DeepTech+2023实验室自动化行业研究报告_市场营销策划_重点报告202301202_doc.docx

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1、D INSIGHTS给科学研究插上翅膀2023实验室自动化行业研究报告Copyright DeepTech 2023 All rights reserved. Il前言在工业自动化早已实现的今天，汽车、3C等制造工厂的自动化流水线随处可见，生命科 学行业的生产力却仿佛还停留在上个世纪的手工时代，生命科学行业迫切需要一场工业 革命，实验室自动化的变革迎来曙光。本报告中，DeePTeCh重点关注在生命科学场景 应用的实验室自动化技术，通过桌面调研和专家访谈的方式，探讨实验室自动化的发展 现状、限制因素、产品形态、应用场景、终端用户、商业模式、未来发展前景等问题。关键结论 中国实验室自动化的兴起：生

2、命科学上游行业国产替代的需求叠加工业自动化的人才 供给 限制自动化发展的因素主要包括投资回报率不足、产品难以满足需求、需求非标准化、 市场教育不够充分等 产业链：从商业模式看，中游的实验室自动化厂商可大致分为产品商、系统集成商和 细分场景应用商，目前国内自动化领域融资排名位居前列的公司为系统集成商 核心竞争要素：产品商比拼性价比、系统集成商比拼掌握的核心设备数量和控制系统、 细分场景应用商比拼客户数量 商业化路径：技术-产品-应用场景（实验环节）-终端用户产品形态：硬件领域液体工作站和机械臂整合系统是主流，软件领域与国外差距大A应用场景：分子和细胞层面的实验环节自动化相对成熟，动物层面实验自动

3、化仍是 空白A终端用户：目前兼具刚需和支付能力的生命科学类实验室集中在大型CRO、药企、 平台类合成生物公司、部分进行高通量药物筛选和合成生物学研究的科研机构、疾 控中心、质监药监等部门，以及部分政府支持的标杆实验室项目；具有高通量筛选 需求的药物研发和合成生物学公司是近期可以较快商业化的发力方向A市场规模：目前生命科学类实验室的自动化市场规模在百亿级人民币（不包含医学 检验场景和主流仪器设备）规模化应用：挖掘标杆客户是打通商业化闭环的关键一步 微流控芯片技术是微量反应体系高通量实验室自动化的发展趋势 合成生物学、抗体开发等多个领域亟待微流控技术赋能生命科学行业迫切需要一场工业革命，实验室自动

4、化的 变革即将带来曙光随着多组学时代的到来，生命科学逐 渐发展为大数据科学，许多新的信号 通路、转录因子、药物分子的发现依 赖于高通量筛选。但目前生命科学的 生产效率已不能满足生物学家的需求, 组学时代重复、繁琐、高强度实验操 作使科研人员疲惫不堪，384孔板“人工高通量”，既费时费力又容易 出错。生命科学行业迫切需要一场工 业革命，实验室自动化的变革即将为 生命科学行业带来曙光。图1 I利物浦大学的智能机器人化学家 (来源：A mobile robotic chemist, Nature)实验室自动化(Lab Automation), 是指利用现代技术和设备来自动化实 验室的各种操作和流程，

5、解放人力、 简化实验流程、智能设计实验、降低 人为误差，以及提高实验通量、速度、 准确性和可重复性等。实验室自动化 包括样品处理、仪器操作、数据采集 和分析等方面。实验室自动化的实现 需要依靠各种自动化设备和软件，如 自动进样器、液体处理系统、机器人 系统、温度控制系统、自动化分析仪 器、数据处理软件等。这些设备和软 件可以协同工作，完成实验室中的各 种任务，从而实现实验室的自动化。实验室自动化的核心技术来源于工业自动化工业自动化于20世纪60年代就已发展出现代综合自动化工厂的雏形，在制造工业中出 现了许多自动生产线。而实验室自动化是在工业自动化的基础上发展起来的，迁移到 生命科学领域有其通用

