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电子实验室笔记本（ELNs）助力科研却面临跨平台数据交换难题。本研究开发 ELNdataBridge，利用 Python API 构建服务器端解决方案，实现 Chemotion ELN 与 Herbie 间数据同步。该方案提升 ELNs 互操作性，为多学科研究数据流通提供创新路径。
在数字化科研浪潮中，电子实验室笔记本（Electronic Lab Notebooks, ELNs）已成为现代研究实验室管理数据、开展协作和记录科学实验的核心工具。它犹如科研人员的 “数字实验室助手”，不仅提升了实验的可重复性、可持续性、透明度和可追溯性，还能根据不同学科需求提供定制化功能。然而，随着各类 ELN 平台的涌现，一个棘手的问题浮出水面：当不同学科的研究人员需要在不同 ELN 系统间无缝交换数据时，缺乏标准化的数据交换协议成为巨大障碍。就像不同语言的使用者无法直接交流一样，各个 ELN 平台因数据结构、内容和功能的差异，导致数据迁移和共享困难重重。如何打破这一 “数据孤岛” 现象，实现 ELN 之间的互操作性，成为科研数字化进程中亟待解决的关键问题。
为攻克这一难题，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）和亥姆霍兹赫里翁中心（Helmholtz-Zentrum Hereon）等机构的研究人员开展了深入研究。他们开发了一种名为 ELNdataBridge 的新型基于服务器的解决方案，并将其研究成果发表在《Journal of Cheminformatics》上。该研究旨在通过提供灵活的适配器，实现不同 ELN 平台之间的数据接口和同步，为跨平台数据交换开辟新路径。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于 Python API 构建服务器端适配器，通过调用各 ELN 系统的底层数据结构实现通信；设计用户友好的图形界面（UI），支持研究人员手动映射不同 ELN 的输入字段和条目类型；利用同步委托器（synchronisation delegator）和平台 API 翻译器（platform API translator）实现数据同步逻辑，确保数据在不同 ELN 间的准确传输；通过 REST API 与 ELN 系统交互，并借助 Blockly 可视化编程库实现数据类型转换和值的操作。
示例性 ELNs 的跨学科数据交换
研究以 Chemotion ELN 和 Herbie 为例展开验证。Chemotion 是由卡尔斯鲁厄理工学院开发的开源 ELN，专为化学研究设计，具备化学结构绘制、实验数据管理和分析等功能，支持将数据无缝传输至研究数据存储库。Herbie 则是亥姆霍兹赫里翁中心开发的模块化开源 ELN，适用于材料科学，通过本体论（OWL 和 SHACL）构建结构化数据表单，实现样本生命周期的语义标注和数据互联。二者功能互补，前者聚焦分子设计和化学反应记录，后者擅长材料制备和性能表征，数据交换需求显著。
ELN 功能的概念映射
数据交换的首要步骤是概念映射，即识别不同 ELN 中对应的内容实体。以 “聚合物膜后修饰” 用例为例，研究人员需将 Chemotion 中的 “反应” 和 “样本” 模型与 Herbie 中的 “后修饰” 和 “产品” 模型进行映射。在此过程中，需解决数据结构不匹配问题，如一方以标准化表格存储数值数据，另一方以文本形式记录相同信息。通过创建新输入字段、转换日期格式等方式，成功实现了跨 ELN 的实体关联。
基于 API 的适配器服务器架构
ELNdataBridge 由前端 UI 和后端业务逻辑组成。UI 基于 Django 框架开发，支持用户注册 ELN 实例、配置同步参数和手动映射数据字段，无需编程即可完成设置。后端采用委托模式，通过同步委托器协调 ELN 间通信：首先扫描双方 ELN 中需同步的条目，识别匹配对并检测数据变更，随后通过平台 API 翻译器调用 ELN 的读写接口，实现数据同步。数据类型转换可通过 Blockly 可视化工具灵活配置，支持原子值和数组类型的映射。
ELN 间数据映射的建立
在具体操作中，用户需先创建同步实例，输入 ELN 的 URL、认证令牌等信息，完成系统注册。随后配置同步参数，如选择同步范围（全部数据或指定时间后的数据）、允许自动创建新条目等。以 Chemotion 为例，需选择 “集合” 作为数据同步的结构单元，而 Herbie 因无类似结构无需额外设置。通过同步模型管理器定义映射规则，包括唯一标识符、ELN 模型名称、同步键（用于匹配条目）和字段映射细节。每个字段映射可指定数据类型（原子值或数组），并通过 Blockly 实现值的转换，如化学反应名称的直接复制或温度单位的转换。
同步过程与用例验证
完成配置后，可通过手动触发或定时任务（cronjob）启动同步。系统首先分别读取 ELN A 和 ELN B 的条目，检测自上次同步以来的变更，随后在目标 ELN 中查找匹配条目，若不存在则根据设置创建新条目，并按映射规则传输数据。在 “膜化学后修饰” 用例中，Herbie 中记录的膜制备信息通过 ELNdataBridge 自动同步至 Chemotion 的 “样本” 模型，化学反应参数（如膜重量、反应条件）在 Chemotion 中填写后，同步至 Herbie 的 “后修饰” 模型，实现了从分子设计到材料表征的全流程数据贯通。
系统扩展与兼容性
ELNdataBridge 的兼容性依赖于 ELN 是否提供 API 接口。研究表明，开源 ELN 如 Chemotion 和 Herbie 可通过开发平台 API 翻译器轻松集成，而闭源 ELN 需额外开发适配器。目前系统已验证支持 Chemotion v1.8.2/v1.9.2 和 Herbie v0.1，未来可通过扩展翻译器和映射规则，适配更多学科专用 ELN，推动跨学科研究数据的标准化和互操作。
研究结论与意义
ELNdataBridge 的问世为 ELN 互操作性难题提供了创新解决方案。通过基于 API 的中间件架构和灵活的映射机制，该系统实现了不同学科、不同结构 ELN 间的数据无缝交换，显著降低了用户手动操作成本，提升了科研数据的 FAIR 性（可查找、可访问、互操作、可重用）。其核心价值在于：首次实现跨 ELN 的可编程数据同步，为多机构、多学科协作提供了技术基础；通过标准化映射流程，推动科研数据描述的统一化，助力构建跨领域研究数据库；开源设计和可扩展架构使其具备广泛适用性，有望成为科研数据基础设施的重要组成部分。该研究不仅为化学和材料科学领域的数据流通奠定了基础，更为整个科研社区应对异构数据环境挑战提供了通用范式，对加速科学发现和推动开放科学具有深远意义。
