AI驱动下的实验室自动化构建与发展趋势

AI驱动下的实验室自动化构建与发展趋势实验室自动化（LaboratoryAutomation）是指利用机器人技术、计算机控制系统和人工智能算法等现代技术手段，实现实验室样品处理、仪器操作、数据采集与分析全流程的智能化与无人化。其核心目标是通过替代人工操作来解放科研人力、简化实验流程、降低人为误差，同时显著提升实验的通量、速度、准确性和可重复性。随着AI的加持，实验室自动化进入了“大基建时代”。1、中国实验室自动化的发展进程2000-2019年：中国工业自动化奠定基础2000年后，中国的实验室自动化领域开始出现。2016年开始，中国市场的工业机器人累计销量位列世界第一。自动化设备需要的传感器、机械臂、流程控制设备等都已经有成熟的国产供应链，叠加中国工业自动化的人才供给的能力，为国内生命科学自动化设备发展奠定了基础。2020-2023年：疫情刺激了国产替代的进程2020年，新冠疫情催生了大量核酸样品的检测需求，进一步释放了自动化的空间，尽管大多业务在事后呈现了昙花一现的特点。多家公司在2021-2022年迅速获得融资，尤其整合类业务的实验室自动化公司获得融资金额最高，但事后显示该类本土公司的盈利能力堪忧。以工作站产品为核心业务的公司也逐步获得了融资，开始了加速进口替代的过程。当前实现国产替代的产品主要以中小型工作站为主。2025人工智能与实验室自动化融合阶段《Nature》2025年1月发表综述文章中提到"自驱动实验室Self-drivingLabs"为2025年值得关注的七项技术之一。自动化与人工智能的结合——自驱动实验室（self-drivinglaboratories），其出现正彻底改变传统科研模式。2025年，AI+实验室自动化进入了高速发展通道：•AI算法负责分析实验数据、预测可能的结果，并设计下一步实验流程。•自动化机器人则负责执行这些实验，从物料准备到数据采集，实现全过程的自动化。现代实验室中的自动化流程早已超越简单的“流水线”模式，而是进入了智能化的协作阶段。目前有开源的AI科学家智能体，已经完成了AI读文献并生成实验方案的过程。2025年5月1日，美国FutureHouse发布了首个公开可用的人工智能科学家，包含Crow、Falcon、Owl和Phoenix四个智能体，科研能力超越人类博士。基于大量全文文献的访问能力，它们能详细解答关于实验方案、研究局限性和数据来源的复杂问题，避免了摘要信息的片面性。比如在研究多囊卵巢综合征（PCOS）时，Falcon可以快速整合临床试验数据、基因表达信息和前沿研究，提供完整的背景推理和假设验证路径，显著缩短了传统科研中耗费数周甚至数月的资料搜集时间。同时，Crow能识别出关键基因和潜在的研究空白，为后续实验提供了精准方向。这种“信息漏斗”式的深度分析，依托于未来之家的开放API，使得科研人员可以将智能体无缝集成到现有工作流程中，极大提升科研效率。让我们畅想一下未来：科学家产生了一个Idea：•让AI科学家去读文献并生成若干实验方案；•AI控制远端的无人自动化实验室开始实验；•实验产生的大量数据由AI自行分析；•最后生成一份结果报告发到了科学家的邮箱。一切，只需要在家动动手指。那么这个梦想离我们还有多远？2.AI与实验室自动化的结合现状目前AI的参与大多停留在辅助阶段：AI可以参与自然语言生成代码的环节；也可以通过AI软件进行实验数据的监控，生成和优化出成功率最高的实验条件，智能化的完成循环实验。1）国外案例：OpentronsAIOpentrons凭借其革命性的AI与自动化融合技术，与2025年7月斩获AIBreakthroughAwards“年度机器人流程自动化公司”（全球5,000项提名竞逐），标志其“AI+自动化”模式获国际背书。

