DeepTech+2023實驗室自動化行業(yè)研究報告

前言在工業(yè)自動化早已實現(xiàn)的今天，汽車、3C等制造工廠的自動化流水線隨處可見，生命科學(xué)行業(yè)的生產(chǎn)力卻仿佛還停留在上個世紀的手工時代，生命科學(xué)行業(yè)迫切需要一場工業(yè)革命，實驗室自動化的變革迎來曙光。本報告中，DeepTech重點關(guān)注在生命科學(xué)場景應(yīng)用的實驗室自動化技術(shù)，通過桌面調(diào)研和專家訪談的方式，探討實驗室自動化的發(fā)展現(xiàn)狀、限制因素、產(chǎn)品形態(tài)、應(yīng)用場景、終端用戶、商業(yè)模式、未來發(fā)展前景等問題。關(guān)鍵結(jié)論?

中國實驗室自動化的興起：生命科學(xué)上游行業(yè)國產(chǎn)替代的需求疊加工業(yè)自動化的人才供給?

限制自動化發(fā)展的因素主要包括投資回報率不足、產(chǎn)品難以滿足需求、需求非標準化、市場教育不夠充分等?

產(chǎn)業(yè)鏈：從商業(yè)模式看，中游的實驗室自動化廠商可大致分為產(chǎn)品商、系統(tǒng)集成商和細分場景應(yīng)用商，目前國內(nèi)自動化領(lǐng)域融資排名位居前列的公司為系統(tǒng)集成商?

核心競爭要素：產(chǎn)品商比拼性價比、系統(tǒng)集成商比拼掌握的核心設(shè)備數(shù)量和控制系統(tǒng)、細分場景應(yīng)用商比拼客戶數(shù)量?

商業(yè)化路徑：技術(shù)-產(chǎn)品-應(yīng)用場景（實驗環(huán)節(jié)）-終端用戶?

產(chǎn)品形態(tài)：硬件領(lǐng)域液體工作站和機械臂整合系統(tǒng)是主流，軟件領(lǐng)域與國外差距大?

應(yīng)用場景：分子和細胞層面的實驗環(huán)節(jié)自動化相對成熟，動物層面實驗自動化仍是空白?

終端用戶：目前兼具剛需和支付能力的生命科學(xué)類實驗室集中在大型CRO、藥企、平臺類合成生物公司、部分進行高通量藥物篩選和合成生物學(xué)研究的科研機構(gòu)、疾控中心、質(zhì)監(jiān)藥監(jiān)等部門，以及部分政府支持的標桿實驗室項目；具有高通量篩選需求的藥物研發(fā)和合成生物學(xué)公司是近期可以較快商業(yè)化的發(fā)力方向?

市場規(guī)模：目前生命科學(xué)類實驗室的自動化市場規(guī)模在百億級人民幣（不包含醫(yī)學(xué)檢驗場景和主流儀器設(shè)備）?

規(guī)?；瘧?yīng)用：挖掘標桿客戶是打通商業(yè)化閉環(huán)的關(guān)鍵一步?

微流控芯片技術(shù)是微量反應(yīng)體系高通量實驗室自動化的發(fā)展趨勢?

合成生物學(xué)、抗體開發(fā)等多個領(lǐng)域亟待微流控技術(shù)賦能2生命科學(xué)行業(yè)迫切需要一場工業(yè)革命，實驗室自動化的變革即將帶來曙光隨著多組學(xué)時代的到來，生命科學(xué)逐漸發(fā)展為大數(shù)據(jù)科學(xué)，許多新的信號通路、轉(zhuǎn)錄因子、藥物分子的發(fā)現(xiàn)依賴于高通量篩選。但目前生命科學(xué)的生產(chǎn)效率已不能滿足生物學(xué)家的需求，組學(xué)時代重復(fù)、繁瑣、高強度實驗操作使科研人員疲憊不堪，384孔板“人工高通量”，既費時費力又容易出錯。生命科學(xué)行業(yè)迫切需要一場工業(yè)革命，實驗室自動化的變革即將為生命科學(xué)行業(yè)帶來曙光。實驗室自動化（Lab

Automation），是指利用現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備來自動化實驗室的各種操作和流程，解放人力、簡化實驗流程、智能設(shè)計實驗、降低人為誤差，以及提高實驗通量、速度、準確性和可重復(fù)性等。實驗室自動化包括樣品處理、儀器操作、數(shù)據(jù)采集和分析等方面。實驗室自動化的實現(xiàn)需要依靠各種自動化設(shè)備和軟件，如自動進樣器、液體處理系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、自動化分析儀器、數(shù)據(jù)處理軟件等。這些設(shè)備和軟件可以協(xié)同工作，完成實驗室中的各種任務(wù)，從而實現(xiàn)實驗室的自動化。圖1丨利物浦大學(xué)的智能機器人化學(xué)家（來源：Amobileroboticchemist，Nature）3實驗室自動化的核心技術(shù)來源于工業(yè)自動化工業(yè)自動化于20世紀60年代就已發(fā)展出現(xiàn)代綜合自動化工廠的雛形，在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產(chǎn)線。而實驗室自動化是在工業(yè)自動化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，遷移到生命科學(xué)領(lǐng)域有其通用性，無外乎要做一些視覺、判斷和反饋，以及信息的通訊和采集，從而讓整個任務(wù)執(zhí)行可以有序完成。但也有其特殊性，即要更好地適應(yīng)客戶對于生物技術(shù)的一些特殊需求，例如避免溶液試劑的浪費、實現(xiàn)耗材的大通量處理、根據(jù)耗材形態(tài)做材料選型等。實驗室自動化的底層技術(shù)路線主要包括以下幾個方面：傳感器與機器視覺：通過使用傳感器感知物理量，例如溫度、壓力、濕度、位置等，實現(xiàn)實驗的自動化控制和數(shù)據(jù)采集。機器視覺技術(shù)可以通過相機、光學(xué)和圖像處理等手段實現(xiàn)對實驗過程的監(jiān)控和控制，例如自動化液體控制系統(tǒng)、自動化溫度控制系統(tǒng)、自動化測量系統(tǒng)等自動化實驗設(shè)備的集成：使用實驗室自動化控制系統(tǒng)來統(tǒng)一管理儀器和設(shè)備，將自動化實驗設(shè)備進行集成，以實現(xiàn)實驗的全自動化控制和數(shù)據(jù)處理機器人/機械臂技術(shù)：常見機器人的形態(tài)可以是三軸XYZ坐標機器人、多關(guān)節(jié)機械臂或者人形機器人，自由度主要在3-6之間，也可以是一種遞送機構(gòu)，如軌道、磁懸浮、AGV小車（AUTOMATED

GUIDED

VEHICLE）等，可以實現(xiàn)實驗室樣品處理、液體處理、設(shè)備操作，搬運操作PLC或PCB技術(shù)與流程控制：PLC（可編程邏輯控制器）或PCB（印制電路板）是工業(yè)自動化中常用的控制設(shè)備，可以通過編程實現(xiàn)自動控制實驗流程，如樣品處理和分配、反應(yīng)控制、液體注入、分裝和封口等數(shù)據(jù)處理與人工智能：通過計算機對采集的實驗數(shù)據(jù)并進行處理和分析，以提高數(shù)據(jù)的準確性和分析效率。例如，使用實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)庫等工具來進行數(shù)據(jù)采集、處理和管理。人工智能可用于分析和預(yù)測實驗結(jié)果，優(yōu)化實驗流程和提高實驗效率，幫助實驗員做出更準確的決策4國外實驗室自動化已發(fā)展40多年，機械臂和工作站率先出現(xiàn)?

1961年，Eppendorf公司研究出活塞吸液，并在1976年申請專利，是實驗室最常用的移液槍早期原型，代表著實驗室自動化領(lǐng)域的誕生。?

