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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(TTATLA)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。

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。

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