一种基于机器学习的机器人系统，用于自主提取核酸并制备核酸文库

《SLAS Technology》：A Machine Learning-driven Robotic System for Autonomous Nucleic Acid Extraction and Library Preparation

智能核酸提取与文库制备系统iRoNAEaLP通过LSTM机器学习优化流程，实现自动化样本处理、试剂计算及模块协同，适用于痕迹DNA提取、质粒纯化及单细胞测序，显著提升效率与数据质量。

　　核苷酸作为生命的基本构成单元，在遗传信息获取、疾病诊断和生物技术应用中发挥着重要作用。随着科学技术的发展，自动化技术逐渐渗透到生物实验领域，为提高实验效率、减少人为干预和增强数据一致性提供了新的解决方案。iRoNAEaLP（智能核苷酸提取与文库制备机器人系统）就是这样一个创新性的自动化平台，它通过机器学习算法和长短期记忆（LSTM）网络，实现了对核苷酸提取和文库构建流程的自主设计与优化。该系统不仅能够根据实验需求自动生成操作流程，还能精确计算所需试剂和耗材的数量，并将操作步骤与特定功能模块的动作进行匹配，从而在多个生物实验场景中展现出高效性和数据质量。

### 自动化在生物研究中的重要性

自动化技术的引入极大地推动了生物研究的进展。传统上，生物实验往往依赖人工操作，这不仅增加了实验的时间成本，还容易引入人为误差。例如，在核苷酸提取过程中，实验人员需要手动选择合适的试剂和耗材，精确设置反应条件，并进行一系列复杂的操作步骤。这些操作通常包括细胞裂解、靶向序列捕获、蛋白质沉淀、核苷酸富集、纯化以及靶向片段扩增等。每一步操作都需要精确控制，以确保最终的实验结果具有高质量和可重复性。

然而，随着实验需求的多样化，传统的自动化方法逐渐显现出局限性。许多自动化系统仍然需要实验人员手动设置操作参数和流程，这不仅增加了操作的复杂性，也限制了其在高通量实验中的应用。iRoNAEaLP系统通过引入机器学习和LSTM网络，解决了这一问题。它能够根据实验需求自动生成操作流程，从而减少对人工干预的依赖，提高实验的可重复性和数据质量。

### iRoNAEaLP系统的设计与实现

iRoNAEaLP系统采用了模块化设计，由11个功能模块组成，包括热振动模块、液体处理模块、离心模块、磁珠提取模块、恒温振荡模块、光电子倍增（PMT）检测模块、热循环模块、实时定量PCR模块、多功能头、耗材传输堆叠和移液枪存储堆叠等。这些模块通过标准的OPC UA总线进行通信，确保系统能够高效、准确地执行各种实验步骤。

在系统设计中，iRoNAEaLP将实验流程转化为一系列标准化的G'-代码指令。G'-代码是一种用于控制机械模块的编程语言，能够定义具体的动作和参数。例如，G01指令用于线性插值运动，G201指令用于离心操作。通过将实验步骤与G'-代码指令相结合，iRoNAEaLP实现了对实验流程的精确控制。

此外，iRoNAEaLP系统还引入了机器学习算法，特别是LSTM网络，用于分析实验流程并生成优化的操作方案。LSTM网络能够捕捉序列数据中的长期依赖关系，使其在处理复杂的生物实验流程时表现出色。通过LSTM算法，iRoNAEaLP可以自动解析实验卡片，生成相应的操作流程，并根据实验需求调整参数设置。这种智能化的设计使得iRoNAEaLP能够灵活应对不同类型的生物样本，如微量DNA提取、质粒/基因构建物提取和单细胞与空间组学的mRNA文库制备。