1980年，Zymark公司開發(fā)出Pi系統(tǒng)，具有單軸的機械臂，能夠以圓周方式完成實驗，故命名為Pi，是最早的實驗室自動化機械臂系統(tǒng)。該設(shè)備成功銷售了2000多臺。1986年，Beckman開發(fā)出最早的移液工作站商業(yè)化原型Biomek1000，由垂直機械臂、移液工具、洗板機單元、Masterflex泵、定位平臺和附件組成。?圖3丨Beckman公司

Biomek1000（來源：公開資料）圖2丨Zymark公司Pi系統(tǒng)（來源：公開資料）?

1980s-1990s，工作站在與機械臂的論戰(zhàn)中勝出。在實驗室自動化發(fā)展的早期，美國曾出現(xiàn)過關(guān)于自動化用機械臂還是工作站的論戰(zhàn)。工作站最早出現(xiàn)的也是最核心的產(chǎn)品就是移液工作站。工作站在設(shè)計之初只完成一些少量任務(wù)，但高度可靠，而機械臂優(yōu)勢在于更加靈活。在實踐中，人們發(fā)現(xiàn)自動化的首要原則就是簡化實驗過程。在早期時候，如果讓機械臂自動化進行一些復(fù)雜的手工操作的時候并不會讓實驗更有效率，因此工作站在論戰(zhàn)中獲勝。隨后成立的Beckman、Hamilton、Tecan，都是以移液工作站為核心的整合方式。?

1983-2003年，實驗室機器人與自動化國際研討會ISLAR每年舉辦，推動了實驗室自動化領(lǐng)域的發(fā)展。?

1996年，實驗室自動化協(xié)會ALA成立，并在2010年與生物分子科學(xué)協(xié)會SBS合并為實驗室自動化和高通量篩選協(xié)會SLAS，其出版了兩本實驗室自動化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊SLAS

technology和SLAS

discovery，并制定了用于藥篩的微孔板的標準。5不同的實驗室場景處在自動化的不同階段根據(jù)自動化的程度和規(guī)模，實驗室自動化可分為四個階段：單一設(shè)備形式的自動化、工作站形式的自動化、流水線形式的自動化和智能化形式的自動化。它們并非純粹的全面替代演進關(guān)系，而是根據(jù)成本需求、通量需求，研究和臨床需求的客戶情況，匹配不同產(chǎn)品形式。實驗室自動化整體是從輔助人到替代人的方向發(fā)展，最終理想是達到無人值守的“黑燈實驗室”。1.0階段：單一設(shè)備2.0階段：工作站一個自動化設(shè)備往往只有一兩種分析檢測或者樣品處理的功能，需要人來操作使用。例如，自動配液、自動稱量等操作以及混懸儀、離心機、細胞培養(yǎng)箱、PCR儀、質(zhì)譜儀等儀器設(shè)備。目前大部分實驗室仍處在這一階段。一臺設(shè)備集成了多種功能，可以在一個批次內(nèi)處理一定數(shù)量的樣品，批次內(nèi)可以無人值守，批次之間需要人工操作。例如液體處理工作站，將多個樣品前處理環(huán)節(jié)集成在一起，進行加樣、混勻、稀釋、轉(zhuǎn)移等操作，是實驗中最為基礎(chǔ)且最為頻繁的實驗操作。目前部分高通量實驗室采用工作站形式自動化。4.0階段：智能化在全實驗室自動化基礎(chǔ)上，加入人工智能，可代替部分腦力勞動，具有機器學(xué)習(xí)、自動判斷、自我決策能力。多用在研究型實驗室領(lǐng)域，擅長解決多品種、小批量、多批次、高時效的檢測需求，進行實驗室智能化操作和管理，可進行樣品前處理、分析檢測和實驗數(shù)據(jù)的處理等所有實驗室的操作，并可以循環(huán)往復(fù)地進行。目前利物浦大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、Ginkgo

Bioworks等已有案例應(yīng)用。3.0階段：TTA與TLATTA完整任務(wù)目標自動化與TLA全實驗室自動化，結(jié)合前端樣品處理和后端檢測形成全流程自動化，設(shè)備與設(shè)備之間自動傳輸數(shù)據(jù)和樣品，類似工業(yè)自動化的模式。這種形式目前使用最多的是醫(yī)學(xué)檢驗場景，如醫(yī)院檢驗科和第三方檢測實驗室（ICL），常見生化檢測自動化流水線、免疫檢測自動化流水線、血液檢測自動化流水線、微生物檢測自動化流水線等。6中國實驗室自動化的興起：生命科學(xué)上游行業(yè)國產(chǎn)替代的需求疊加工業(yè)自動化的人才供給?

2000年-2010年間，中國實驗室自動化領(lǐng)域開始出現(xiàn)，奧美泰克在2004年成立；?

2016年左右實驗室自動化開始加速發(fā)展，多家初創(chuàng)公司成立；?

2020年，新冠疫情成為行業(yè)發(fā)展的催化劑，疫情催生了大量核酸樣品的檢測需求，同時病毒的高傳染性和致病性對涉及樣本處理、檢驗檢測、樣本存儲的全流程自動化提出了直接的需求，進一步釋放了自動化的空間，多家公司在2021年-2022年獲得融資。需求端：國產(chǎn)替代是生命科學(xué)上游行業(yè)的長期需求生命科學(xué)上游行業(yè)包含儀器設(shè)備、試劑耗材等，具有很高的技術(shù)壁壘，存在大量“卡脖子”環(huán)節(jié)，賽默飛、丹納赫、安捷倫、PE等巨頭占據(jù)國內(nèi)市場主導(dǎo)地位。生命科學(xué)上游高度依賴進口的問題已得到國務(wù)院、工信部、自然科學(xué)基金委等部門的高度重視，國產(chǎn)替代成為成為政策引導(dǎo)的主要方向。?

2016年8月，國務(wù)院發(fā)布《十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出加強生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展及生命科學(xué)研究核心關(guān)鍵裝備研發(fā)，提升我國生物技術(shù)前沿領(lǐng)域原創(chuàng)水平，搶占國際生物技術(shù)競爭制高點。?

2021年3月19日，為落實“十四五”期間國家科技創(chuàng)新有關(guān)部署安排，國家重點研發(fā)計劃啟動實施“基礎(chǔ)科研條件與重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)”

