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核酸检测的背后,生物实验室自动化如何革新?

2022-03-22
 

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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”赛道瞬间升温,生命科学自动化这一领域的机器人变得更有价值。

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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TTATLA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 

20206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紧密合作,在202110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。当时的场景让机器人365团队坚定了生命科学自动化方向

工业机器人背景的核心技术团队 

20166月,拥有研发、工程背景和项目管理经验的机器人365团队走上创业道路,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。

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确定实验室自动化的方向,是基于行业经验和市场趋势的预判 

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。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,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,机器人365团队两手抓,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,与生命科学领域专家学者深度合作,实现跨界融合发展。

细胞培育自动化带来就新发展 

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。

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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,全体员工投入了细胞自动化项目。从产品试样生产出厂到现在,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。

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细胞培育制备流程

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,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。开箱开盖环节为例,由人来做是一个简单的开动作,但要实现自动化却有大量不简单的技术细节要攻克。

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全自动细胞培育系统

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。之前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。现在,机器人365生命科学自动化设备已经有灯塔工作站水母配送机器人两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。

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水母移动配送系统

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,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变革 

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。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。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。

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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