### iRoNAEaLP在不同生物应用中的表现

在微量DNA提取方面，iRoNAEaLP系统能够处理多种复杂的生物样本，如人体接触过的物品（如打火机、螺丝刀、剪刀等）以及口腔拭子、血液斑、毛发、头皮屑等。实验结果显示，iRoNAEaLP在这些样本中成功提取了DNA，并且提取的DNA浓度在4.3至8285.7 pg/μL之间，表明其在微量DNA提取方面具有较高的效率和数据质量。此外，iRoNAEaLP还能够进行PCR扩增和荧光定量分析，确保提取的DNA能够满足后续实验的需求。

在质粒和基因构建物提取方面，iRoNAEaLP系统同样表现出色。实验结果显示，通过iRoNAEaLP提取的DNA浓度在35.6至35.8 ng/μL之间，且OD 260/280和OD 260/230比值均符合质量控制标准。这表明iRoNAEaLP在提取质粒和基因构建物时能够保持较高的纯度和一致性，适用于合成生物学领域的广泛应用。

在空间组学和单细胞转录组学领域，iRoNAEaLP系统的应用也取得了显著成果。通过激光显微切割技术，研究人员能够从特定的组织区域提取RNA，并构建高质量的mRNA文库。iRoNAEaLP在这些实验中实现了384个并行实验，将文库制备周期缩短至13小时以内。实验结果显示，iRoNAEaLP提取的cDNA浓度在1248.2至2566.7 pg/μL之间，且每个实验组检测到的基因数量远高于传统方法，如10X Genomics。这表明iRoNAEaLP在空间组学和单细胞转录组学领域具有广泛的应用前景。

### iRoNAEaLP的优势与创新点

iRoNAEaLP系统的主要优势在于其模块化设计和智能化操作流程。通过将实验流程转化为G'-代码指令，iRoNAEaLP能够实现对实验步骤的精确控制，确保实验的高效性和数据的可重复性。此外，iRoNAEaLP利用LSTM网络对实验流程进行分析和优化，使其能够适应不同类型的生物样本，并根据实验需求动态调整参数设置。

另一个重要创新点是iRoNAEaLP的自主性。传统的自动化系统通常需要实验人员手动设置操作参数和流程，而iRoNAEaLP则通过机器学习算法自动生成实验流程，并根据实验卡片中的信息进行优化。这种自主性不仅减少了实验人员的工作负担，还提高了实验的效率和准确性。

此外，iRoNAEaLP还具备强大的数据处理能力。通过PMT检测模块，系统能够对微量DNA进行精确检测，并根据检测结果进行浓度与体积的校正。这种能力使得iRoNAEaLP在处理高灵敏度实验时具有显著优势，特别是在分子法医学和临床分子诊断领域。

### 未来展望与应用潜力

iRoNAEaLP系统的成功应用表明，自动化技术在生物研究中的潜力巨大。未来，该系统可以进一步扩展，以适应更多复杂的生物实验需求。例如，在病原体检测方面，iRoNAEaLP可以通过设计特定的引物和探针，实现对已知病原体的快速检测，同时也能用于监测未知病原体的爆发情况。此外，iRoNAEaLP还可以应用于大规模筛查单基因疾病和无创产前诊断，为临床医学和遗传学研究提供新的工具。

从更广泛的角度来看，iRoNAEaLP的设计理念和模块化结构可以推广到其他生物仪器和实验平台中。通过将iRoNAEaLP的自动化和智能化技术应用于更多设备，可以构建出更加高效和智能的生物实验室。这种实验室不仅能够处理复杂的实验流程，还能为生物科学研究提供全面的自动化解决方案。

总之，iRoNAEaLP系统通过引入机器学习和LSTM网络，实现了对核苷酸提取和文库制备流程的自主优化和精确控制。其模块化设计和智能化操作流程使其能够适应多种生物样本和实验需求，显著提高了实验的效率和数据质量。随着技术的不断进步，iRoNAEaLP有望在未来的生物研究中发挥更加重要的作用，推动生物技术、分子诊断和生命科学领域的创新发展。