等重點專項及“揭榜掛帥”榜單。圍繞國家基礎(chǔ)研究與科技創(chuàng)新重大戰(zhàn)略需求，以關(guān)鍵核心部件國產(chǎn)化為突破口，切實提升我國科學(xué)儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平，促進產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，支撐創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實施。供給端：實驗室自動化適合中國的工業(yè)自動化人才結(jié)構(gòu)國內(nèi)的自動化技術(shù)在工業(yè)3C、汽車等領(lǐng)域已相對成熟，做相應(yīng)非標產(chǎn)線的自動化人才非常多，在制造業(yè)市場逐漸飽和之時，大量人才從汽車和3C產(chǎn)線，轉(zhuǎn)到實驗室自動化，因此天然擅長在流程端將儀器和線性自動化流程進行整合。相比來說，高端儀器所需的精密材料、傳感器技術(shù)國內(nèi)欠缺，儀器領(lǐng)域的國產(chǎn)替代仍有很長的路要走，而實驗室自動化更適合中國目前的工業(yè)自動化人才結(jié)構(gòu)。7限制自動化發(fā)展的因素主要包括投資回報率不足、產(chǎn)品難以滿足需求、需求非標準化、市場教育不夠充分等中國醫(yī)學(xué)檢驗的自動化程度最高，其他場景的實驗室自動化水平仍然較低?醫(yī)學(xué)檢驗的實驗流程固定，需求標準化，樣本量大，同時預(yù)算充足。目前國內(nèi)實驗室自動化應(yīng)用程度最高的是醫(yī)院檢驗科，已經(jīng)處在3.0的流水線階段，以生化免疫流水線為主，達到采血后上樣、前處理、檢測、結(jié)果報告和后續(xù)樣品存儲等全檢驗過程自動化，極大程度地簡化了工作流程，加強了質(zhì)量管理，降低了人為誤差和生物污染率。進口四大家羅氏、雅培、西門子、貝克曼占據(jù)了70%以上的中國市場，占據(jù)三甲醫(yī)院的高端市場，國產(chǎn)廠商與目前逐步從二級以下醫(yī)院開始國產(chǎn)替代。大多數(shù)實驗室自動化的程度還停留在單一設(shè)備階段，只有藥企、疾控中心、合成生物學(xué)公司等場景的少數(shù)實驗室實現(xiàn)了工作站形式的自動化。對于大多數(shù)普通實驗室來說，前端的樣品處理方面，自動化程度相對而言依然非常低，需要消耗大量的人工，以及不可避免許多重復(fù)性繁瑣性的工作。目前限制自動化發(fā)展的因素包括長期因素和短期因素?總體來說科研用戶的需求更零散，人力成本低，而企業(yè)用戶的用人成本高，需求相對標準化，更適合開展自動化，但是在合規(guī)性等方面的要求更高，需要更加定制化的開發(fā)，國內(nèi)廠商大多達不到要求，而進口廠商大多只提供標準化的產(chǎn)品，不提供定制化服務(wù)。具體來說，限制自動化發(fā)展的因素包括以下幾點：（1）長期因素：人力成本低使得投資回報率不足據(jù)受訪者透露，多項目整合的流水線TLA一般1000萬以上，單項目的TTA一般在一千萬以內(nèi)，一個工作站的價格一般在100-300萬之間。對于高校和研究機構(gòu)來說，學(xué)生的人力成本很低，從投資回報率角度看并沒有動力使用自動化設(shè)備，這個現(xiàn)狀短期內(nèi)難以改變。而對于企業(yè)來說，縮減成本開支尤為重要，需要算一筆經(jīng)濟賬，完成自動化改造后在單位空間、人力支出所帶來的收益需遠高于傳統(tǒng)方式，扣除購置收入，依然可以有顯著的投資收益，才會有進行自動化改造的動力。據(jù)核算，目前采用了自動化方式的企業(yè)節(jié)約的人力成本，平均在三年左右可以覆蓋設(shè)備的投入。8限制自動化發(fā)展的因素主要包括投資回報率不足、產(chǎn)品難以滿足需求、需求非標準化、市場教育不夠充分等（2）長期因素：自動化產(chǎn)品在部分領(lǐng)域還無法滿足需求液體處理是自動化相對成熟的產(chǎn)品，市場上國內(nèi)外廠商都已經(jīng)推出了一些標準化的自動移液系統(tǒng)。但是這類設(shè)備一般只集中在移液配液方面，針對液體的綜合性處理的功能不夠，針對生物領(lǐng)域的96孔板操作較多，而對于像384孔板、1536孔板等更精細樣品的操作則相對較少。而固體處理方面定制性高，價格昂貴，購買力不足。由于不同固體顆粒的粘性、靜電作用力、密度、外形、大小等理化性質(zhì)不均一，因此針對不同的固體都要開發(fā)特定的操作設(shè)備，即使進口產(chǎn)品也會有性價比或者穩(wěn)定性方面的問題。目前基本是通過人工操作完成，在樣本量比較大的情況下，導(dǎo)致操作繁瑣，急需自動化的稱量設(shè)備。如果與后續(xù)樣品溶解轉(zhuǎn)移相結(jié)合的話，就還需要稱量校準和樣品處理的集成。另外，在化學(xué)合成領(lǐng)域自動化程度也相對較低，合成涉及的樣品條件比較復(fù)雜，需要更加復(fù)雜的集成能力。軟件的合規(guī)性難以滿足需求。以微生物檢測為例，對于各種菌落，檢測方法以及對環(huán)境的要求都不一樣，而且做微生物檢測的客戶都需要做一些數(shù)據(jù)完整性的分析，對軟件的要求非常高，目前國產(chǎn)軟件難以通過CSV（藥企換計算機需要的驗證）的驗證或者GMP的要求。做軟件的合規(guī)，至少需要三五年的時間來打磨。雖然對于事業(yè)單位來說合規(guī)性并不需要這么高，但是對于企業(yè)來說，目前國產(chǎn)軟件難以滿足其需求。（3）長期因素：客戶需求非標準化實現(xiàn)自動化的前提是要先實現(xiàn)流程的標準化和模塊化。但由于生物和化學(xué)實驗的復(fù)雜性，目前的實驗室自動化還只能解決少部分的重復(fù)勞動，尤其是研發(fā)端，需求相對復(fù)雜多變，對于自動化來說，很難做到柔性很高。曾有研究機構(gòu)購置了自動化設(shè)備，并針對自身的需求進行調(diào)校開發(fā)，但是由于后期調(diào)整了研究方向，原有的設(shè)備不再適用，后來自己聘用工程師重新調(diào)校，但沒有達到要求，最終導(dǎo)致自動化設(shè)備閑置。（4）短期因素：市場教育不夠充分國內(nèi)的實驗室自動化領(lǐng)域起步較晚，很多實驗室研究人員對實驗室自動化的產(chǎn)品種類和功能缺乏了解和信任，對自動化優(yōu)勢的了解不全面，同時對自身實驗的哪些環(huán)節(jié)可以進行模塊化標準化，可以進行自動化改造也不清楚。9實驗室自動化讓實驗人員專注于科學(xué)研究本身而非重復(fù)性實驗操作實驗人員的傳統(tǒng)認知是實驗室自動化設(shè)備可以提高效率，實際上除了提高效率以外，實驗室自動化還可以大大提高實驗的準確性和通量，節(jié)省了花在繁瑣實驗室流程上的時間，使研究人員能夠?qū)Ｗ⒂诳茖W(xué)本身，投入到更高價值的任務(wù)，而不是高重復(fù)性的實驗操作，例如樣品制備、樣本轉(zhuǎn)移、樣本記錄、常規(guī)管理等。具體來說實驗室自動化的優(yōu)勢具有以下幾個方面：可重復(fù)性可重復(fù)性一直是實驗室的主要關(guān)注點。但實驗結(jié)果，尤其是生物實驗，面臨著可重復(fù)性方面的廣泛挑戰(zhàn)。Nature對1576名科研人員針對“科研試驗的可重復(fù)性”主題所做的在線網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，超過70%的科研人員無法成功重復(fù)別人的實驗，有超過一半的科研人員在重復(fù)自己曾經(jīng)的實驗時遭遇失敗。由于生物體的個體差異，生物、醫(yī)療領(lǐng)域的實驗可重復(fù)性低于物理、化學(xué)領(lǐng)域。圖4丨不同領(lǐng)域?qū)嶒灥目芍貜?fù)性（來源：1,500scientistsliftthelidonreproducibility）自動化可以有效減少由于實驗人員操作帶來的誤差和污染，從而提高結(jié)果質(zhì)量。例如，在研究環(huán)境中，實驗室自動化可以實現(xiàn)更高的實驗數(shù)據(jù)采集率，增加結(jié)果量，并使用更廣泛的對照，從而增加結(jié)果可重復(fù)的可能性。然后可以通過設(shè)置平行實驗組來建立可重復(fù)的數(shù)據(jù)。此外，自動化還可以減少實驗人員樣品前處理流程的操作錯誤，例如錯誤標記或放錯樣品，或選擇錯誤的培養(yǎng)基。10實驗室自動化讓實驗人員專注于科學(xué)研究本身而非重復(fù)性實驗操作數(shù)據(jù)準確性數(shù)據(jù)準確性是實驗室可以通過實驗室自動化提高的方面之一。自動化設(shè)備可以檢測兩種化合物之間的細微差別。提高數(shù)據(jù)的可靠性和一致性。例如，在微生物實驗室中，尿液樣本的一致自動平板條紋可以更準確地區(qū)分潛在病原體和污染微生物群。自動化不僅可以確保結(jié)果更可靠，還可以提高數(shù)據(jù)評估的準確性。自動化還可以結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，提高對數(shù)據(jù)的處理分析能力。例如，對顯微鏡成像和革蘭式染色結(jié)果分析的自動化可以改進常見血流病原體的手動分類，自動超聲心動圖分析可以高精度地對一系列病理進行分類?？勺匪菪钥勺匪菪允菍嶒炇易詣踊牧硪粋€重要優(yōu)勢。將測試結(jié)果相互比較以及與標準進行比較的能力對于科研型實驗室和臨床診斷實驗室都至關(guān)重要?？勺匪菪缘牧硪粋€重要方面是數(shù)據(jù)來源，即描述數(shù)據(jù)歷史和來源的能力。在科研型實驗室中，可追溯性對于將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床至關(guān)重要。而在臨床實驗室中，將計量可追溯性納入2012年發(fā)布的ISO

