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实验室的智能革命

节选自《逻辑思维》第306期

· IoT,机器人,智能实验室

在科学家看来,目前实验还只是一门艺术(art),不是一门严谨的科学(science)。今天,一场实验室的智能革命正在发生。各个高校、国家的实验室将通过智能化,从一个个分散的部落,变得互通互联。

很多科学实验,尤其是生物学实验,虽然实验条件、实验过程都是用文字写出来的,白纸黑字,但是不同的人不同的手去做,实验结果就是不一样。这不像计算机,不管你在哪儿用,不管你用哪一台,只要输入一个信息,机器跑出来的结果肯定是一致的。但是同样一个生物实验,分别在北京和波士顿做,结果可能就是不一样。

可重复、可检验,是科学机制的核心

一个科学家发表一篇论文,别人据此操作,能得出同样的结果,这才能证明你的论文是成立的。你的实验被重复的次数越多,被其他科学家检验得越多,就越可信。你如果要向《Nature》这样的顶级杂志提交论文,你不仅要交代每一个实验步骤是怎么做的,还得把实验的原始数据上传服务器,允许所有人公开访问。别人读你的论文的时候,他就会重复这个实验,看看是不是能得出同样的结果。

《Nature》

但是,很多实验,尤其是生物学实验有一个特点,就是重复性低

医学领域的论文,很多结论过几年就被其他科学家的研究推翻了。不是说之前的科学家不严谨,这是非常正常的现象。为什么会有这个现象呢?因为生物学、医学实验的复杂度太高,稍微一点点变化,都有可能对实验结果带来影响。而这些变化,可能是常人注意不到的因素。

罗成伟举了一个例子。有一家全球顶级的生物材料纳米研究所搬新家,换了一栋楼,之前做出来的实验结果,就再也做不出来了。整个团队花了两三个月的时间找原因,发现原来是做实验用的炉子挪动了,烘烤的位置变了。于是,那帮顶级的博士生,又花了好几个星期的时间去挪炉子,看看在哪个位置,才能做出结果来。

为什么说做实验是一门手艺呢?就是因为做实验的过程中,有太多只可意会不可言传的东西,有太多的偶然因素。说白了,生物学实验在过去,还是小作坊,没有彻底的标准化。

那怎么办呢?罗成伟说:

现在看到一个解决方案,就是智能化——编程,然后由双臂机器人来进行实验操作

ABB Yumi双臂机器人

机器人的好处,首先是标准化。不同人的手,做出来的实验是不一样的,所以说是一门艺术嘛。机器只要共享的是同一个程序,做出来的实验就是一样的。

机器人的第二个好处,是个性化、可编程,甚至可以深度学习,自我进化。智能化实验室,只要修改下数据模型,定义不同的任务,就能做出不同的实验。

你可不要小看这个变化。

智能化实验室给整个生物科学界,甚至人类的科研进步,将会带来不得了的影响

前面讲到,传统实验的问题是重复性低。实验员不可能把自己的每一步操作、每一个环境变量都记录下来。比如,同样的实验室、同样的操作,博士小王每次都能做出结果,博士小李就是做不出来,为什么呢?

因为小王习惯每天晚上10点钟去做实验,刚好撞到细胞系第5天分裂到第50代的时候,去做某一个操作,才能得到这个结果。你如果在第48代去做,实验就是无效的。虽然中间间隔只有几个小时,小王只是运气好,撞上了这个时间而已。实际上,可能他自己都不知道为什么实验能做成。

一个实验中,可能存在成千上万个类似这样的因素,这些因素是人很难捕捉到的。但是在智能化的实验室,机器人可以一边操作,一边把所有信息都记录在案。什么时间,什么温度,细菌生长状况什么样,做了哪些操作,每个操作怎么做的。然后再去分析,什么因素导致实验失败?满足哪些条件,实验才能成功?

iLabService智能化实验室解决方案

把这些搞明白了,就能大幅提高实验的可重复性。换一个实验室,换一批科学家做,也能做成,效率将大大提高。

智能化实验室听起来是个高科技,很费钱。但实际上,它能降低实验的成本

做实验最大的成本是什么?不仅仅是设备,关键是人,做实验的人。培养一个人是很花钱的,培养周期又长。像哈佛、MIT(麻省理工学院)这种名校的博士生,那就是时间和金子堆起来的。这么贵的人,他们每天做的是什么呢?你可不要以为,他们每天做的都是科研突破、人类创新。不,实验室里往往是劳动密集型工作,他们80%的时间都花在一遍一遍地做实验上。因为科学发现,有时候就是一个试错的过程,在实验室里一个个试,看哪个能成。

为什么大学里,学生把导师叫老板?因为学生其实是给导师打工的嘛。就像小作坊里师傅带徒弟,徒弟是给师傅打下手的。做实验这种费力不讨好的活,分配给博士生去做,这样科学家才能在这些实验结果上面搞突破嘛。

罗成伟给我算了一笔账,一个大药厂一般要雇几百个实验员,一个人10-20万美元的年薪。如果实验用的机械臂定价在15万美元以内,就可以替换掉大批的实验员。

生物学实验

智能化实验室能极大推动全球的科研协作

现在科学家之间的协作靠什么?主要靠发论文、读论文。一个科学家有了研究成果,把它写成论文,另一个科学家读了这篇论文,再根据论文中的提示做实验,在这个基础上推动科研创新。

智能化,能够让全球的实验室联网。就像苹果的Siri,你问它天气怎么样?它会获取你所在的位置,发回服务器,查询服务器代理商对天气的预报,然后把这个信息反馈给你。

未来,智能化的实验室也是这样。科学家不必有自己的实验室,可以对着语音助理说,我想做一个什么实验。那边会自动把实验流程分析完毕,然后把实验完成,直接给你生成一个数据报表。

现在,各个高校、各个国家的实验室之间是独立的,就像一个一个分散的部落。而未来,全球的实验室将通过这种双臂机器人互通互联,科技研发的速度就会大大加快,人类克服疾病和生物突破的速度也会加快。

你看,我们一谈起人工智能,就想起自动驾驶、语音识别这些大众比较熟悉领域。但是人工智能这轮革命可没有这么简单,行行业业,各个领域都在发生颠覆性的变革。从小作坊,到工业化,再到智能化;从分散部落,到全球互通互联;从人脑学习,到机器学习——这样的进程在每个领域都在发生。

罗成伟 - 北大物理系毕业、哈佛生物信息系的博士后,现在是哈佛和MIT共建的Broad研究所的研究员,还是两家生物科技公司的创始人。

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