OpentronsAI构建了深度适配实验场景的智能中枢，其核心在于将人工智能与移液工作站深度融合：1.自然语言协议生成：科学家只需输入如“将A板样品转移至B板，37℃震荡孵育30分钟”等自然语言指令，系统即自动生成可执行代码并完成设备路径规划，实现真正的“零代码”操作闭环。2.云端仿真预演：利用数字孪生技术预测试验冲突，将实验失败率显著降低60%，规避试错成本。3.模块化硬件生态：开源API支持无缝扩展PCR热循环、磁力架等模块，满足合成生物学、高通量蛋白组学、标准化类器官构建等复杂工作流需求。其底层算法基于实验室场景专项训练的Claude3.7大模型，已覆盖基因组学、蛋白组学、类器官培养与分析等8大领域的协议库，预置超千种高通量筛选方案。Opentrons的国际案例——卡内基梅隆大学：该平台仅用4分钟就精准复现了诺奖级实验流程（成果荣登《Nature》封面）。项目负责人GabeGomes表示：“我们现在每天通过语音指令调度移液工作站完成3000+次精准移液。”Opentrons的国内案例：浙江大学化学工程与生物工程学院在《NatureCommunications》发表最新研究成果，基于GPT-4驱动的反应开发框架（LLM-RDF），构建自动化化学合成开发平台。其中，Opentrons移液工作站结合AI，用于HTS底物筛选、动力学研究及光催化反应条件优化等实验。2)国内进展：镁伽科技发布LABILLION™2025年2月，镁伽科技发布了LABILLION™实验室智慧管理平台，部署了DeepSeek-R1推理模型，它内置的AI算法可以实时分析实验数据，并提供实用建议。同时，平台新增自然语言交互功能，用户只需发出语言指令，系统就能立即执行。3.AI驱动之下，2025年中国实验自动化进入大基建时代AI的加入，让科学研究的效率变得更高，进而增加了实验室自动化的需求。尽管以当前的技术而言，尚无法自动化完成所有实验。但从趋势来看，客户对实验室自动化提出了更高要求，需要更多功能集成、更高的通量和更少人力的参与，典型的应用领域包括合成生物学、高通量药物筛选等。以合成生物学的高校和科研单位为例，过去由课题组老师带领整个课题组的硕博生和科研人员，每周进行文献阅读汇报和科研思路的探讨，现在，文献阅读和实验思路已经可以由AI来提供，加速了整个实验设计的进程，课题组的科研思路呈现迸发趋势，多点发散，非常多的实验设计思路等待执行和验证。人工做实验的速度已经跟不上科研思维爆发的速度了，因此很多高校和科研院所都在积极的搭建自动化基建工程，尤其以合成生物学和高通量药物研发这两个方向为代表。生物硕博生的学生生涯，大多时候是在进行重复的实验操作，较少时候是去参与实验思路的设计和实验结果分析。然而很多实验操作实际上是一个经过培训的大专生都能胜任的，并不需要浪费研究生和博士生的时间。AI+实验室自动化的出现，可以让研究人员专注于研究的创造性思考，不再是做着保洁阿姨都能胜任的重复性工作。依然以合成生物学为例，目前已经落地自动化实验室的案例如下：1）深圳先进技术研究院牵头建设的“合成生物研究重大科技基础设施”/（强烈推荐观看官网完整VR视频）（左）实验室一览（右）其中一个功能岛该项目总投资规模约20亿元，其中软硬件设备总投资7.222亿元。建筑面积为23万平方米（约4个标准足球场），包含40个自动化功能岛，支持柔性化集成生产线。该设施于2024年12月5日正式启用。该设施定位为用户的“云端实验室”和运营者的“智能实验室”。是全国首个，也是全球规模最大的合成生物学大设施，不仅对学术界开放，也对产业界开放。