15189標準更加突出了這一概念的重要性。在根據(jù)臨床實驗室的檢測結(jié)果來遵循臨床指南的建議去采取醫(yī)療措施的情況下，數(shù)據(jù)的可追溯性能夠有效降低患者受到醫(yī)療傷害的風(fēng)險。實驗室自動化使得實驗室對樣品的處理帶有有足夠的文檔記錄和準確性，對于數(shù)據(jù)監(jiān)管鏈條的形成有很大幫助。效率在各種形態(tài)和規(guī)模的實驗室中，自動化設(shè)備比手動操作具有更高的效率，在重復(fù)性任務(wù)上節(jié)省的時間可以花在分析實驗結(jié)果、進行實驗規(guī)劃規(guī)劃和其他更有價值的工作上。實驗室自動化還可以通過更高的分液精度來減少使用的試劑和培養(yǎng)基的數(shù)量，從而提高效率。實驗室工作流程自動化還可以延長實驗室的運轉(zhuǎn)時間。例如在微生物實驗室中，自動涂板系統(tǒng)可以每天24小時處理標本并接種培養(yǎng)皿。安全在一些實驗室中，存在處理危險化學(xué)品和設(shè)備的流程。這些流程的自動化可以降低研究人員和技術(shù)人員的安全風(fēng)險。實驗室自動化程度的提高還降低了與感染性生物樣本，如新冠、埃博拉病毒接觸的風(fēng)險，也避免了實驗室工作人員的重復(fù)性勞損。11企業(yè)圖譜：從商業(yè)模式看，中游的實驗室自動化廠商可大致分為產(chǎn)品商、系統(tǒng)集成商和細分場景應(yīng)用商，目前國內(nèi)自動化領(lǐng)域主要的創(chuàng)業(yè)公司屬于系統(tǒng)集成商代表公司實驗室自動化產(chǎn)業(yè)鏈進口廠商國產(chǎn)廠商島津、英騰、博世、霍尼韋爾鼎智科技、綠的諧波、鳴志電器、匯川技術(shù)關(guān)鍵零部件儀器設(shè)備工作站上游賽默飛、島津、安捷倫、羅氏聚光科技、皖儀科技、禾信儀器、萊伯泰科Hamilton、Tecan、Beckman、PerkinElmer奧美泰克、耐優(yōu)生物、中析中游：標準化產(chǎn)品慧靈機器人、遨博機器人、節(jié)卡機器人機器人/機械臂Brooks、電裝、史陶比爾羅氏、西門子、Beckman、

新產(chǎn)業(yè)、安圖生物、醫(yī)療檢驗流水線雅培邁瑞醫(yī)療生命科學(xué)自動化多場景綜合解決方案匯像科技、奔曜科技、晶泰科技、鎂伽科技、海爾生物醫(yī)療、玄刃科技中游：系統(tǒng)集成商賽默飛、Biosero、PerkinElmer、Beckman核酸分析、蛋白分析的樣品前處理自動化Illumina、10×Genomics、

華大智造、諾和致源、BDBiosciences墨卓生物、譜育科技生物樣本自動化低溫存儲基點生物、艾爾溫、原能生物賽默飛、SPTLabtech康寧、RORZE-ReMed中游：細分場景解決方案曼森生物、英諾維爾、禮達先導(dǎo)、華龕生物細胞培養(yǎng)自動化Berkeley

Lights、GingkoBioworks、Amyris、Transcriptics微流控芯片高通量篩選天木生物、墨卓生物青軟智控、明度智慧賽默飛、PerkinElmer、Biosero自動化軟件表1丨實驗室自動化的產(chǎn)業(yè)鏈

