AI驱动下的实验室自动化构建与发展趋势.docx
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1、AI驱动下的实验室自动化构建与发展趋势实验室自动化(Labc)ratoryAUtoination)是指利用机器人技术、计算机控制系统和人工智能算法等现代技术手段,实现实验室样品处理、仪器操作、数据采集与分析全流程的智能化与无人化。其核心目标是通过替代人工操作来解放科研人力、简化实验流程、降低人为误差,同时显著提升实验的通量、速度、准确性和可重复性。随着Al的加持,实验室自动化进入了“大基建时代”。1、中国实验室自动化的发展进程2000-2019年:中国工业自动化奠定基础2000年后,中国的实验室自动化领域开始出现。2016年开始,中国市场的工业机器人累计销量位列世界第一。自动化设备需要的传感器
2、机械臂、流程控制设备等都已经有成熟的国产供应链,叠加中国工业自动化的人才供给的能力,为国内生命科学自动化设备发展奠定了基础。2020-2023年:疫情刺激了国产替代的进程2020年,新冠疫情催生了大量核酸样品的检测需求,进一步释放了自动化的空间,尽管大多业务在事后呈现了昙花一现的特点。多家公司在2021-2022年迅速获得融资,尤其整合类业务的实验室自动化公司获得融资金额最高,但事后显示该类本土公司的盈利能力堪忧。以工作站产品为核心业务的公司也逐步获得了融资,开始了加速进口替代的过程。当前实现国产替代的产品主要以中小型工作站为主。2025人工智能与实验室自动化融合阶段Nature2025年1
3、月发表综述文章中提到自驱动实验室Self-drivingLabs为2025年值得关注的七项技术之一。自动化与人工智能的结合一一自驱动实验室(Self-drivinglaboratories),其出现正彻底改变传统科研模式。2025年,AI+实验室自动化进入了高速发展通道:Al算法负责分析实验数据、预测可能的结果,并设计下一步实验流程。自动化机器人则负责执行这些实验,从物料准备到数据采集,实现全过程的自动化。现代实验室中的自动化流程早已超越简单的“流水线”模式,而是进入了智能化的协作阶段。目前有开源的Al科学家智能体,已经完成了Al读文献并生成实验方案的过程。2025年5月1日,美国FUtUre
4、HoUSe发布了首个公开可用的人工智能科学家,包含Crow、Falcon.OWI和PhoeniX四个智能体,科研能力超越人类博士。基于大量全文文献的访问能力,它们能详细解答关于实验方案、研究局限性和数据来源的复杂问题,避免了摘要信息的片面性。比如在研究多囊卵巢综合征(PCOS)时,Falcon可以快速整合临床试验数据、基因表达信息和前沿研究,提供完整的背景推理和假设验证路径,显著缩短了传统科研中耗费数周甚至数月的资料搜集时间。同时,CroW能识别出关键基因和潜在的研究空白,为后续实验提供了精准方向。这种“信息漏斗”式的深度分析,依托于未来之家的开放API,使得科研人员可以将智能体无缝集成到现有
5、工作流程中,极大提升科研效率。让我们畅想一下未来:科学家产生了一个Idea: 让Al科学家去读文献并生成若干实验方案; Al控制远端的无人自动化实验室开始实验; 实验产生的大量数据由Al自行分析; 最后生成一份结果报告发到了科学家的邮箱。一切,只需要在家动动手指。那么这个梦想离我们还有多远?2. Al与实验室自动化的结合现状目前Al的参与大多停留在辅助阶段:Al可以参与自然语言生成代码的环节;也可以通过Al软件进行实验数据的监控,生成和优化出成功率最高的实验条件,智能化的完成循环实验。1)国外案例:OpentronsAIOpentrons凭借其革命性的Al与自动化融合技术,与2025年7月斩获