6、性，无外乎要做一些视觉、判断和反馈，以及信息的通讯和采 集，从而让整个任务执行可以有序完成。但也有其特殊性，即要更好地适应客户对于 生物技术的一些特殊需求，例如避免溶液试剂的浪费、实现耗材的大通量处理、根据 耗材形态做材料选型等。实验室自动化的底层技术路线主要包括以下几个方面：. J传感器与机器视觉：通过使用传感器感知物理量，例如温度、压力、湿度、c、位置等，实现实验的自动化控制和数据采集。机器视觉技术可以通过相机、 光学和图像处理等手段实现对实验过程的监控和控制，例如自动化液体控 制系统、自动化温度控制系统、自动化测量系统等LUJ自动化实验设备的集成：使用实验室自动化控制系统来统一管理仪器和

7、设 备，将自动化实验设备进行集成，以实现实验的全自动化控制和数据处理机器人/机械臂技术：常见机器人的形态可以是三轴XYZ坐标机器人、多关节机械臂或者人形机器人，自由度主要在3-6之间，也可以是一种递送机构，如轨道、磁悬浮、AGV小车（AUTOMATED GUIDED VEHICLE）等， 可以实现实验室样品处理、液体处理、设备操作，搬运操作PLC或PCB技术与流程控制：PLC （可编程逻辑控制器）或PCB （印制电路6） 板）是工业自动化中常用的控制设备，可以通过编程实现自动控制实验流 程，如样品处理和分配、反应控制、液体注入、分装和封口等数据处理与人工智能：通过计算机对采集的实验数据并进行处

8、理和分析，Ql 以提高数据的准确性和分析效率。例如，使用实时数据采集系统、数据分 析软件和数据库等工具来进行数据采集、处理和管理。人工智能可用于分 析和预测实验结果，优化实验流程和提高实验效率，帮助实验员做出更准 确的决策国外实验室自动化已发展40多年，机械臂和工作站率先 出现 1961年，EPPendorf公司研究出活塞吸液，并在1976年申请专利，是实验室最常 用的移液枪早期原型，代表着实验室自动化领域的诞生。 1980年，Zymark公司开发出Pi系统， 具有单轴的机械臂，能够以圆周方式 完成实验，故命名为Pi,是最早的实验 室自动化机械臂系统。该设备成功销 售了2000多台。图2 Zy

9、mark公司Pi系统（来源：公开资料）1986年，BeCkman开发出最早的移液工 作站商业化原型Biomekle）O0,由 垂 直机械臂、移液工具、洗板机单元、 MaSterfIeX泵、定位平台和附件组成。图3 I BeCknIan公司 BiomeklOOO（来源：公开资料） 1980s-1990s,工作站在与机械臂的论战中胜出。在实验室自动化发展的早期，美国曾出现过关于自动化用机械臂还是工作站的论战。 工作站最早出现的也是最核心的产品就是移液工作站。工作站在设计之初只完成一 些少量任务，但高度可靠，而机械臂优势在于更加灵活。在实践中，人们发现自动 化的首要原则就是简化实验过程。在早期时候，

10、如果让机械臂自动化进行一些复杂 的手工操作的时候并不会让实验更有效率，因此工作站在论战中获胜。随后成立的 Beckman、Hamilton. Tecan f都是以移液工作站为核心的整合方式。 1983-2003年，实验室机器人与自动化国际研讨会ISLAR每年举办，推动了实验室 自动化领域的发展。 1996年，实验室自动化协会ALA成立，并在2010年与生物分子科学协会SBS合并 为实验室自动化和高通量筛选协会SLAS,其出版了两本实验室自动化领域的学术 期刊SLAS technology和SLAS discovery,并制定了用于药筛的微孔板的标准。不同的实验室场景处在自动化的不同阶段根据自动

11、化的程度和规模，实验室自动化可分为四个阶段：单一设备形式的自动化、 工作站形式的自动化、流水线形式的自动化和智能化形式的自动化。它们并非纯粹的 全面替代演进关系，而是根据成本需求、通量需求，研究和临床需求的客户情况，匹 配不同产品形式。实验室自动化整体是从辅助人到替代人的方向发展，最终理想是达 到无人值守的“黑灯实验室”。LO阶段：单一设备一个自动化设备往往只有一两种分析检 测或者样品处理的功能，需要人来操作 使用。例如，自动配液、自动称量等操 作以及混悬仪、离心机、细胞培养箱、， PCR仪、质谱仪等仪器设备。目前大部 分实验室仍处在这一阶段。4.0阶段：智能化在全实验室自动化基础上，加入人工