（來源：DeepTech）12核心競爭要素：產(chǎn)品商比拼性價比，系統(tǒng)集成商比拼掌握的核心設(shè)備多少，細分場景應(yīng)用商比拼客戶群體數(shù)量（1）實驗室自動化上游包括提供檢測儀器設(shè)備、零部件，以及框架、密封、防火、電控系統(tǒng)的廠商。其中如加樣針、光柵、傳感器、色譜柱、真空泵等很多核心零部件，尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化，處于被“卡脖子”的狀態(tài)，未來在供應(yīng)鏈方面可能會面臨挑戰(zhàn)。目前國產(chǎn)廠商在整合系統(tǒng)時，通常核心零部件和高端儀器不得不選擇進口產(chǎn)品，而低端的框架、密封、防火、電控系統(tǒng)選擇國產(chǎn)產(chǎn)品。圖5丨精密玻璃注射器、加樣針、高效液相色譜柱和通用移液器吸頭（來源：Hamilton官網(wǎng)）（2）中游廠商從商業(yè)模式上大致可分為三類。第一類是產(chǎn)品商。他們針對標準化的需求，提供樣品處理工作站、機械臂、流水線等某種特定的標準化產(chǎn)品。這類廠商專注于打磨技術(shù)和產(chǎn)品，進行儀器的同質(zhì)化標準化競爭，比拼性能參數(shù)、價格、應(yīng)用、服務(wù)。第二類是系統(tǒng)集成商。他們針對客戶的非標準化的需求，集成元件、儀器、工作站、機器人、微流控、軟件等技術(shù)進行定制化的開發(fā)，提供綜合性解決方案，目前國內(nèi)實驗室自動化領(lǐng)域多數(shù)創(chuàng)業(yè)公司，如匯像科技、鎂伽科技、奔曜科技、晶泰科技等屬于這一類。他們提供多個生命科學(xué)實驗室場景的解決方案，如合成生物學(xué)、微生物、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、多組學(xué)等等。對于集成系統(tǒng)來說，掌握更多核心設(shè)備的廠商更有話語權(quán)和定價權(quán)。第三類是細分場景應(yīng)用商。他們定位介于前兩者之間，既有做產(chǎn)品的基因，也需要根據(jù)客戶需求進行定制化開發(fā)，針對某些特定細分場景提供自動化解決方案。通?；谙掠萎a(chǎn)品已經(jīng)積累的很大客戶群體，向上游場景開發(fā)自動化應(yīng)用，因此下游場景客戶群體數(shù)量大的廠商會更占據(jù)優(yōu)勢。13核心競爭要素：產(chǎn)品商比拼性價比，系統(tǒng)集成商比拼掌握的核心設(shè)備多少，細分場景應(yīng)用商比拼客戶群體數(shù)量例如華大智造是國產(chǎn)NGS測序儀的龍頭，并提供NGS測序相關(guān)服務(wù)，積累了大量用戶，而進行NGS測序，需要對其樣品進行統(tǒng)一的“DNA片段化、末端修復(fù)、3‘末端加A、接頭連接、PCR富集、文庫質(zhì)檢、濃度定量”測序樣品前處理和建庫流程，產(chǎn)生了大量自動化需求，因此華大智造開發(fā)了自動化樣本前處理系統(tǒng)，拓展了實驗室自動化相關(guān)業(yè)務(wù)。NGS測序服務(wù)商諾禾致源目前也在仿照華大智造的模式，開展NGS樣品建庫自動化業(yè)務(wù)。類似的邏輯還有聚光科技的子公司譜育科技，專注做質(zhì)譜儀和色譜儀，也在開展質(zhì)譜色譜檢測的樣本前處理自動化，墨卓生物提供單細胞測序服務(wù)，以及上游樣品自動化建庫產(chǎn)品。此外，曼森生物在做微生物發(fā)酵的生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，拓展菌種高通量篩選的實驗室自動化業(yè)務(wù)，英諾維爾、華龕生物做細胞培養(yǎng)自動化，基點生物、艾爾溫做生物樣本自動化低溫存儲，青軟智控、明度智慧等公司做自動化相關(guān)軟件，管理實驗室的“人機料法環(huán)”，確保合規(guī)性和數(shù)據(jù)安全。另外還有一類比較新的場景是在藥物篩選和合成生物學(xué)領(lǐng)域，利用微流控芯片技術(shù)而非傳統(tǒng)的自動化技術(shù)來做高通量自動化細胞的培養(yǎng)和分選。目前這個領(lǐng)域國內(nèi)的進行商業(yè)化的公司還比較少，代表研究團隊包括清華大學(xué)的邢新會和張翀教授課題組，目前邢新會教授已參與成立了天木生物對外承接高通量篩選業(yè)務(wù)，而張翀教授參與成立的聚樹生物也已搭建了一套高通量自動化篩選平臺。墨卓生物的抗體發(fā)現(xiàn)平臺（單B細胞分選平臺）也是其中重要力量，可用作抗體藥物篩選以及合成生物學(xué)的酶進化等領(lǐng)域。在一些非高端技術(shù)領(lǐng)域，如自動化移液工作站、生物樣本存儲等，國產(chǎn)品牌相對進口來說具有價格和售后服務(wù)的優(yōu)勢，未來有望率先實現(xiàn)國產(chǎn)替代。（3）實驗室自動化行業(yè)的下游是終端應(yīng)用場景，研究型用戶主要包括高校和科研機構(gòu)、CRO公司、合成生物學(xué)公司和藥企，檢驗檢測型用戶包括醫(yī)院、第三方檢測中心、疾控中心、海關(guān)等。14商業(yè)化路徑：技術(shù)-產(chǎn)品-應(yīng)用場景（實驗環(huán)節(jié)）-終端用戶工作站分配和操作液體（如試劑、溶劑和樣品）的過程自動化可進行樣品處理、液體處理、設(shè)備操作、微孔板操作機器人系統(tǒng)微孔板讀板機自動執(zhí)行微孔板的讀數(shù)和清洗過程，通常用于高通量篩選分析產(chǎn)品形態(tài)生物樣本系統(tǒng)生物樣本的自動低溫存儲和檢索自動顯微鏡系統(tǒng)自動完成在顯微鏡下對樣品進行成像和分析的過程管理實驗流程和實驗室數(shù)據(jù)，包括樣品跟蹤、工作流程管理、數(shù)據(jù)分析和耗材管理等軟件將多種到一個連貫且簡化的工作集成系統(tǒng)流程中，從而實現(xiàn)完全自動化的實驗多種自動化產(chǎn)品整合起來應(yīng)用于不同的、可自動化的實驗環(huán)節(jié)分子實驗細胞實驗多組學(xué)樣品前處理細胞生物學(xué)微生物學(xué)合成生物學(xué)應(yīng)用場景SNP基因分型核酸提取純化微生物檢測培養(yǎng)基分裝菌落挑選菌種酶文庫篩選菌種鑒定和保存分子克隆細胞培養(yǎng)雜交瘤細胞篩選細胞株篩選等NGS文庫構(gòu)建酶聯(lián)免疫分析蛋白組學(xué)前處理代謝組學(xué)前處理等菌種分離等基因編輯等終端用戶海關(guān)、疾控醫(yī)院、第三方檢驗實驗室高校和科研機構(gòu)藥企、CRO合成生物學(xué)公司中心、企業(yè)質(zhì)檢部門等公司研發(fā)檢驗檢測圖6丨實驗室自動化企業(yè)的商業(yè)化路徑

