实验室自动化

在快速诊断检测和药物研发的迫切需要下，Covid-19危机使生物医学实验室负担过重。除了工作流程压力之外，设施还必须应对工作场所距离和员工疾病带来的额外压力。对许多人来说，大流行凸显了尽快实现许多标准实验室程序自动化的必要性。

自动化技术在许多类型的标准实验室工作中变得越来越重要。协作机器人(cobots)现在可以配置为执行常规测试，如批量样品筛选，甚至化学实验。自动化不仅有助于减少由繁重的工作量引起的人为错误，还将研究人员从重复的任务中解放出来，使他们能够充分利用现有的人力专业知识。

由Strateos和Emerald Cloud lab等供应商提供的按需基于云计算的“虚拟”实验室平台是另一种形式的实验室自动化。这些技术使科学家能够在专门设计的设施中使用一系列it驱动的自动化机器人装置进行远程工作。这些设施配备了共享的自动化基础设施:输送系统、机器人技术、机器视觉和控制软件协同工作，执行以前由人类完成的任务。

大多数标准的临床实验室应用，如药物发现、临床诊断、基因组学和蛋白质组学解决方案，都可以自动化。科学家们将样本运送到一个设施，并使用一个集成应用程序设计他们的实验，该应用程序在旨在实现远程操作和可重复性的软件中编码测试。程序性湿样步骤，如样品存储、分选、去盖、再盖、检索、加入和离心，可以分配给机器人设备，由科学家远程控制。

对于传统的实验室来说，合作机器人带来了性能上的提升，因为它们可以作为静态或移动单元进行设置和运行，而不需要重新配置人类已经习惯的现有实验室布局。不同大小的移动机器人被设计用于在实验室工作空间中移动和操作测试设备，通常通过提供不同程度的灵活性和互动性的铰接臂。

移动合作机器人通常连接到一个基本单元，该单元将它们运送到实验室各处，并包含为合作机器人的行动提供动力的电池，以及将其从一个地方移动到另一个地方的马达。这意味着，根据他们在任何一个“班次”中所从事的任务要求，他们必须每三个半到四个小时就在充电站停车。

根据预测机构MarketsandMarkets的数据，合作机器人市场将在未来五年内稳步增长:分析师预计，全球合作机器人市场将从2020年的9.81亿美元(7.08亿英镑)增长到2026年底的79.72亿美元(57.57亿英镑);在预测期内，CAGR为41.8%。MarketsandMarkets表示，这种增长将降低合作机器人的价格，从而推动应用，这样工作空间可能会有多个合作机器人团队同时工作。它还将使中小企业负担得起。

协作机器人已经在学术研究中投入使用。在英国利物浦大学，科学家们甚至把新的化学发现归功于那里的合作机器人。

该大学的化学系开发并部署了一个自主移动合作机器人，以协助材料研究项目。它基于自动化专家库卡的核心技术，可与软件控制系统进行无线通信，并可与大多数标准实验室设备和机械进行校准。

这个重达400公斤、高1.75米的合作机器人通过激光雷达扫描和触觉反馈来定位自己在周围环境中的位置，在周围的物理环境和人类同事中移动。在一次原型测试中，利物浦大学的合作机器人在8天内进行了688次实验，在192个小时中运行了172个小时。为了做到这一点，它移动了319步，完成了6500次操作，行驶了2.17公里。

到目前为止，它一直在研究开发光催化剂——一种利用光从水中产生氢的材料。就像人类化学家一样，合作机器人必须能够根据实验结果调整工作流程。

利物浦大学材料创新工厂主任安德鲁·库珀教授解释说:“这需要一个计算解决方案。”“如果你在实验中计算出这些成分可能的组合数量，大约是9800万。”

正因为如此，合作机器人使用了一种优化算法——一种使用贝叶斯优化设计策略的人工智能——来“导航”化学空间，并赋予其决策能力。

库珀说:“机器人称出固体催化剂的重量，它分配液体，它对样品进行光照，它从容器中去除空气，然后它测量输出(即氢气)。”“然后，根据实验的输出——氢排放——它就会决定下一步该做什么。”

他补充说:“合作机器人的‘大脑’使用一种搜索算法在9800万个候选实验的10维空间中导航，并根据之前实验的结果决定接下来要做的最佳化学实验。通过这样做，它自主地发现了一种活性提高6倍的催化剂，而没有研究团队的额外指导。”