12、智 能，可代替部分脑力劳动，具有机器学 习、自动判断、自我决策能力。多用在 研究型实验室领域，擅长解决多品种、 小批量、多批次、高时效的检测需求， 进行实验室智能化操作和管理，可进行 样品前处理、分析检测和实验数据的处 理等所有实验室的操作，并可以循环往复地进行。目前利物浦大学、伊利诺 伊大学、Ginkgo BiOWOrkS等已有案 例应用。2.0阶段：工作站一台设备集成了多种功能，可以在一个 批次内处理一定数量的样品，批次内可 以无人值守，批次之间需要人工操作。 例如液体处理工作站，将多个样品前处 理环节集成在一起，进行加样、混匀、 稀释、转移等操作，是实验中最为基础 且最为频繁的实验操作。

13、目前部分高通 量实验室采用工作站形式自动化。.3.0阶段:TTATLATTA完整任务目标自动化与TLA全实验 室自动化，结合前端样品处理和后端检 测形成全流程自动化，设备与设备之间 自动传输数据和样品，类似工业自动化 的模式。这种形式目前使用最多的是 医学检验场景，如医院检验科和第三 方检测实验室（ICL）,常见生化检测 自动化流水线、免疫检测自动化流水线、 血液检测自动化流水线、微生物检测自 动化流水线等。中国实验室自动化的兴起：生命科学上游行业国产 替代的需求叠加工业自动化的人才供给 2000年-2010年间，中国实验室自动化领域开始出现，奥美泰克在2004年成立； 2016年左右实验室自

14、动化开始加速发展，多家初创公司成立； 2020年，新冠疫情成为行业发展的催化剂，疫情催生了大量核酸样品的检测需求， 同时病毒的高传染性和致病性对涉及样本处理、检验检测、样本存储的全流程自动 化提出了直接的需求，进一步释放了自动化的空间，多家公司在2021年-2022年 获得融资。需求端：国产替代是生命科学上游行业的长期需求生命科学上游行业包含仪器设备、试剂耗材等，具有很高的技术壁垒，存在大量“卡 脖子”环节，赛默飞、丹纳赫、安捷伦、PE等巨头占据国内市场主导地位。生命科学 上游高度依赖进口的问题已得到国务院、工信部、自然科学基金委等部门的高度重视, 国产替代成为成为政策引导的主要方向。 201

15、6年8月，国务院发布十三五国家科技创新规划，提出加强生物产业发展及 生命科学研究核心关键装备研发，提升我国生物技术前沿领域原创水平，抢占国际 生物技术竞争制高点。 2021年3月19日，为落实“十四五”期间国家科技创新有关部署安排，国家重点研 发计划启动实施“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”等重点专项及“揭榜挂 帅”榜单。围绕国家基础研究与科技创新重大战略需求，以关键核心部件国产化为 突破口，切实提升我国科学仪器自主创新能力和装备水平，促进产业升级发展，支 撑创新驱动发展战略实施。供给端：实验室自动化适合中国的工业自动化人才结构国内的自动化技术在工业3C、汽车等领域已相对成熟，做相应非标产线的自动化人才 非常多，在制造业市场逐渐饱和之时，大量人才从汽车和3C产线，转到实验室自动化, 因此天然擅长在流程端将仪器和线性自动化流程进行整合。相比来说，高端仪器所需 的精密材料、传感器技术国内欠缺，仪器领域的国产替代仍有很长的路要走，而实验 室自动化更适合中国目前的工业自动化人才结构。限制自动化发展的因素主要包括投资回报率不足.产品难 以满足需求.需求非标准化市场教育不够充分等中国医学检验的自动化程度最高，其他场景的实验室自动化水平仍然较低医学检验的实验流程固定，需