴标、扫码、酶标仪读板、高内涵、震荡、开关盖、撕膜、封膜、凝胶电泳、流式细胞、核酸提取、孔板搬运等等。

以汉赞迪的“全自动化超高通量病毒核酸检测系统”为例，这一全自动化工作站采用机械臂及智能化管理软件，整合了核酸提取仪、自动快速分液器、qPCR扩增分析仪等设备。该系统能够实现从开盖分杯到核酸提取，PCR体系构建，再到封膜和qPCR检测的全流程自动化。同时该系统内置HEPA过滤系统和紫外消毒系统，并配有传递窗，实施严格的PCR前后分区，保证生物安全的同时也符合相关法律法规的要求。

（图片来自于：上海汉赞迪生命科技有限公司全自动化超高通量病毒核酸检测系统）

② 系统性：能够将实验室硬件、软件和耗材整合于统一平台之中，实现了多样性场景下从入口到出口的全流程智能协调；实现“分析前-分析中-分析后”硬件及软件支持，信息系统完整；真正实现从“样本进”到“结果出”的闭环管理。

③ 灵活性：整个系统可以根据实验室场地要求，进行多种摆放方式以及组合方式；

④ 开放性：各个单元系统或者仪器设备既相互协作又相对独立，各单元系统均可独立运作；

表面上看“开放性”和“综合性”有矛盾之处，但这未尝不是生物实验室自动化智能化的探索之路。

3.  寄语当下的“我”

——“敢问路在何方，路在脚下......”

对于众多普通的实验室，尽管有众多的分析仪器可以实现自动化的检测，但是前期的样品处理方面，运用自动化系统程度非常低，分析之前的样品前处理是需要消耗大量的人工，而且很多重复性繁琐性的工作，需要低质量重复性的操作，处理时间长，人工成本高，实验结果重复性差，因此样品处理是需要自动化的，一方面，目前市面上也推出一些标准化的自动移液系统，但是这类设备一般只集中在移液配液方面。

然而，实验室中粉末及固体颗粒的称量也是人工操作完成，在样本量比较大的情况下，就很繁琐，急需自动化的称量，如果与后续样品溶解转移相结合的话，就更需要称量校准和液体处理工作站的集成。另外，在合成领域自动化程度也较低，合成涉及的样品、条件比较复杂，需要更加复杂的集成能力。

实验室自动化智能化系统是一个多专业、多技术综合的密集型系统工程；要能够用生命科学语言对话科学家，精准地翻译和转化生命科学的需求；强调的是多科学均衡、成熟、稳定的技术集成；需要多专业、多学科的技术人员紧密配合；更需要有长期稳定的团队建设和资金投入；以不断地进行探索、改进与发展。因此，国内能够做好这类系统产品的厂商还不太多。

吾辈当自强......

4.  寄语当下的“你”

——落地实验室智能化建设，没那么简单

实验室自动化虽然在解放人力、提高工作效率和检测溯源性等方面的优势非常明显，但其在众多国内实验室的应用推广上仍受到不少的限制，主要的限制因素除了“经费有限”、“样本数量不够”之外，对实验室自动化的认识存在误区，很多科研人员对自动化的认识还简单地停留在“比人工快”的认知水平上，实际上自动化的意义更多地在于实验结果的高度可重复性，降低人为操作的出错几率，实现无人值守，将实验人员从机械性重复性的低技术含量劳动中解放出来，将有限的时间投入到更高价值的劳动中去。实验室自动化的建设是一项综合性的系统工程，涉及面广，部门众多。

所以，各实验室应根据自身的实际情况和业务发展，结合投入经费、存储标本量、分析项目种类、科室工作流程、场地等具体情况进行总体规划，再分阶段分流程逐步落实建设，还要注意系统的兼容与扩展，最终实现大规模的实验室自动化智能化。

（本文编辑：刘立东）

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