不局限于本地，通过云实验室大设施还能够实现全国接单。企业只需要缴纳一定的费用，接入后台系统，就可以享受到开放共享的专业设备，完成科研项目。2）浙江大学杭州国际科创中心的合成生物学平台iBioFoundry2022年7月，浙江大学杭州国际科创中心搭建的“合成生物学自动化装置”iBioFoundry正式亮相，在当年，iBioFoundry是全球合成生物学研究领域规模最大、集成度最高的全流程、高通量、自动化装置。覆盖“样本库→DNA组装→细胞工厂→分析检测”闭环，日均处理样本量达数千次。虽未公开iBioFoundry单独投资额，但其所属的浙大杭州国际科创中心一期建设总投资250亿元（含土地、基建、设备）。八卦一下，在iBioFoundry落成后的第二年，深圳先进院的合成生物学基础设施建成了，也号称全国首个、全球最大。那么到底谁是全球最大的呢？但不管谁是最大的，这都依赖非常高昂的投入，一般由一线城市或省级单位牵头，与头部高校和科研单位共同建设。从两家的实验室图片可以看出，科研工作者不再亲自站在实验台前操作那些重复且枯燥的实验工作，而是在功能岛前的电脑上，进行一些列的操作。我们站在人才培养的角度假设一下，在这两个研究所毕业的学生，能更专注于研究的创造性思考，可能2个月就完成了普通高校学生几年的实验操作。这是不是让其他高校瑟瑟发抖？毕竟，人工做实验的速度已经跟不上AI加持下思维爆发的速度。所以我们了解到很多高校和科研院所都在积极的搭建自己的自动化基建工程，尤其以合成生物学方向为代表。毕竟浙大和深圳研究院的这两个平台，就算也都对外开放和仪器共享，但总归需要预约，且优先本地客户，灵活性没那么强。他们就像一个区域的公共洗衣房，难道你不想家里安装属于自己的洗衣机吗？所以，未来五年，我们预计超过50%的实验室将部署实验室自动化和AI辅助决策工具，从单点自动化向全链路智能革命跃进。如何才能参与到这类自动化实验室项目中呢？毫无疑问，系统集成商是最容易参与进来的，并且从2020年以来，已经高速发展了几年时间了。然而，他们有自己的困境。4.系统集成商的困境——没有自研硬件2020年以来，国内自动化领域主要的创业公司大多属于系统集成商模式，这类公司包括镁伽、汇像、奔曜等。他们通过采购上游的产品（如仪器、工作站），自己开发一套中控软件进行兼容控制，进而给下游客户提供一套自动化的解决方案。这类企业最大的困境是，自动化工作站和自动化配套仪器都是采购的。而一个实验室自动化平台的订单，大部分款项都付给了硬件厂商，并且不同客户个性化的自动化需求及多品牌不同设备的集成，导致漫长的交付周期，人员投入巨大，因此造成了这类系统集成企业的毛利率偏低，常年无法实现盈利的现状。从镁伽科技的历年年报看集成商的盈利困境——实验室自动化业务毛利率仅21.9%

从镁伽的毛利率表现来看，几乎看不出来是实验室自动化+AI是个好生意，而且研发投入非常高，达到了总收入占比的42.4%，是智慧实验室板块毛利率的翻倍。那么我们仔细研究下到底哪里出了问题：镁伽的收入主要分为两大部分：智慧实验室和智能制造。一、智慧实验室：实验室自动化+AI，镁伽下游客户主要是生命科学为主，客户有安捷伦、药明康德、金域医学、万华化学等。该板块，2024年收入占比32%，毛利率21.9%。镁伽在实验室自动化集成商领域，是本土企业头部品牌。但这个毛利率水平，也只是略高于制造业，相当于科学仪器代理贸易公司的毛利率。镁伽有自己品牌的工作站和自动化仪器，但是这些大部分都是外资企业为其OEM的，也因此这个板块毛利率只有21.9%。【实验室自动化】是镁伽的发家板块，拥有国内领头羊的地位，但收入增长却不及【智能制造】板块。