（來源：DeepTech）15產(chǎn)品形態(tài)：目前硬件領(lǐng)域液體工作站和機械臂整合系統(tǒng)是主流，軟件領(lǐng)域與國外差距大中國實驗室自動化廠商大部分在2016-2020年成立，目前產(chǎn)品初具雛形，仍需要足夠的時間繼續(xù)打磨產(chǎn)品，在運行穩(wěn)定性、功能完備性、系統(tǒng)開放性等實際的交付和使用體驗上與沉淀了幾十年的進口廠商仍有一定差距。中國硬件技術(shù)相對成熟，在軟件領(lǐng)域仍與進口廠商有較大差距。國產(chǎn)廠商優(yōu)勢在于國產(chǎn)替代的政策導(dǎo)向、價格優(yōu)勢（價格約為進口自動化設(shè)備的一半）和售后服務(wù)（工程師可隨時上門），目前更多扮演著客戶方案規(guī)劃咨詢和行業(yè)領(lǐng)路人的角色，交付落地仍需要廠商在人才結(jié)構(gòu)和管理標準化上努力。硬件領(lǐng)域：液體工作站和機械臂整合系統(tǒng)是主流產(chǎn)品液體工作站和機械臂是最早出現(xiàn)的也是目前比較主流的實驗室自動化產(chǎn)品，歐美日占據(jù)領(lǐng)先地位。目前基于液體的處理是最主流的產(chǎn)品，以梯度稀釋、液體合并等功能為核心可以將樣品的前處理環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，廣泛應(yīng)用于生物工程、DNA質(zhì)粒純化、藥物篩選、ELISA酶免反應(yīng)、PCR前處理、DNA測序前處理、臨床檢驗樣品處理、血站系統(tǒng)高通量樣品分析，以及各種實驗室檢測前處理等環(huán)節(jié)。目前液體處理從單通道到384通道，從毫升級別到納升級別，市場需求與技術(shù)的成熟度達到了相對匹配。常見的應(yīng)用如qPCR樣品處理、方法篩選、NGS建庫等，已經(jīng)有了較長時間的應(yīng)用基礎(chǔ)，液體處理的技術(shù)已經(jīng)能做到一些企業(yè)的合規(guī)性要求，目前國內(nèi)實驗室自動化創(chuàng)業(yè)的公司也多數(shù)集中在液體處理工作站基礎(chǔ)上進行整合和應(yīng)用開發(fā)。雖然有不少國產(chǎn)廠商提供自動化移液工作站，但在實際使用中，代替移液槍使用沒有問題，但由于穩(wěn)定性和開放性的原因還不能很好的集成到整套自動化流程中。在機械臂方面，國內(nèi)的機械臂設(shè)計死角比較多，在功能完備性和靈活性上不能完全滿足需求。圖7丨全自動移液工作站（來源：中析官網(wǎng)）16產(chǎn)品形態(tài)：目前硬件領(lǐng)域液體工作站和機械臂整合系統(tǒng)是主流，軟件領(lǐng)域與國外差距大軟件領(lǐng)域與國外差距較大實驗室的自動化不僅僅是在操作流程方面，還包括樣本流和信息流，除了要完成對實驗儀器的操作，更要對實驗儀器產(chǎn)生的結(jié)果或?qū)嶒灹鞒痰臄?shù)據(jù)結(jié)果進行整合處理。國內(nèi)與國外廠商的核心差距在于軟件方面，難以滿足對各種流程控制的精準性和系統(tǒng)的開放、調(diào)度能力和穩(wěn)定性要求。精準性：既需要時間上樣本流、信息流、操作流的精確配合，也需要空間上控制機?器以極高精準度在生物實驗的微小體系中精準完成動作。開放性：一套自動化設(shè)備通常由多家公司提供，生態(tài)十分龐大，中控系統(tǒng)需要兼容各種軟件，處理設(shè)備接口和數(shù)據(jù)接口，對開放性、調(diào)度能力和穩(wěn)定性有很高要求。?以賽默飛的LIMS軟件為例，其能夠?qū)崿F(xiàn)工作流程自動化，管理樣品和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)選擇的供應(yīng)商的儀器和軟件集成，其預(yù)構(gòu)建的工作流程可根據(jù)需求變化配置和增強。圖8丨LIMS軟件（來源：賽默飛世爾科技官網(wǎng)）生物樣本系統(tǒng)：產(chǎn)品的性能和滲透率有待提高自動化生物樣本系統(tǒng)涉及樣本存儲庫、轉(zhuǎn)運與配套設(shè)施、自動化降溫和復(fù)蘇設(shè)備、智慧管理軟件等。以干細胞低溫儲存庫為例，國產(chǎn)樣本庫的密閉性、溫差控制、斷電解決方案這幾個關(guān)鍵性能參數(shù)離進口產(chǎn)品還有明顯差距。圖9丨蜂巢式-196℃氣相液氮存儲設(shè)備（來源：原能生物官網(wǎng)）17應(yīng)用場景：分子和細胞層面的實驗環(huán)節(jié)自動化相對比較成熟，動物層面實驗的自動化仍是空白雖然從產(chǎn)品角度看，國內(nèi)大部分廠商與進口廠商差距較大，但是國內(nèi)鎂伽科技、奔曜科技、匯像科技等大部分自動化初創(chuàng)公司是系統(tǒng)集成商，他們可以針對實驗環(huán)節(jié)或者某些場景提供定制化解決方案，綜合價格、性能、渠道等因素來選擇國產(chǎn)或者進口產(chǎn)品來集成系統(tǒng)。目前來說大部分具有標準化流程、高重復(fù)性的實驗環(huán)節(jié)已經(jīng)有自動化解決方案。分子層面實驗環(huán)節(jié)以標準化的樣品前處理為主，適合做標準化的產(chǎn)品在多組學(xué)分析樣品的前處理方面，從基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等不同組學(xué)層次來看，由于NGS測序服務(wù)和疫情核酸檢測的需求帶動，在基因組和轉(zhuǎn)錄組的核酸提取純化、NGS文庫構(gòu)建等產(chǎn)品應(yīng)用已經(jīng)成熟，未來隨著生命科學(xué)研究、藥企的靶點發(fā)現(xiàn)、合成生物學(xué)公司的酶學(xué)改造和代謝物檢測等下游應(yīng)用場景進一步拓展，相關(guān)蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)檢測需求提高，其樣品前處理的市場也會打開天花板，促進相關(guān)產(chǎn)品進一步發(fā)展成熟。細胞層面實驗環(huán)節(jié)涉及各種流程性實驗，適合做定制化整合系統(tǒng)在細胞生物學(xué)、微生物學(xué)、合成生物學(xué)方面，目前針對分子克隆、細胞培養(yǎng)、基因編輯、微生物檢測等可標準化的實驗環(huán)節(jié)已經(jīng)有自動化解決方案。這些實驗環(huán)節(jié)在下游終端客戶的分布相對比較零散和交叉，如抗體藥企會用到基因編輯、細胞株的篩選和細胞培養(yǎng)，疾控中心主要用到微生物的檢測，合成生物學(xué)公司用到菌種酶文庫篩選、菌種鑒定和保存、分子克隆、基因編輯等。適合以系統(tǒng)整合、定制化開發(fā)的方式來進行自動化改造，同時這些企業(yè)和事業(yè)單位對合規(guī)性也有較高的要求。動物層面實驗環(huán)節(jié)動物個體差異大，適合做人機結(jié)合的輔助性實驗系統(tǒng)以上的實驗環(huán)節(jié)的自動化集中在分子和細胞層面，但是對于動物層面的實驗環(huán)節(jié)，目前仍是空白。以小鼠為例，在飼養(yǎng)、實驗取樣、加藥處理等實驗環(huán)節(jié)，需要剪爪、尾靜脈采血、眼球取血、腹腔注射、大腦核團的指定區(qū)域注射、取卵和移植等大量重復(fù)性人工操作。對于活體動物的操作，一方面在不麻醉的情況下難以控制和定位，需要比較好的固定手段，另一方面動物個體的差異性也對自動化設(shè)備的靈活性提出了更高要求。未來可能出現(xiàn)類似手術(shù)機器人等輔助實驗人員操作的自動化產(chǎn)品形態(tài)。18終端用戶：具有高通量篩選需求的藥物研發(fā)和合成生物學(xué)公司是近期可以較快商業(yè)化的發(fā)力方向從終端用戶看，實驗室自動化最快能夠落地的方向在于實驗流程標準化的檢驗檢測和科研端的高通量篩選需求。在檢驗檢測用戶中，醫(yī)院基本已經(jīng)完成了自動化流水線的布局，國產(chǎn)替代是其主要邏輯，而疾控中心、企業(yè)質(zhì)檢藥監(jiān)部門、海關(guān)、司法鑒定中心等檢驗檢測單位還有很大的機會點。在科研用戶中，藥物分子篩選、菌株篩選等高通量篩選會率先應(yīng)用自動化技術(shù)，如上海藥物所已建立了藥物篩選的自動化平臺，深圳先進院在搭建合成生物學(xué)自動化大設(shè)施，利物浦大學(xué)研究團隊2019年發(fā)明的AI機器人化學(xué)家，也是應(yīng)用在催化劑的高通量篩選中——2022年初它首次通過高通量篩選自主發(fā)現(xiàn)了一種高活性的催化劑。因此，不考慮醫(yī)學(xué)檢驗場景，目前兼具剛需和支付能力的生命科學(xué)類實驗室主要集中在多組學(xué)測序服務(wù)公司、大型CRO、藥企、平臺類合成生物學(xué)公司、部分進行高通量藥物篩選和合成生物學(xué)研究的科研機構(gòu)、疾控中心、質(zhì)監(jiān)藥監(jiān)等部門以及部分政府買單的標桿實驗室項目等。目前國內(nèi)這些兼具剛需和支付能力的生命科學(xué)類實驗室的數(shù)量在1000-2000個，按照單個實驗室平均花費1000萬人民幣來預(yù)估測算，市場規(guī)模在百億人民幣以上（此外，國內(nèi)非生命科學(xué)的實驗室也有非常多，拿世界五百強企業(yè)和事業(yè)單位來說，國內(nèi)的實驗室有支付能力的在5000個以上）。但因市場還在發(fā)展早期、缺乏典型的標桿案例，規(guī)?；瘧?yīng)用無從談起，市場規(guī)模的計算目前還只是一個數(shù)字。對自動化廠商來說，多去跑幾家客戶，打開市場才是實際。對于企業(yè)用戶應(yīng)用自動化，需要先得到法律法規(guī)、行業(yè)專家或者是相關(guān)第三方的認可，因此自動化廠商打造完產(chǎn)品和應(yīng)用場景解決方案后，找到標桿客戶是打通商業(yè)閉環(huán)的最后一步。只有在事業(yè)單位、科研機構(gòu)以及大型企業(yè)先適用，通過標桿客戶和案例來打磨和推廣產(chǎn)品，才會帶動實驗室自動化的規(guī)?；瘧?yīng)用。19在具有高通量藥物篩選需求的藥企和CRO企業(yè)中已有實驗室自動化應(yīng)用案例晶泰科技與禮來簽署藥物發(fā)現(xiàn)合作，以AI+實驗機器人驅(qū)動首創(chuàng)新藥研發(fā)2023年5月31日，晶泰科技與禮來宣布簽署一項2.5億美元的協(xié)議，實現(xiàn)在AI小分子新藥方面的合作。晶泰科技將利用AI藥物研發(fā)平臺“干實驗室”

與自動化機器人

“濕實驗室”

