从自动化到智慧实验室：机器人+AI加速科学研究

　　【ZiDongHua 之创新自化成收录关键词：智慧实验室 机器人 人工智能 传感器 】

　　

　　

　　机器人+人工智能正在加速产业蓬勃发展

 

　　

　　2024年，科技领域的重磅进展，引发各界广泛关注。不论是使机器人能够在复杂环境中自主感知、决策和行动的具身智能（Embodied AI）强势崛起成为主流，还是诺贝尔物理及化学奖都颁发给了AI这一爆炸新闻，都标志着人工智能正成为科技革命与各领域产业变革的重要驱动力。今年的世界机器人大会上，169家企业集中展示出600余件围绕人工智能与机器人的创新产品，正如国际机器人联合会主席Marina Bill提到：“我们需要充分使用想象力来想象未来的世界。”

　　

　　实验室自动化：生命科学及理化实验室的转型动力

　　

　　过去，科学研究依赖于人工，科研人员需要扎实的专业知识和长期实践才能胜任复杂实验。科学家们困扰于大量时间花费在实验设计、数据分析和反复实验上。近年来，生命科学和理化实验室逐渐与人工智能和机器人技术接轨，国家政策的支持激发了行业对实验室智能化的需求，推动传统实验室向智能化、自动化的智慧实验室转型。

　　

　　转型实验室自动化的主要动力来源于两个方面：首先，通过自动化设备替代繁琐且重复的人工操作，机器人系统可以连续进行实验而不会感到疲劳，从而大大加快了研究速度；其次，出于对数据完整性的需求，自动化设备能减少人为因素引起的差异或错误，确保数据的溯源和重现性。最后，机器人不仅能比人类更精确地执行实验步骤，还能有效减少人类接触有害化学物质，提升实验的安全性。

　　

　　举个例子，在合成生物微生物研究中，菌落筛选是一个至关重要的环节。研究人员通常需要进行大量实验和筛选以优化菌株或合成路径，因此高效的菌落筛选方法能够显著提升研究效率和准确性。采用自动化技术进行菌落筛选，能够加速这一过程并提高结果的可靠性。

　　

　　汇像科技的智能微生物菌落挑选系统通过先进的图像识别技术和机器人控制技术，实现高通量挑菌自动化。这一系统实时拍摄并识别培养皿中的菌落，自动分类，并将所有菌落图像作为元数据保存，减少人工干预，确保数据完整性，减轻科研人员的负担，为微生物研究提供了有力支持。

 

　　

　　“海黛兰”智能微生物菌落挑选工作站

　　

　　机器人 自动化实验的执行者

　　

　　自动化实验室的落地，机器人是最重要的执行者。在实验室里，机器人的应用场景与工业应用相比更加开放柔性，面对复杂变化的实验操作流程与耗材流转，如何更加柔性的执行实验流程、调度各种实验精密仪器设备，对实验室用机器人提出了更高要求。

　　

　　首先，实验室机器人必须要安全，能实现多级碰撞检测和传感器安全监测，避免人员误触；其次，更加便捷易用，能选择拖拽示教、坐标定位、路径规划等多种方式通过直观的图形化界面进行操作；最后，更加开放，仪器设备的枢纽中心，与各种精密检测仪器、实验室LIMS系统等操作系统都能够进行相关的连接与操控，并能通过手机、平板、PC多种用户终端轻松实现机器人操控。

　　

　　汇像科技"智灵者"机器人Helen X系列，专为实验室应用场景设计研发，满足上述所有要求。从固定式五轴到移动式七轴AGV机器人，HelenX基于实验室“抓拿——运送——放置——跑样”等常规协作动作，从关节端盖、夹爪、软件等着手设计，旨在提供高度适配实验室需求的协作机器人，解决实验室空间小、动作复杂、协作灵活等需求，基本涵盖了化学、分析、检测和生物研究等实验室不同应用场景。

　　

　　“智灵者”实验室协作机器人HelenX系列

　　

　　专为实验室场景量身定制

　　

　　HelenX-5

　　

　　HelenX-MR7

　　

　　HelenX-R6

　　

　　高空间利用率的安全协作：内旋式关节设计，多灵敏度模式的碰撞感应

　　

