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可用手机远程操控的智能实验室,你准备好了吗?

2017/02/22 来源:Nature自然科研
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导读
能连接设备和传感器的系统终于走进了实验室,这让研究人员得到了一丝喘息的机会,恢复工作与生活的平衡。

原文以The Internet of Things comes to the lab为标题

发布在2017年1月30日的《自然》新闻上

原文作者:Jeffrey M. Perkel

能连接设备和传感器的系统终于走进了实验室,这让研究人员得到了一丝喘息的机会,恢复工作与生活的平衡。

去外地过独立日假期的Kyle Turner收到了一个任何实验室管理员都不想听到的消息:他的冰柜快不行了。

“在手机上收到这些通知的时候,我人正在马萨诸塞州西边,”Turner说。他管理着哈佛大学的一间演化生物学实验室。冰柜是生命科学实验室保存研究成果的地方;失去它等于失去一切。Turner给哈佛大学运维中心的技术人员打了电话,并请一位仍在哈佛大学所在的剑桥市的实验室成员赶到现场,以防一些宝贵的样本需要移动。之后,他利用自己的苹果手机,实时观察技术人员的进度。

“我远程对他们想修复的东西提出意见。‘试试重新排下盒子促进空气流动吧;再试试换个恒温器吧。’我看着手机说,‘嗯,这样可以,那样不行。’”

这样的远程监控都得益于物联网:一项风靡消费市场,现在又进入了实验室的技术创新。


The Project Twins

物联网的理念是,不仅计算机可以连网,日常物品也可以。Felix Wortmann说,这样,日常物品就获得了新的功能。Wortmann是瑞士圣加仑大学博世物联网实验室的科学主管,他研究的是物联网及其对商业的影响。他说,给电灯泡加上Wi-Fi和运动传感器,你就有了一个远程报警系统;给音箱系统加上Wi-Fi,你就能通过手机控制音乐。

在消费市场中,这一概念被应用在了恒温器、电视机和汽车等联网设备上。但直到几年前,实验室设备仍然无法像消费品一样连接入网。联网仪器和设备的出现有望把研究人员从实验室中解放出来——让他们能够远程微调实验、分析数据。实验室管理员能监测仪器的使用,提前发现潜在的设备故障。然而,安全和经济方面的考虑,以及任何成长中的技术都在所难免的痛苦磨合期也让人们对它的热情略有降温。

分节标题

远程冰柜监测和数据自动记录功能并不是新鲜事物。但是,物联网支持将不同供应商的不同设备整合进一个单一的集成平台中,德国Eppendorf AG公司的新兴技术负责人的Andreas Hochberger说。2015年,Eppendorf成为了十余个参与smartLAB项目——一个基于物联网的未来实验室原型——的德国公司之一。今年5月将于德国汉诺威举办的Labvolution2017大会还计划了另一个smartLAB项目。

就职于莱布尼兹大学工艺化学研究所的smartLAB项目领导人Sascha Beutel表示,smartLAB的核心是实验室信息系统,所有实验室组件都与它连接,受它控制,从自我清洁的“智能”实验台,到可以投射化学品安全信息、支持AR(增强现实)显示的智能护目镜皆包括在内。“据我们所知,这是为打造一整个数字支持交互性实验室而做的首次尝试,”Beutel说。

现有的商业性物联网应用并没有这么全面。成立于2014年的TetraScience公司拥有60家学术和产业客户,首席执行官兼联合创始人AlokTayi表示。(TetraScience的出资人包括Digital Science,一家位于伦敦的咨询公司,由霍尔茨布林克出版集团运营;该集团也持有《自然》杂志出版商的股权。)

哈佛大学可持续发展办公室绿色实验室项目的高级协调员Quentin Gilly说,哈佛大学有19个实验室使用TetraScience提供的将设备连接到在线控制面板的服务。这些实验室已经将100多个设备连接入网,主要是保温箱和冰柜;Turner的实验室使用该系统连接了11个仪器。

Peter Girguis的研究方向是深海生物学,他在哈佛有5台连接到TetraScience平台的冰柜和冰箱。这些设备里保存的是大西洋中部到南太平洋间各地的考察船收集到的样本,都是无可取代的。“我们花了几百万美元才得到这些样本,”他说。

实验室里许多最宝贵的样本存储在−80 °C的冰柜里,受系统监测,如有冰柜超温,系统会自动通知哈佛运维中心。但是,实验室里−20 °C的冰柜和冰箱与该系统不兼容,即使它们发生故障,也不会有人收到通知。一有测试TetraScience系统的机会,实验室就立刻抓住了它,Girguis实验室的管理员Jennifer Delaney说。“不需要怎么说服,实验室成员就接受了这套系统。”

TetraScience利用了一个相当于一副纸牌大小的Wi-Fi模块,它可以连接到外部传感器,也可以通过仪器的数据端口连接。传感器可以监测温度、湿度、二氧化碳和氧气水平,以及振动、光强度和空气流量。这类设备可以作为内部传感器的补充,确保保温箱和低氧舱等关键硬件按预期运行。