二、智能制造：工业制造自动化+AI，镁伽的产品主要应用于微显示、晶圆、芯片及锂电池的精密检测，覆盖消费级集成电路及新能源领域，客户有瑞幸咖啡、英飞凌科技等。该板块，2024年收入占比68%，毛利率32.3%。其实镁伽在实验室自动化方向的战略布局，一直都是很前沿的，我们前面提到的AI+实验室自动化的国内案例，镁伽于今年2月发布了LABILLION™实验室智慧管理平台，部署了DeepSeek-R1推理模型，它内置的AI算法可以实时分析实验数据，并提供实用建议。同时，平台新增自然语言交互功能，用户只需发出语言指令，系统就能立即执行。至于国内另外两家比较头部的集成商汇像和奔曜，因为没有公开数据披露，所以也不太清楚他们的盈利情况。但我们可以看一下硬件厂商的毛利率，来做个对比。Tecan的整机毛利率为51.2%同样是是做实验室自动化的Tecan，2024年综合毛利率是34.3%，其自动化整机（LifeSciencesBusiness）板块的收入占比为43.18%，其毛利率高达51.2%；OEM板块（PartneringBusiness）的收入占比为57.62%，板块毛利率为24.5%，OEM业务的毛利率行业内普遍偏低，因为约等于没有销售费用环节。图：Tecan年报这个领域的玩家都在努力投入AI，Tecan的2024年研发投入6839万瑞士法郎，重点投向基因组学自动化平台及AI驱动实验室管理系统。只是Tecan的研发投入占比仅为7%而已，所以Tecan的净利率还有7.2%。华大智造的实验室自动化板块毛利率是44.39%华大智造2024年年报2024年年报显示，华大智造的实验室自动化板块，收入占比为7%，毛利率为44.39%，比上年减少4%。华大的自动化板块毛利率略低于Tecan，可能因为一些部件的外购导致其毛利率略低于Tecan。看完这两家的案例，我们就清楚了，为什么国产自动化集成商不赚钱：因为硬件盈利能力强，软件（包括AI软件）盈利能力都比较差，AI更像是锦上添花，自研硬件才是实现盈利的王道。当然了，我们话也不能说得太满，软件只是短期内盈利较差。镁伽做的事情一直都是很前沿的，也给我们带来了新的提示——生命科学数据资产的变现（比如卖给训练大模型的AI公司）“当预训练大模型掀起全球AI革命浪潮时，2024年，镁伽鲲鹏实验室3.0应运而生。新一代实验室的实验通量提升40倍，数据生成能力提高100倍。这一次，镁伽将其定义为生命科学的数据工厂。镁伽构建的不是实验室，而是持续增值的数据资产平台。”不过这个想法的落地，还是需要时间来验证的。5.什么样的硬件，能吃到实验室自动化大基建时代红利？此处分为两部分来介绍：1）工作站和站内仪器模块；2）工作站站外仪器。1）大型工作站和站内仪器模块大型液体工作站往往是实验室自动化的核心仪器，几乎每个功能岛都要采购1-2台大型工作站，工作站站内要用到的移液模块（如灵活8通道等）、温控模块、酶标仪模块、PCR模块、堆栈等硬件，尽量自研，能够有效提升毛利率。此图为深圳先进研究院的合成生物学平台内的功能岛，岛内有面对面放置的两台大型工作站。整个合成生物学平台有40多个功能岛，所以自动化实验室对工作站的需求极大，但前提是“大型工作站”，而不是中小型工作站。国内目前做液体工作站的企业，大概也有三五十家了，但是大部分还是以中小型工作站产品为主，还做不到进口大型工作站的多功能性，或者只是为客户做全流程的大型工作站定制（定制也会造成盈利能力的大幅下降）。要想做出一台大型工作站畅销十年，（比如Tecan在2014年推出Fluent工作站畅销至今），其实非常考验液体工作站企业的产品设计能力。而目前占据了66%的市场份额的前四大家进口工作站企业Beckma