IvoryOS：面向Python驱动的自驱动实验室的互操作性网络界面设计与应用

为解决自驱动实验室(SDLs)因缺乏标准化软件导致的开发门槛高、跨平台兼容性差等问题，研究人员开发了开源协调器IvoryOS。该系统通过动态生成网络界面实现Python脚本的即插即用控制，支持拖拽式工作流设计和无代码闭环实验配置。集成测试表明，IvoryOS可适配六种不同架构的SDL平台，显著提升自动化实验的灵活性和可及性。该成果发表于《Nature Communications》，为化学合成、材料开发等领域的智能实验系统提供了通用解决方案。

　　

在化学合成和材料科学领域，自驱动实验室(Self-Driving Laboratories, SDLs)正通过机器人技术、自动化和人工智能的融合加速科学发现。然而，现有SDL系统面临一个关键瓶颈：缺乏通用软件框架导致不同实验室开发的平台互不兼容，研究人员不得不为每个硬件组合编写定制化脚本。这种碎片化开发现状不仅造成重复劳动，更将许多不具备专业编程能力的科学家拒之门外。

针对这一挑战，加拿大英属哥伦比亚大学和Telescope Innovations公司的联合团队开发了名为IvoryOS的开源协调系统。这项发表于《Nature Communications》的研究展示了一种创新方法——通过动态解析Python脚本自动生成交互式网络界面，使研究人员无需修改代码即可控制各类SDL硬件。该系统如同为实验室自动化设备装上了"智能操作系统"，成功打通了从硬件控制到实验设计的全流程。

研究团队采用了几项核心技术：基于Python对象序列化的模块自动捕获技术，可将硬件API转化为可视化操作菜单；Flask框架构建的网络服务器架构，支持实时状态监控和远程访问；集成Ax平台的贝叶斯优化模块，实现实验参数的自主调优；以及结合大型语言模型(GPT-4)的自然语言编程接口，允许通过文字描述生成实验流程。这些技术共同构成了IvoryOS的四大核心功能模块。

Web服务器架构部分揭示了系统的设计哲学。通过动态加载SDL源代码，后端自动序列化所有自定义类实例，将其方法转化为可调用的网络表单。工作流脚本以字典结构存储，支持离线编辑和在线验证。执行引擎通过WebSocket实现实时状态反馈，形成完整的"设计-验证-执行"闭环。

直接控制界面展示了系统的适应性。系统能自动识别方法签名中的类型提示，生成包含整型、浮点、布尔等标准输入的交互表单。用户可自定义界面布局，这种灵活性使其既适用于成熟SDL平台的高阶控制，也能作为硬件原型开发的临时GUI。

工作流设计界面体现了创新的人机交互方式。通过拖拽式编程，用户可将"平衡称重"、"泵控制"等模块与逻辑判断(if/while)、延时等待等指令自由组合。特别值得注意的是文本转代码功能——输入"准备0.5M氢氧化钠溶液"等自然语言指令，系统能自动生成对应的操作序列，极大降低了工作流设计门槛。

工作流执行管理突显了系统的智能化特征。实验分为准备、主实验和清理三个阶段，其中主实验阶段支持三种运行模式：固定参数重复、手动参数迭代和基于贝叶斯优化的自适应实验。当检测到数值型输出时，系统自动激活优化算法界面，引导用户设置目标函数(如产率最大化或反应时间最小化)。

跨平台集成验证部分最具说服力。研究团队在六种架构迥异的SDL平台上测试了IvoryOS，包括：(1)专注于抗体-药物偶联物(ADC)合成的机械臂平台；(2)集成HPLC的PurPOSE纯化系统；(3)连续流动化学反应平台；(4)液-液萃取中试设备；(5)基于计算机视觉的溶解度筛选系统；(6)锂化合物在线衍生化分析装置。这些平台分别处于不同开发阶段，从成熟系统到原型设备均能无缝接入。

在闭环实验验证中，两个典型案例令人印象深刻。在溶解度平台，系统通过视觉反馈自动调节红蓝食用色素比例，直至达到目标颜色；在流动化学平台，原有优化算法被替换为更灵活的贝叶斯优化，实现了反应条件的自主探索。这些实验证实了IvoryOS在真实科研场景中的实用价值。

讨论部分指出，IvoryOS的创新性在于其"零配置"设计理念——不同于ChemIDE、AlabOS等需要深度适配的现有方案，该系统仅需10-30分钟即可完成部署。这种即插即用特性特别适合化学领域快速迭代的研究需求。但作者也坦承局限性：系统目前仅支持单线程工作流，缺乏并行任务调度能力；安全验证机制依赖于开发者的预先设置。

这项研究的深远意义在于打破了SDL开发的技术壁垒。通过将编程抽象转化为直观界面，IvoryOS使化学家能专注于科学问题而非代码调试。随着未来加入并行计算支持和模块化界面定制，该系统有望成为智能实验室的通用操作系统，推动自动化研究从专业团队向普通实验室的普及。源代码已开源在GitLab和Zenodo平台，为科学共同体提供了可扩展的技术基础。