核酸检测的背后，生物实验室自动化如何革新？
今年你做了几次核酸检测？当新冠病毒闯入人类生活，核酸检测成为防疫刚需，实验室自动化这一“冷门”赛道瞬间升温。在“洗衣做饭”的机器人没有出现之前，生命科学自动化这一领域的机器人变得更有价值。
实验室自动化流水线起始于上个世纪50年代，2009年进入中国，根据自动化程度分为TTA、TLA两大类别，前者是以实现功能为核心的模块化组合分析系统，后者是无人操作的全自动实验室流水线。
节省报告周转时间、提升测试通量、解放人力、减少人工错误、高环境洁净度等诸多优势，决定了自动化流水线将是生命科学实验室未来的重要环节。
位于松山湖高新技术园区的机器人365公司，立足生命科学自动化研究的尖端领域--细胞产业自动化，开发出全球首款类人型的核酸检测机器人设备，显著提升了后续疫情防控的效率。实验室自动化产业就此被推到了市场中心。
数据显示，2021年，全球实验室自动化（TTA和TLA）市场规模达到了853亿元，预计2026年将达到1448亿元，年复合增长率（CAGR）为6.5%。
未来，这一赛道将持续爆发。在“核酸检测机器人”之外，机器人365将更多“机器人”带进生命科学领域服务人类健康。
为“改变实验室”而起的创业行动
把时间调回2年前。
2020年6月，机器人365技术团队收到首个生命科学实验室自动化的开发需求，一款面向于细胞实验室自动化的培育机器人。当时，客户已经采购国外产品订单，由于疫情原因无法完成最终交付，客户不得不把目光转向国内寻求合作。经行业朋友介绍与深度技术评估，从事机器人产业10余年的行业老兵，机器人365团队接下了这一定制订单。经过人工智能和生命科学团队跨界融合的紧密合作，在2021年10月完成产品交付并得到客户与专家领导的高度认可。客户方不仅第一时间对订单全额付款，还对项目追加投资，成为机器人365公司天使轮的投资人之一。
机器人365创始人兼CEO刘照强告诉媒体记者，当时的场景让他坚定了生命科学自动化方向。
事实上，机器人365的创业方向，早期并不被市场看重。
2016年6月，拥有研发、工程背景和项目管理经验的刘照强走上创业道路，参与过多款精密仪器类产品的研发和量产。早期的机器人365项目定义为智能制造领域，为工业自动化行业客户解决用工困难和生产自动化痛点问题。
确定实验室自动化的方向，是刘照强基于行业经验和对市场趋势的预判。
一个最简单的场景是医院检验科，很多的护士在满足大量患者血常规检查的需求，从采血、装瓶、开盖、离心、提取、分装到送检，护士要全程参与，而在药厂的实验室里，人均博士的专家们每天也要花费大量的时间在人工流水线操作中。
刘照强认为这些场景中的自动化需求没有被满足，而其所处的生命科学领域，将是未来自动化大展拳脚的第三大应用场景。
“在传统工业机器人领域有ABB、发那科、安川、库卡‘四大家族’，但后起之秀的3C制造领域，这‘四大家族’的市占率很小，取而代之的是雅马哈、爱普生等企业，主要是因为工业和3C的场景、需求不同，比如手机流水线就有更高的节拍要求，是专攻汽车流水线的设备不能满足的，这导致‘四大家族’无法直接复制已有产品。”
梳理了成熟的两大自动化领域后，刘照强觉得自动化新场景一定能给新品牌长成巨头的机会，而下一个和工业、3C并列的超级行业，可能就是生命科学领域。
比起应用场景成熟的工业机器人和3C制造机器人，生命科学领域的自动化还处于0到1的阶段。基于机器人365团队的从业背景，刘照强决定两手抓，一边为机器人领域的自动化做技术储备和自动化模块产品探索，一边寻求产学研合作，与生命科学领域的专家学者深度合作，实现跨界融合发展。
其实，早在项目成立之初，机器人365就构建了一个面向生命科学实验室自动化标准动作单元的“技术货架”，包括自动扫码系统、自动开关盖系统、高精度视觉定位系统等等，当有新的需求出现时，从“货架”上挑选模块，就能像搭积木一样拼成新的解决方案。
完成细胞培育机器人项目，机器人365的“技术货架”模式被验证。
细胞培育自动化带来了新发展机遇
细胞治疗产品市场是生物医药市场增长最快的子领域之一。干细胞领域，2014年全球干细胞治疗市场规模约为507亿美元，2021年全球干细胞治疗市场规模达1870亿美元，年复合增长率高达22%。预计未来干细胞治疗市场增速将持续维持在20%以上。免疫细胞领域，据Coherent Market Insights预测，在2018-2028年期间，全球CAR-T细胞治疗市场价值将以高达46.1%的平均年复合增长率增长。在未来一段时间内，北美仍将占据全球CAR-T细胞治疗50%以上的市场份额，欧洲市场居于次席。但随着中国CAR-T相关政策的推进以及研发力度的增强，越来越多的企业涌入CAR-T行业市场，中国有望在未来短时间内弯道超车，占据很大一部分全球市场份额。
