非标自动化设备

前言20世纪60年代，出现的第一台微处理器，给机械化的实验室带来了新的机会和机遇。20世纪80年代计算机和软件技术的快速发展推动了实验室自动化的大规模应用。直至现在科技依旧在不断发展。随着物联网技术、人工智能还有机器学习技术快速发展，实验室自动化也发展到了一个新的阶段，从单一的功能向着全实验室自动化方向发展。人们对实验室自动化的定义可以分为狭义和广义：狭义的实验室自动化指通过实验获取数据、数据处理和获得实验结果这一过程的自动化；广义的理解包括科学实验、仿真、图像处理、计算机辅助设计、自动测量、自动检查、实验设备的控制、文献专利情报的管理、各种数据库、自动翻译、专家系统等。回顾整个实验室自动化的发展历程，大体经历了3个主要阶段：无自动化（即所有仪器都作为独立机器存在）、部分实验自动化（实验室分析仪与分析前工作站互连并部分集成）以及全实验自动化（即主要的分析前和分析后的步骤在与分析仪物理连接的工作站上自动执行，并由软件程序有效地管理）三个发展阶段。现如今，激烈的市场竞争需要让企业在短时间内实现产业化，谁先将想法变成现实谁就在这个领域占据了主动权，因此让研发过程加速成为了大家的共识，对实验室自动化的需求也愈加强烈。面对强烈的市场需求，实验室自动化不仅在国内，乃至全球都是风口的存在。据调查数据显示，2022 年全球实验室自动化设备市场规模为 68.7 亿美元，预计以 6.64%的 CAGR于 2030 年稳步增至 114.9 亿美元，而我国的实验室自动化渗透率低，市场规模约为8亿美元，超千亿市场空间广阔，外资垄断格局亟待突破。当前实验室自动化设备主要分为三类：标准化产品、非标准化产品、定制化产品，这几类产品并不是纯粹的全面代替演进关系，而是根据成本需求、通量要求以及客户情况，匹配不同的产品形式。本文将对这三类产品的特点、主流厂商及产品和应用领域做一个简单梳理。标准化产品所谓标准化产品指的是单模块形式自动化。这种产品功能比较单一，往往只有一种或者两种功能可以使每一个模块都有独立的操作能力。比如自动化样本运输、自动化样本存储、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。国内相当多的实验室处于该实验室自动化的单模块自动化阶段。主流厂商有安捷伦、帝肯、哈美顿等。此部分列出在仪器信息网参展的部分标准化产品：Agilent Bravo 自动液体处理平台帝肯（Tecan) Cavro Omni Flex 机械臂非标准化产品非标准化产品指的是为了与某个仪器设备进行整合联用，为它单独研发的一种模块。主要是为了提高该仪器的使用效率，例如代谢组学样品前处理平台。由于非标准产品的利润空间有限，不仅占据了公司的研发精力，还不具有复制性，因此从事该产品的研发公司相对较少。此部分列出在仪器信息网参展的部分非标准化产品：Agilent Bravo 代谢组学样品前处理平台（专为血浆代谢组学设计） NEMO 适用生物安全柜的自动移液系统（专为生物安全柜、超净工作台、通风柜等有限空间环境设计）定制化产品而定制化产品则是定制化的为某一个实验室进行设计，通过自动化产品代替人工操作环节，衔接实验的各个环节，最终变成一个全方位、全覆盖的自动化实验室。该类产品不仅代替劳动力，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，这类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。主流厂商主要有镁伽、汇像等。定制化产品效果图结语在中国，大多数实验室自动化的程度还主要停留在单模块形式上；只有个别领域实验室实现了定制化产品形式，其集成程度有限，在国内市场售价大都在百万人民币级别，客户包括药企、疾控中心、第三方检测中心等。未来实验室自动化将向着智能化的趋势发展，完全将人从实验室中抽离出来，实现更高层次的升维。