結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢，從頭設(shè)計候選化合物，綜合評分最高的分子將在由數(shù)百臺機器人工作站組成的自動化實驗室中被合成出來，經(jīng)過一系列生物化學(xué)，細胞，藥理藥代等測試驗證其活性和成藥性，而計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)會快速反饋給其算法平臺，形成AI算法與真實實驗的DMTA（設(shè)計-智造-測試-分析）閉環(huán)，為禮來從頭設(shè)計并交付具有競爭力的候選化合物。鎂伽科技與義翹神州達成深度戰(zhàn)略合作2023年4月18日，鎂伽科技與國內(nèi)蛋白、抗體研發(fā)生產(chǎn)商義翹神州簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將針對打造新一代智能化、自動化實驗平臺展開合作。此次交付的全自動質(zhì)粒構(gòu)建系統(tǒng)是基于鎂伽全自動分子實驗平臺與義翹神州應(yīng)用場景相結(jié)合開發(fā)的分子克隆平臺，實現(xiàn)質(zhì)粒構(gòu)建實驗中PCR擴增、連接、轉(zhuǎn)化、克隆挑選等各項操作的全流程自動化，滿負荷運行情況下，預(yù)計可節(jié)省人工90%，并可幫助綜合提升實驗室產(chǎn)能,滿足義翹神州對于分子構(gòu)建的高通量需求。匯像科技交付為英矽智能搭建的“AI+機器人全自動化實驗室”2022年12月29日，由AI制藥公司英矽智能在蘇州BioBAY舉行啟動儀式，正式交付歷經(jīng)6個月建成的由AI輔助決策的全自動化機器人實驗室。該智能機器人實驗室涵蓋一套由匯像科技定制研發(fā)的、可實現(xiàn)多種功能島的獨立運行和串聯(lián)、并對整體實驗流程進行時序優(yōu)化和智能控制的自動化解決方案，聚焦靶點發(fā)現(xiàn)、化合物篩選、個性化藥物開發(fā)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。匯像科技提供的實驗室自動化解決方案，可實現(xiàn)細胞培養(yǎng)、核酸分子鑒定、高通量藥物篩選、高通量NGS測序前樣本建庫、蛋白純化和鑒定、LCMS質(zhì)譜樣本前處理等應(yīng)用方向的智能化操作，打造真正的無人化實驗室。20在具有高通量細胞株篩選需求的合成生物學(xué)研發(fā)機構(gòu)中已有實驗室自動化應(yīng)用案例深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的“合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”（大設(shè)施）“合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”是深圳市光明區(qū)科學(xué)城建設(shè)優(yōu)先啟動和布局的重點項目之一，由深圳市政府投資建設(shè)，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院為建設(shè)牽頭單位，司同研究員作為總工藝師，華大生命科學(xué)研究院、深圳第二人民醫(yī)院參與建設(shè)?！按笤O(shè)施”重點建設(shè)內(nèi)容包括設(shè)計學(xué)習(xí)平臺、合成測試平臺、用戶檢測平臺三大平臺。?

設(shè)計學(xué)習(xí)平臺利用生物信息、數(shù)理模型、生物合成大數(shù)據(jù)及人工智能等手段，針對特定科學(xué)需求，提供實驗方案，并生成合成測試平臺的可執(zhí)行指令。軟件工具及數(shù)據(jù)庫以自主研發(fā)為主。?

合成測試平臺主要由大片段DNA、噬菌體、細菌、酵母等系統(tǒng)組成，將通過搭建自動化模塊，作為“功能島”執(zhí)行特定功能，并根據(jù)需求實現(xiàn)各類“生產(chǎn)線”的柔性化集成；關(guān)鍵技術(shù)裝備研制遵循紅藍軍路線，兼顧自主創(chuàng)新與吸收國外先進技術(shù)。?

用戶檢測平臺整合蛋白質(zhì)與代謝產(chǎn)物分析、底盤細胞放大培養(yǎng)、高級成像三大檢測系統(tǒng)，對合成產(chǎn)物進行多模態(tài)跨尺度的全方位測試。“大設(shè)施”旨在建設(shè)一個針對人工生命體智能化設(shè)計及自動化鑄造的基礎(chǔ)大平臺，基于智能化、自動化及高通量設(shè)備，搭建用于生物元器件、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、人工細胞等多維度合成生物的合成、組裝、植入、激活與測試的合成生物研究裝置，結(jié)合設(shè)計軟件與機器學(xué)習(xí)的深度研發(fā)，快速、低成本、多循環(huán)地完成“設(shè)計—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)”的閉環(huán)，實現(xiàn)人工生命體理性設(shè)計合成。浙江大學(xué)生物與分子智造研究院的“合成生物學(xué)自動化科學(xué)裝置”（iBioFoundry）合成生物學(xué)自動化科學(xué)裝置是浙江大學(xué)生物與分子智造研究院的重點建設(shè)內(nèi)容之一。該裝置在中央軟件控制下通過軌道式機械臂整合包括自動化移液操作、生物樣品存儲、細胞培養(yǎng)和生化測試等的各種實驗設(shè)備，實現(xiàn)合成生物學(xué)研究中從樣本智能存取、DNA元件組裝、細胞篩選及培養(yǎng)到產(chǎn)物檢測的全流程自動化操作，達到高通量實驗的標準化和高效率目標，可將人工細胞構(gòu)建效率提高兩個數(shù)量級以上。21未來在微量反應(yīng)體系的高通量實驗室自動化進程中，微流控芯片技術(shù)的進步和應(yīng)用是重要的發(fā)展趨勢微流控芯片可在微納尺度進行自動化實驗微流控芯片（Microfluidics），又稱“芯片實驗室”（lab-on-a-chip），可以把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。微流控芯片是微流控技術(shù)的下游應(yīng)用單元，通過微型電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，微流控芯片能夠在固體芯片表面構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，快速、準確地實現(xiàn)對核酸、蛋白質(zhì)、細胞及其他特定對象的處理和檢測，在芯片上的微米級的流道內(nèi)部實現(xiàn)常規(guī)實驗的自動化。目前微流控芯片在生命科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如POCT分子診斷、生物化學(xué)和免疫學(xué)檢測、單細胞多組學(xué)分析、藥物篩選、單B細胞篩選、菌株定向進化等。圖10丨單細胞建庫的流程圖（來源：墨卓生物）微流控芯片具有縮短反應(yīng)時間、提高反應(yīng)通量、降低反應(yīng)消耗的優(yōu)勢單細胞測序技術(shù)（single

cell

sequencing）是指在單個細胞水平上，對基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀組進行高通量測序分析的一項新技術(shù)，它能夠彌補傳統(tǒng)高通量測序的局限性，揭示單個細胞的基因結(jié)構(gòu)和基因表達狀態(tài)，反映細胞間的異質(zhì)性。最早的單細胞測序技術(shù)，通過分離出單個細胞，獨立構(gòu)建其測序文庫，并進行測序，代表技術(shù)包括：主要運用于細胞樣品的流式細胞儀技術(shù)（Luorescence

Activated

Cell

Sorting,FACS）以及主要運用于組織切片樣品的熒光捕獲顯微切割（Laser

Capturemicrodissection,

LCM）等。這類方法簡單直接，但也存在顯而易見的共通缺陷：低通量，高成本——當(dāng)所測單細胞數(shù)量較低時，研究結(jié)果不足以反映問題；而隨著所測數(shù)量增長，測序的成本也隨之呈線性提升。哈佛大學(xué)大衛(wèi)·韋茲教授通過微流控技術(shù)，在2015年發(fā)表了inDrop和Drop-Seq兩種方法，單細胞轉(zhuǎn)錄組測序取得了重大突破，它們結(jié)合了微流體和核苷酸條形碼進行回顧性鑒定，這些方法能夠?qū)?shù)千個細胞進行平行分析，用于多種測序方法。微流控技術(shù)的使用，使單細胞測序的成本從每個細胞數(shù)千元降低到數(shù)元，時間加速了超百倍。22未來在微量反應(yīng)體系的高通量實驗室自動化進程中，微流控芯片技術(shù)的進步和應(yīng)用是重要的發(fā)展趨勢基于微流控芯片的自動化需求仍未被充分滿足，多步法微流控技術(shù)是微流控自動化大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。當(dāng)前主流的微流控技術(shù)是一步法，而實際上部分實驗的復(fù)雜性導(dǎo)致了一步法微流控技術(shù)無法滿足需求。目前復(fù)雜步驟的微流控技術(shù)僅有少量公司能夠產(chǎn)業(yè)化，例如中國已有公司在液滴微流控技術(shù)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，首創(chuàng)四步法的微流控芯片操控技術(shù)，可對微液滴進行生成、注射、分選、融合操作，在芯片上自動完成步驟更加復(fù)雜的實驗，如微生物單細胞測序的建庫實驗等，實現(xiàn)了移液工作站的功能。液滴微注射:向制好的液滴添加成分以發(fā)生二次反應(yīng)液滴融合:兩個平行液滴通過壓力和特殊的流道設(shè)計進行融合液滴分選:熒光信號識別并進行液滴分選圖11丨液滴注射、分選、融合技術(shù)（來源：墨卓生物）23未來在微量反應(yīng)體系的高通量實驗室自動化進程中，微流控芯片技術(shù)的進步和應(yīng)用是重要的發(fā)展趨勢高通量單細胞微生物基因組學(xué)是多步法微流控技術(shù)的典型案例鄭文山博士和David

