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LIMS—实验室流程管控更精细化

2020-05-03 10:02


在全自动生物实验室中,有一个控制全局的“大脑”负责实验设备的调度和管理。这个大脑将根据实验目的来进行流程的控制和优化,让所有仪器紧密配合,有条不紊地在最短时间内完成最多的实验。那么它的运行逻辑是什么?

实验调度,也就是在一定的约束条件下,对需要完成的任务,以及完成任务所需的资源进行分配与次序安排。无论是简单的日程排布,还是复杂的项目管理,小到计算机的进程调度,大到机场的航班调度,都涉及到任务与资源的统筹安排,也就都需要“调度”。

实验室智能化管理系统LIMS,在物理形态上是针对多种仪器设备的自动化整合。独立的仪器设备实现了单个实验步骤的智能化,而通过机械臂搬运,样本可以在仪器设备之间自动化流转,则实现了整个实验流程的自动化。

实验室智能化中,对样本的操作,例如移液(pipetting)、温育(incubation)等,即为「调度」需要完成的“任务”,而这些操作所占用的仪器设备,则为「调度」完成任务所需的“资源”。

传统工业自动化中,为了追求较高的生产效率,产线的作业流程通常是反复优化后的固定流程。而对于生命科学实验室而言,其自动化系统需要进行多种多样的实验,作业流程通常是用户配置的可变流程。因此,工业自动化通常是“刚性”产线,而实验室智能化则相当于“柔性”产线。

实验室智能化管理系统,虽然形态上是设备集成,但本质上更像一种多层级的复杂设备。在这一复杂设备中,被集成的仪器设备是下层的执行单元,它们负责执行具体的实验操作;而这些执行单元如何有效的协同工作,则由更上层的控制器统筹调度。

目前,实验室智能化解决方案的提供图形化拖拽的方法,用于实验流程的定义,用户可以灵活方便的对实验流程进行修改。

控制器提供的图形化拖拽方法,相当于一种特殊的编程语言,用户藉此语言可以对实验流程进行“柔性”定义。

只有上层的控制器具备高效可靠的调度能力,整个智能化系统才能灵活应对实验流程的“柔性”。

实验室智能化的目的在于提高工作效率,实验室智能化的关键则在于实现“高通量”。

在单通量的实验中,一般很少涉及资源冲突的问题,而在多通量的实验中,不同通量的不同任务常常占用同一种设备资源,在这种情况下,资源冲突就不可避免。

资源冲突如果不能合理化解,多个实验通量同时进行时,甚至有可能因为互斥而出现“锁死”。

实验室智能化正是在于解决这种多通量实验中的资源冲突,确保每个实验通量都能有条不紊的进行。

有过实验经历的人一定非常清楚,真实的实验过程通常不是一帆风顺的,而是会充满许多意想不到的波折。即使实现了自动化,这种“波折”依然可能存在。

例如,进行实验流程的排布时,采用的是设备预估的运行时间,但设备实际的运行时间与预估时间相差许多;

再如,设备在运行过程中出现了“可恢复性错误”(Recoverable Error),需要在用户干预后继续运行;

又如,某个设备在运行过程中出现了故障,无法继续参与实验,实验只能在其余的设备上进行。

实验室智能化管理系统,像是一种特殊的产线,与传统的工业产线相比,它最突出的特点在于作业流程的多变。除了实验中出现的“意外”情况,某些实验场景下,还可能需要根据特定的条件判断来对实验流程做动态的切换。

解决实验室管理的问题,必须首先考虑其特殊性,并根据其特点进行建模。对问题模型进行合理的抽象与构建,是解决问题的前提与关键。

实验室管理平台目前已自主研发出应用于实验室智能化软件,能够对灵活定义的复杂实验流程进行调度,可有效处理资源占用冲突、流程时间约束、设备池资源分配等实验并行运行的关键问题,且具备动态管理的能力,作为实验室自动化系统的“中枢”,能够高效地对实验设备与试剂耗材进行调度与管理,实现实验的高通量运行。未来,自动化技术将推动实验室高效运作,实验室智能化应用更好地应用到实验室管理,为检测行业输出更多高效、专业的自动化解决方案。

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