　　即用即启的夹爪智库：多类型实验耗材适用，硬件抓手包＋软件程序包；细如发丝的定位精度：定位误差小于0.05mm

　　

　　细如发丝的定位精度：定位误差小0.05mm；样品缺失感应与报错：夹爪力矩感应与样品编号扫码双重验证

　　

　　高效的汇像机器人示教系统：“看得见摸得着”的现场实施；丰富的拓展型功能：语音交互，视觉系统

　　

　　AI 智慧大脑 赋予实验智能进化

　　

　　过去几十年，AI的发展可分为三个阶段：信息时代、生成式人工智能时代和具身智能时代。在信息时代，决策和执行主要依赖人类；有了模型以后，模型可以辅助做一些判断和决策，但尚未达到科研思维自动化的水平，仍需人工参与。而下一代的AI浪潮“具身智能”（Embodied AI）代表了一种全新范式，能够理解、推理并与物理世界互动。

　　

　　汇像科技“iMagicOS”实验室智慧操作系统

　　

　　实验室AI智慧大脑

　　

　　汇像科技研发的iMagicOS实验室智慧操作系统作为实验室的“智慧大脑”，采用中央集成控制台和友好的用户界面，具备高效的调度、监控、追踪和管理功能。其核心AI算法引擎能自动解析设备、方法和参数，生成实验任务流程图，并根据设备状态状态动态任务排程，实现全实验室的仪器设备链接，仪器设备数据自动采集与解析分析。

　　

　　整个系统可灵活快速应用于生命科学、临床诊断、化学检测等各类实验场景，以及其他软硬件设备的管理和控制场景，为多领域不同客户提供端到端站式、一体化的平台服务体验，助力智慧实验室建设。

　　

　　机器人+AI 加速科学研究进步

　　

　　机器人与仪器设备结合，就实现了实验室自动化；

　　

　　与多台仪器设备、智慧中控软件结合，实验室开始向智能化的方向发展；

　　

　　与仪器设备、智慧中控软件、AI大数据平台结合，智慧实验室由此诞生。可以进行类似靶点发现、个性化医疗、化学合成等科学研究。

　　

　　机器人与AI的协同进化下，更具想象空间……

　　

　　通过AI算法的应用，机器人具备更强的自主学习能力，它们能够通过与环境的互动不断优化自己的行为，推理和做出决策，从而在动态环境中自主运作。例如，运用机器深度学习技术，机器人可以通过数据分析结果实时优化实验操作流程，辅助科研人员提升实验效率。将生成式AI嵌入机器人，科学家只需要使用描述性语言撰写实验SOP流程，或者直接从论文提取，AI会帮助完成实验流程的设计和反馈建议，并指挥机器人自主执行。

　　

　　在生命科学领域，机器人+AI能够按照程序设计，高效、自动地完成细胞培养、基因测序、蛋白质分析等复杂实验任务。在药物发现实验中，机器人通过与AI平台的结合，可以自行构建靶点、发现靶点、构建实验，再根据实验结果，进行自我学习与训练、自我迭代，最终形成“Design-Build-Test-Learn”的闭环过程。

　　

　　（Different levels of laboratory automation）

　　

　　机器人+AI正在为科学研究发挥更大价值。未来，科学家可以通过手机远程下达指令，智能机器人将自动执行如样品运输、前处理、分析检测及数据处理等操作，由AI驱动下的中央控制系统能够智能评估最佳资源配置，分析实验结果，并自主决策设计后续实验计划，将实验流程无缝衔接整合，优化实验资源分配，实现真正的“无人值守”智慧实验室。

　　

　　文献参考：

　　

　　[1]黄丽玲,孔玉琼,马恒元.药品质量控制实验室的智能化转型:挑战与未来趋势[J].药学学报,2024,59(10):2723-2729.DOI:10.16438/j.0513-4870.2024-0551.

　　

　　[2]Harazono Y ,Shimono H ,Hata K , et al.Evaluation of Microplate Handling Accuracy for Applying Robotic Arms in Laboratory Automation.[J].SLAS technology,2024,100200.

　　

　　[3]纪梵天.汇像科技：机器人科学家工作在“黑灯工厂”[J].机器人产业,2024,(04):75-78.DOI:10.19609/j.cnki.cn10-1324/tp.2024.04.014.