随着细胞行业的高速发展，自动化需求变革迫在眉睫，机器人365接过客户需求，高效率高质量打赢了这场细胞自动化产品交付之战。在订单敲定第二天，机器人365半数以上员工投入了细胞自动化项目。从产品试样生产出厂到现在，机器人365已经将产品更新迭代至全自动智能细胞培育系统，全程无需人工干预。
细胞培育制备流程（图源自机器人365）
从立项、设计图纸、同步写软件、发给供应商去加工、跟踪物料、场内组装、调试到出货，在紧凑的筹备周期，机器人365在远超客户预期时间内完成高质量的产品交付。当时，受疫情影响，供应链产能压缩，物料供应紧张，项目组同事都蹲守在供应商客户一端，7×24小时盯物料进度。
客观环境的压力之外，系统本身的复杂性也是挑战。以开箱开盖环节为例，由人来做，是一个简单的打开动作，但要实现自动化却有大量不简单的技术细节要攻克。
全自动细胞培育系统（图源自机器人365）
“我们会把产品设计考虑周全，包括实时的力距检测、深度学习、柔性模糊控制的训练模型，一个环节就有很多个技术专利在上面。”刘照强说，之前两三年的技术储备在这个时候发挥了作用，让机器人365在机会出现的时候能攥在手里。
目前为止，机器人365全自动细胞培育机器人已经在多家细胞龙头企业成功应用，获得一致好评。
现在，机器人365的生命科学自动化设备已经有灯塔工作站和水母配送机器人两种，分别取代实验员手臂和脚步动作，另外，配合人工智能数据化管理系统，机器人365技术团队希望实现无人化细胞制备工厂，未来实现打通整个生命科学智能化实验室闭环场景。
水母移动配送系统（图源自机器人365）
开始阶段的自动化设备，主要负责样品分配工作，完成人机协同即协助实验员操作，全自动实验室系统则是在其基础上做了整个环节的扩充，按照刘照强的描述，“全流程过程不需要人工干预，一站式解决实验数据结果的获取”。
此外，针对细胞培育相关使用场景，机器人365也推出了适用于实验室地面清洁、空气消毒、冷冻存储等设备系统解决方案。但是，细胞培育不是生命科学实验室自动化的唯一场景。
生命科学实验室需要一场自动化革命
随着生命科学行业向大数据科学迈进，传统的处理效率已经不能满足生物学家的需求，自动化与智能化的需求开始大量增长。
在诊断测试实验室场景中，自动化产品需要对样品进行快速、准确的处理和分析，并且具有完整的可追溯性，还要符合认证质量标准和既定标准，这需要从样品到达、检测过程、结果记录到出测试报告等全流程都实现自动化。
与工业和3C制造领域一样，生命科学领域中所有劳动密集、效率低下的环节都需要一场自动化革命。在刘照强看来，三大变化正在推动这场革命走向高潮。
首先，从技术角度来说，生命科学领域对于自动化的要求从一开始就需要高度人性化，甚至是工业4.0级别，而自动化工程技术发展到现在的智能制造，已经迈过了进入实验室的门槛。
其次，从商业层面考量，自动化设备和系统面世之初，价格极其昂贵，而生命科学场景中的用人成本同时高企，两厢比较，后者才是核心。而随着人才的攒聚、自动化的普及，两端的价格达到了一个平衡点，为自动化技术进入实验室添了动力。
同时，从趋势变化而言，中国生命科学行业此前长久处于被低估的状态，以体外诊断为例，2018年的数据显示，中国人均每年的体外诊断支出不足2美元，欧美成熟市场每人每年支出在25-30美元，日本超过30美元，从医疗服务到新药研发，整个市场正在回归正确的估值水平，这给了自动化技术发挥其效率加速剂的机会空间。
以药物筛选为例，传统的方法是：实验室拿到上百万个候选化合物，需要一个一个进行药效、毒性及成药性的评估，再统一出具报告，但加入了人工智能深度学习的实验室自动化系统平台，使用已经训练成熟的模型去预测所有化合物的大致结果，筛选淘汰大部分，将精准筛选化合物的量级从百万级别降至十万级别，这能极大缩短药物筛选的时间。
“今天的生命科学领域 ，无论是化学还是生物，做实验的方式还都是50年甚至100年前的方式，虽然已经有了半自动化、自动化设备出现并慢慢普及，但我们也观察到，现在的自动化也都是在为手工试验服务，比如深孔板，甚至是高内涵。我们面向下一代全自动化实验室设计时，发现很多原有设备都应该重新再做一遍。”
刘照强坦言，这个过程会很长，可能要10年、20年，但改造、升级的趋势是确定的，风势会越来越大，未来的道路会越走越宽。