6、AIBreakthroughAWardS“年度机器人流程自动化公司”(全球5,000项提名竞逐),标志其“AI+自动化”模式获国际背书。OpentronsAI构建了深度适配实验场景的智能中枢,其核心在于将人工智能与移液工作站深度融合:L自然语言协议生成:科学家只需输入如“将A板样品转移至B板,37。C震荡孵育30分钟”等自然语言指令,系统即自动生成可执行代码并完成设备路径规划,实现真正的“零代码”操作闭环。2.云端仿真预演:利用数字李生技术预测试验冲突,将实验失败率显著降低60%,规避试错成本。3.模块化硬件生态:开源APl支持无缝扩展PCR热循环、磁力架等模块,满足合成生物学、高通量蛋白组学
7、标准化类器官构建等复杂工作流需求。其底层算法基于实验室场景专项训练的CIaUde3.7大模型,已覆盖基因组学、蛋白组学、类器官培养与分析等8大领域的协议库,预置超千种高通量筛选方案。Opentrons的国际案例内基梅隆大学:该平台仅用4分钟就精准复现了诺奖级实验流程(成果荣登Nature封面)。项目负责人GabeGOnIeS表示:“我们现在每天通过语音指令调度移液工作站完成3000+次精准移液。OPerltrOnS的国内案例:浙江大学化学工程与生物工程学院在NatureCommunications发表最新研究成果,基于GPT-4驱动的反应开发框架(LLM-RDF),构建自动化化学合成开发平台
8、其中,OPentrorlS移液工作站结合AI,用于HTS底物筛选、动力学研究及光催化反应条件优化等实验。2)国内进展:镁伽科技发布LABILLIONTM2025年2月,镁伽科技发布了LABILLlONTM实验室智慧管理平台,部署了DeePSeek-Rl推理模型,它内置的Al算法可以实时分析实验数据,并提供实用建议。同时,平台新增自然语言交互功能,用户只需发出语言指令,系统就能立即执行。3. Al驱动之下,2025年中国实验自动化进入大基建时代Al的加入,让科学研究的效率变得更高,进而增加了实验室自动化的需求。尽管以当前的技术而言,尚无法自动化完成所有实验。但从趋势来看,客户对实验室自动化提出
9、了更高要求,需要更多功能集成、更高的通量和更少人力的参与,典型的应用领域包括合成生物学、高通量药物筛选等。以合成生物学的高校和科研单位为例,过去由课题组老师带领整个课题组的硕博生和科研人员,每周进行文献阅读汇报和科研思路的探讨,现在,文献阅读和实验思路已经可以由Al来提供,加速了整个实验设计的进程,课题组的科研思路呈现迸发趋势,多点发散,非常多的实验设计思路等待执行和验证。人工做实验的速度已经跟不上科研思维爆发的速度了,因此很多高校和科研院所都在积极的搭建自动化基建工程,尤其以合成生物学和高通量药物研发这两个方向为代表。生物硕博生的学生生涯,大多时候是在进行重复的实验操作,较少时候是去参与实验
10、思路的设计和实验结果分析。然而很多实验操作实际上是一个经过培训的大专生都能胜任的,并不需要浪费研究生和博士生的时间。AI+实验室自动化的出现,可以让研究人员专注于研究的创造性思考,不再是做着保洁阿姨都能胜任的重复性工作。依然以合成生物学为例,目前已经落地自动化实验室的案例如下:1)深圳先进技术研究院牵头建设的“合成生物研究重大科技基础设施https:/(强烈推荐观看官网完整VR视频)(左)实验室一览(右)其中一个功能岛该项目总投资规模约20亿元,其中软硬件设备总投资7.222亿元。建筑面积为23万平方米(约4个标准足球场),包含40个自动化功能岛,支持柔性化集成生产线。该设施于2024年12月
11、5日正式启用。该设施定位为用户的“云端实验室”和运营者的“智能实验室”。是全国首个,也是全球规模最大的合成生物学大设施,不仅对学术界开放,也对产业界开放。不局限于本地,通过云实验室大设施还能够实现全国接单。企业只需要缴纳一定的费用,接入后台系统,就可以享受到开放共享的专业设备,完成科研项目。2)浙江大学杭州国际科创中心的合成生物学平台iBioFoundry2022年7月,浙江大学杭州国际科创中心搭建的“合成生物学自动化装置iBioFoundry正式亮相,在当年,iBioFoundry是全球合成生物学研究领域规模最大、集成度最高的全流程、高通量、自动化装置。覆盖”样本库一DNA组装一细胞工厂一分
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