目前中医药研究正在发生范式的转变，从以往以发现单一靶点、单一机制、药物单体为导向的中医药学研究，逐步向建立符合中医药学规律的研究模式和方法学体系的方向发展。这种中药现代化研究方法的建立面临诸多挑战。中医药成分复杂性，中药和人体都是复杂体系，两者之间相互作用更加复杂，研究难度大。同时，中医药作用方式以低亲和性、弱相互作用关系为特点，发现相互之间的作用关联难，往往需要对提取物的上千种成分进行有效成分的确认和有效组合的分析，研究难度比一般的化学小分子药物筛选或生物大分子药物研究要大的多。这就使得新技术、新方法的引入，以及实验室自动化建设变得非常重要。中医科学院医学实验中心致力于建立以大型科学仪器设备和高端科学技术手段为基础的中医药实验技术支持体系和共享平台。实验中心联合镁伽科技，以探索和建立自动化、智能化中医药研究实验室，加速中医药科学研究和新药研发为目标，进行了很多尝试和突破。下面我们请中国中医科学院医学实验中心的陈鹏博士来介绍一下这次合作问目前镁伽科技和中医科学院联合做了哪些实验室自动化系统落地？答2021年7月中国中医科学院医学实验中心与镁伽科技签订协议，共建“中医药机器人智能实验室”。这是中医药领域首个以机器“智能”为研究核心的示范实验室，实验室建立的初心是以自动化、智能化加速中医药科学研究和新药研发，围绕中医药领域实验技术智能升级、中成药复杂作用解析、中药新药筛选三个目标发力。经过近一年的研发攻关，目前共建实验室已经实现部分常规实验技术的自动化替代，形成了可对外的技术服务能力；我们提出了蛋白质热稳定性芯片的概念，该方法可与自动化的系统连接，实现非标记复杂组分的体外药物和靶点筛选，非常适用于中医药研发的场景，相关的专利、科学文章已经在申请、发表过程中。另外，双方科学家也开展了多项技术合作，例如针对阿霉素心脏毒性的活性分子高通量筛选、合作开展中医药前沿技术论坛、双方科研人员联合参加了首届全国博士后创新创业大赛，并获得金奖。这些成果的取得体现了智能自动化在中医药领域应用的巨大潜力。问中医药机器人智能实验室给您的研究带来了哪些意义？答 中医药研发与生命科学、药学研究有共同的地方，都高度依赖于化学、生物学、药理学等基础学科的交叉应用，同时中医药成分又更加复杂，分析、筛选工作量更大，我们科研人员和学生需要花费大量时间去进行实验条件摸索，人工实验的精度和可重复性一直是困扰我们的痛点，之前我们也进行了一些自动化的尝试，例如自动化工作站、核酸提取仪的使用，但是这些仪器都是单流程的高通量，他们之间的串联仍然需要人工介入，无法实现全流程自动化工作。共建实验室在中医药机器智能领域迈出了关键的第一步，镁伽科技开发了普适性很强的智能自动化整合平台，帮助我们进行了个性化的全流程的实验体系整合，基于该平台我们部分常规实验操作已经实现了全流程无人化的工作，这样就节省了我们用在重复性实验上的时间，可以有更多的精力去查阅文献和思考科学问题。机器人自动化平台一期建设，利用镁伽自主开发的实验室自动化平台MegaFluent、智能机械臂系统将实验中心高通量工作站、酶标仪、洗板机等整合为自动化实验平台，实现了由单一流程自动化到系统实验的全流程自动。目前已经能够完成组分配伍、核酸提取、ELISA、多因子检测、基于体外靶点的药物筛选等多项自动化实验。 实验室自动化平台 MegaFluent 智能机械臂系统问一期自动化实验室平台与以前的手动模式相比，具体有哪些优势？答第一，自动化平台严格按照实验方案和流程设置进行，减少了人员在大量重复操作中可能导致的失误，同时实验过程能够精确追溯，实验结果可靠性更高，提高了人力、物力、时间的利用率。第二，自动化平台的移液精度，时间控制都比人工精确，通过对ELISA实验、PCR实验、BCA曲线测定等实验的实际测算，实验结果的CV值显著低于人工。以上两点确立了自动化平台在实验精度和可重复性上的优势。第三，自动化平台的效率更高。以ELISA实验为例，人工检测，每增加一块板，实验精度就降低一点，5块板以上，就很容易产生批间差异。但自动化平台可以最大限度地减少批间差异，同时能保证日检测量至少40块以上。问未来还会做哪些进一步的自动化联合的动作？答目前双方正在积极协商推进实验室的二期建设，二期建设将以中药特色基因文库、中药靶点以及新药高通量筛选等技术为基础打造中药新药发现与复杂作用智能解析平台，从智能自动化角度为解读中医药学原理作出贡献。镁伽将持续与中医科学院医学实验中心合作开发更多实验室自动化解决方案，以高通量的分子检测，助力中医药研究的自动化、智能化。

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）相关推荐：这场疫情后，生命科学仪器行业的未来趋势在哪里？——汉赞迪生命科技副总裁程小卫生物制药市场高速增长下,批量细胞系构建实验室的自动化探索【行业征稿】若您有生命科学、医药、临床等行业相关研究、技术、应用、管理经验等愿意以约稿形式共享，欢迎自荐或引荐投稿联系人：刘编辑word图文投稿邮箱：liuld @instrument.com.cn微信：JaysonXY（备注来意：投稿）