疫情時代,你的實驗室準備好自動化了嗎?

實驗室自動化可以降低使用者待在實驗室的時間,但也需要足夠且相互依賴的使用者跟系統之間的介面(user-system interface)。這篇我們會介紹以下跟實驗室自動化有關的議題:

  1. 實驗室自動化的好處
  2. 好的軟體介面必須包含的幾個特點
  3. 如何設計一個自動化實驗流程
  4. 自動化在數據搜集跟分析上,可以協助使用者優化下一階段實驗
  5. COVID-19時代下的實驗室自動化

關鍵字|COVID。自動化。PAT

 

為什麼現在大家突然都開始談起實驗室自動化?

自動化帶來實驗室很多好處,常常被提到的比方說資料跟流程的標準化,增加精確度跟效率等。但其實最重要的核心價值卻很容易忽略?

自動化實際上對於研究者來說最重要的好處是讓他們從繁瑣且重複的實驗室工作當作釋放出來。研究者可以很有信心的知道他們的研究結果可以被精確且快速地執行完成。現在的研究越來越強調利用多種技術去解決真正重要的問題,所以如何讓實驗室人員快速上手多種儀器是必要的。因此自動化將可以讓實驗室人員真真的專注在科學研究上,而不是在配置溶液、放置樣品、記錄時間、洗瓶子等等。

同時,評估自動化必須要考慮良好的人機介面,因此自動化系統通常要一起評估介面以及對儀器之間的交互影響,並同時可以完成資料的儲存跟索引。

 

從研究人員到機器人-好的軟體介面必須包含的幾個特點

通常大部分的實驗室電腦都已經可以同時操控好幾台儀器設備,這通常是藉由儀器的個別軟體達成,你可以在軟體上操作及控制個別儀器。通常軟體可以讀到儀器的數個參數,比方說熱卡計的溫度跟壓力讀數。而軟體跟軟體之間的排程,調控則是透過更高層級的控制介面,你常聽到的可能是LIMS (laboratory information management system),便可以同時做數據分析跟實驗室儀器管理。

在硬體跟人之間的溝通依賴的是軟體,軟體的使用者介面影響因素越來越大,從使用者的角度來看,好的使用者介面包含以下幾種特點:

  • 能夠彈性的讓使用者使用適合的程序,而不是強迫他們用新方法。
  • 第一次使用時,軟體必須要易懂且有清晰地說明跟指引。
  • 完成任務時,必須要能即時回報。
  • 使用適當的icon讓操作者容易理解。
  • 容易複製步驟,便可以在多個實驗室廣泛使用。

除此之外,在多種不同品牌種類的儀器上,使用相似的儀器介面,也可以有效縮短訓練時間。

從螢幕到實驗室-如何設計一個自動化實驗流程

我們來看一個案例了解一個正確的使用者介面要如何將實驗室的工作流程轉化成螢幕上的圖示。

通常我們會在新藥開發階段、化學製程優化跟放大的安全測試實驗進行一個具有潛在危險的全新反應,而這會需要搜集特定的溫度跟壓力跟壓力參數。

首先必須定義對系統來說安全的反應其合理的操作範圍(比方說定義壓力跟溫度可耐受範圍)。接著再考慮使用者定義的標準:

  • 反應不該達到的最高溫度跟壓力上限是多少?
  • 在最低跟最高的參數界線,使用者是否需要看到哪些警告?
  • 如果超過最高安全溫度或最高壓力,該如何進行停機?
  • 如果其中一個參數到達,該如何使用緊急措施(比方說緊急冷卻,壓力閥釋放,添加抑制劑)?

適當的自動化不但提供精確的結果,還可以藉此保護使用者,例如:

  • 在實驗室去定義到底何謂安全的實驗?
  • 執行實驗時需要監控的頻率並記錄數據。
  • 允許遠端操作-一旦啟動用戶可以離開實驗場所,再藉由軟體做實時監控。
  • 識別危險的實驗狀況,並提出適當的警告。

同時,我們已經可以看到自動化可以明顯的提升生產力,且不需要更多的員工。2018年的一篇文章討論實驗室在自動化後,樣品增加十倍但員工減少了20%。

生產力的提升,是透過系統之間的串接達成,比方說用在催化過程當中的自動地將流動反應器的產物送到質譜作分析。而流動反應器不同的參數(流速,溫度跟壓力)可以藉由設定自動運作以外,還可以將參數輸入到質譜,兩台儀器的動作可以藉此協調。因此用戶實時查看質譜的狀況,並藉由結果自動或者遠端的方式操控反應器,完成了無人值守下的實驗開發。

從實驗室再回到實驗室?-自動化在數據搜集跟分析上,可以協助使用者優化下一階段實驗

最後提到自動化的一個好處是資料的採集跟再次分析。

應該沒有人有信心手抄的數據會完全正確無誤吧?利用電子筆記本所記錄下的實驗結果可以更精確且也更詳細。目前大部分的稽核實驗室都不允許用手抄當作紀錄的依據了,正確跟清楚的實驗紀錄可以幫助實驗室人員判斷實驗究竟是如何被做出來的。

實驗室自動化可以更深入的探討實驗的流程,比如設計24小時不間斷的實驗,所有的參數皆可以被控制、測量跟蒐集,包含樣品體積,溫度,攪拌子的轉速,添加試劑的時間點等。任何跟預期有差異的實驗結果,都可能可以被記錄下來。比方說調整攪拌子的轉速會提高黏度,過去人工作業時根本不可能做到完整紀錄,但自動化的設備可以做到,且無需增加人力。且過程當中可以監控數據,可以提早判斷接下來的實驗方向,優化未來的實驗方法。

圖:實驗室資訊流的流出跟流入。

 

COVID-19時代下的實驗室自動化

實驗室都需要做點調整才能因應疫情所帶來的衝擊,因此自動化沒有一刻比現在更重要。在人力資源有限的情況下,可以完成更多的工作。

針對疫情,軟體介面也慢慢的有了新的變革:

  • 多利用遠端遙測軟體監控系統,以降低研究人員跟實驗室人員近距離接觸的時間。
  • COVID-19在某些產業(比方說生技製藥業)會產生突如其來的爆炸性需求,可以藉由自動化增加效率跟速度。
  • 藉由良好的使用者介面可以減少實驗室間的重工

 

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