通过仪器的数据端口直接连接,研究者就能监侧天平、酸度计,甚至还有高效液相色谱系统等设备,在某些情况下还能控制设备。Tayi说,科学家不仅能监测这些仪器,还能将数据传至电子实验记录本,跟踪设备的使用和负载情况,控制实验工作流程。“我们的目标是构建一个能将人员、数据和设备连接在一起的综合性软件平台。”

TetraScience用户可以通过Web浏览器访问这些数据。网页会列出所有已连接的设备及其状态,实验室管理员还能设置温度阈值和警报选项。系统还会显示每一个传感器的历史记录,因此,举例来说,用户可以看出某台冰柜的温度几天来是否在逐渐上升——而这是冰柜可能需要维护的标志,Gilly说。

多位TetraScience用户表达了对Wi-Fi连接掉线的沮丧之情,掉线后有时需要手动重新设置。数据没有丢失——硬件可以继续记录数据几个星期,在连接恢复后将数据上传到系统,不过,Tayi表示,公司已经更新硬件,使其“连接性更为可靠”,并增加了通过网线和移动网络发送数据的选项。

监测的成本

对于Girguis来说不幸的是,他的实验室有20台冰箱和−20 °C冰柜,但只有5个传感器。其中一台没有被监测的设备是一台小型台底冰柜,里面保存了水样本和DNA测序库等大量样本。Delaney说,几个月前,一名学生经过该冰柜时,“闻到一股异味”。“冰柜化冻了,东西都长了霉,特别恶心。没错,里面的一切都没了。”据Girguis估计,单是DNA测序库的价值就在4000美元左右。

Girguis确实考虑过购买更多的TetraScience传感器,但是引导价报价(每年每设备约为400美元)超过了实验室的预算。同样地,Turner的实验室决定放弃TetraScience,而选择来自威斯康星州LaCrosse Technology公司的一个消费级物联网系统,成本为每年每冰柜12美元。Tayi表示,TetraScience无法就定价做出评论。

规模较大的公司也在拥抱物联网技术。美国生物科技公司Illumina研发了BaseSpace Sequence Hub系统,它允许研究人员远程监测新一代DNA测序的运行。美国实验设备公司ThermoFisher Scientific 则推出了ThermoFisher Connect,它可以追踪和处理来自六种不同类型设备的数据,包括实时和数字聚合酶链反应(PCR)热循环仪和质谱仪。

公司首席技术官Mark Field表示,到2017年末,该系统将增加对十余种仪器的支持,包括超低温冰柜,甚至还有智能电动移液器。研究人员可以在线创建一个移液程序,然后将其推送至实验室移液器中。这种设备可以精确追踪用户的行为,提供更好的实验记录,或许还能减少错误——举例来说,它能指示实验技术人员应该向哪一个孔板移液。

ThermoFisher系统是免费的(但平台上的部分分析应用是付费的),用户遍及1万多家机构。用户可以通过Web页面访问系统,也可以使用名为InstrumentConnect的iPhone或安卓应用来监测设备。该应用提供演示模式——用户可以“追踪”虚拟的实时PCR运行。

Jared Farrar是弗吉尼亚联邦大学的一名MD-PhD学生,他使用ThermoFisher系统监测他的实时PCR运行,这项技术使他有更多的时间陪伴家人。他说,在周末,他会顺便去一趟实验室,设置几项反应,然后通过手机监测它们的进度,了解自己应该什么时候回实验室换工具。“这种系统最大的好处是把我从实验室解放出来了,”他说。

Iain MacLeod是波士顿Aldatu Biosciences公司的联合创始人兼首席科学官,他的公司开发监测HIV药物抗性的化验方法。他使用ThermoFisher Connect监测在波士顿开展的PCR实时运行、排解故障,也将其用于博茨瓦纳的田野工作。MacLeod说,自己通勤途中也能分析数据,在回家的路上与合作伙伴共享分析截图。“(这样的系统)很快,也很方便,”他说。

但是,伴随便利而来的是安全隐患。举例来说,通过访问联入物联网的恒温器,黑客或许就能推测出某人何时在休假,这可能使实验室更容易遭受入侵。再比如,在实验室中,黑客可以通过调整冰柜或保温箱设置来破坏硬件或样本。Girguis表示,在将物联网设备当作保护存在误用危险的设备的主要方式之前,他可能需要反复考虑一下。

尽管如此,对于许多研究人员来说,比起冰柜意外故障带来的实际威胁,这些理论风险实在算不上什么。在自己的酒店房间里,Turner看着同事们努力修理出故障的冰柜,很快就意识到他们的努力无济于事。于是,他安排将实验样本转移到了一台备用冰柜中,避免了一场灾难的发生。“如果没有这些设备,周二早上回到实验室时,我们就会看到地上一片狼藉,一冰柜的样品都化了。”

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