Weitz教授合作在Science上發(fā)表了“Microbe-seq”方法學(xué)突破，基于四步法液滴微流控操作技術(shù)和定制開發(fā)的生物信息學(xué)分析手段，不需要培養(yǎng)即可從復(fù)雜微生物群落中獲取成千上萬個單細胞微生物的基因組信息，并組裝出高質(zhì)量的菌株水平基因組，從而能夠在不損失分辨率或廣泛物種適用性的基礎(chǔ)上探究微生物群落的基因組。該方法可用于具有復(fù)雜微生物群落的樣本，如糞便、土壤和海洋等，在微生態(tài)研究中具有極大的市場應(yīng)用潛力，開創(chuàng)了單細胞微生物組學(xué)的新時代。圖12丨單細胞微生物組測序技術(shù)（來源：High-throughput,

single-microbegenomicswithstrainresolution,appliedtoahumangutmicrobiome，Science）微流控芯片的應(yīng)用受限于傳感器技術(shù)除了多步法微流控技術(shù)之外，微流控芯片的應(yīng)用還受限于傳感器技術(shù)。目前比較成熟的傳感器是基于熒光標記，來進行待測物檢測和細胞的分選。受限于傳感器技術(shù)，部分實驗室流程不適合用微流控芯片來進行自動化。目前學(xué)術(shù)界正在開發(fā)能夠檢測賴氨酸、谷氨酸等相應(yīng)小分子的傳感器，未來隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片將會在實驗室自動化領(lǐng)域拓展更大的應(yīng)用空間。24合成生物學(xué)、抗體開發(fā)等實驗室自動化需求迫切的領(lǐng)域，也亟待微流控技術(shù)賦能合成生物學(xué)的DBTL循環(huán)需要構(gòu)建工程化平臺以滿足高通量實驗需求合成生物學(xué)需要高通量的造物能力。利用各種生物元件對底盤細胞基因組進行改造的元件工程、線路工程、基因組工程以及后續(xù)的代謝工程等，都對下游產(chǎn)物的量產(chǎn)至關(guān)重要。通過基因擴增、DNA重組、質(zhì)粒構(gòu)建、細胞培養(yǎng)、誘導(dǎo)表達、單克隆篩選、產(chǎn)物鑒定等一系列技術(shù)進行研發(fā)、測試、生產(chǎn)工作，實現(xiàn)DBTL（設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)）循環(huán)，經(jīng)工程化的海量試錯，優(yōu)化工藝流程，最終完成工程化平臺的建設(shè)。圖13丨合成生物學(xué)的DBTL（設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)）循環(huán)（來源：Artificialintelligence:asolutiontoinvolutionof

design–build–test–learncycle）在DBTL循環(huán)中的大規(guī)模構(gòu)建完成后，測試成為一個限速步驟。

例如一個100個氨基酸的蛋白，有20的100次方種可能，而測試每一個樣品需要30分鐘，一周最多測幾百個，以這個速度永遠是測不完的。生命的高度復(fù)雜性使其類似于黑箱，很多時候都需要高通量的方式先求解，再通過逆向工程去研究原理。當(dāng)下合成生物學(xué)領(lǐng)域火熱的“生物鑄造廠（BioFoundry）”，以及SDL實驗室（self-driving

laboratoy）等全自動無人化實驗室相關(guān)概念，正是為了滿足高通量的實驗需求，將機械自動化與微流控芯片自動化相結(jié)合，而建設(shè)成的大型工程化平臺。25合成生物學(xué)、抗體開發(fā)等實驗室自動化需求迫切的領(lǐng)域，也亟待微流控技術(shù)賦能微流控技術(shù)亦可用于高通量抗體篩選，提升篩選效率抗體開發(fā)市場廣闊，廣泛應(yīng)用于診斷試劑以及抗體藥物等制造領(lǐng)域，如IVD抗原檢測以及抗體藥物篩選。自1986年第一個鼠源單克隆抗體藥物OKT3上市以來，F(xiàn)DA共批準了超過100款抗體藥物，每年批準的抗體藥物約占據(jù)批準新藥的1/5。據(jù)醫(yī)療數(shù)據(jù)開放平臺Insight發(fā)布的《2022年全球藥品銷售額TOP100》的數(shù)據(jù)顯示，在銷售額排名的前10種藥品中，4種為抗體藥（其中3種為單克隆抗體）。此外，2022年全球單抗藥物市場規(guī)模超2000億美元，國內(nèi)市場擴大至890億，這表明單克隆抗體市場規(guī)模巨大，開發(fā)意義重大。傳統(tǒng)抗體篩選方法周期長達數(shù)月、篩選效率低。高通量且高效的抗體篩選能夠加速提高抗體開發(fā)的成功率。在抗體開發(fā)過程中，雜交瘤技術(shù)、噬菌體/酵母展示技術(shù)是抗體篩選的主要方法，然而，這兩種方法都具有周期長（2-3個月）、效率低（如雜交瘤技術(shù)中，高效融合效率僅有1/1000）的特點，限制了抗體篩選的速度。因此抗體篩選效率低是抗體研發(fā)的痛點，迫切需要高效篩選平臺出現(xiàn)。據(jù)調(diào)研，目前85%以上的抗體研發(fā)用戶都希望提升抗體篩選效率，并表示如果出現(xiàn)較好的篩選平臺，愿意取代雜交瘤等傳統(tǒng)技術(shù)。單B細胞分選平臺攻克傳統(tǒng)技術(shù)局限性，通過識別液滴中的熒光信號，利用介電泳使液滴偏轉(zhuǎn)到不同流道，從而實現(xiàn)高效分選，具有通量高（通量可達105-106）且篩選周期短（從數(shù)月縮短至1天）的特點，直接對單B細胞或分泌抗體進行分析，可廣泛應(yīng)用于抗體篩選、酶的定向進化、細胞系開發(fā)等領(lǐng)域。圖14丨單B細胞分選結(jié)合VDJ測序流程（來源：墨卓生物）26芯片自動化與機械自動化的結(jié)合或是實驗室自動化的終極形態(tài)芯片自動化與機械自動化技術(shù)形成高效互補目前使用液體處理機器人工作站來自動化合成生物學(xué)實驗的流程正在蓬勃發(fā)展，例如Ginkgo

Bioworks或Amyris等公司使用這些工作站將其發(fā)現(xiàn)過程自動化，有些公司甚至對外提供自動化服務(wù)。典型的分子生物學(xué)過程，如通過電穿孔進行細胞轉(zhuǎn)化、菌落挑選、平板培養(yǎng)和生長，在液體處理工作站和其他儀器中雖然可行，但在全自動實驗室方面存在限制，很難以全自動實驗室所需的無縫方式將它們連接在一起。液滴微流控技術(shù)通過將細胞和試劑封裝在液滴中并對其進行精確操作，可以實現(xiàn)無縫集成。微流控平臺已經(jīng)被用于