低代码平台赋能实验室数字化转型与自动化应用开发：高效原型构建与民主化实践

本文推荐研究人员针对传统实验室自动化软件开发周期长、依赖专业编程人员的问题，开展了基于低代码开发平台（LCDP）的实验室数字化与自动化应用研究。通过开源平台Node-RED成功实现了生物反应器在线监测、多设备联动控制、数字孪生构建等四个典型应用场景，证实LCDP能显著降低开发门槛、加速原型验证。该研究为实验室人员自主开发定制化软件提供了可行路径，对推动生物工艺自动化发展具有重要意义。

　　

在生物制药行业快速发展的背景下，实验室自动化和数字化需求日益迫切。传统软件开发方式需要生物学家、化学家等实验室人员与软件工程师紧密协作，不仅沟通成本高，且开发周期长。这种模式严重制约了实验室快速响应科研需求的能力。尤其随着原研药专利到期带来的成本压力，行业亟需更高效的解决方案。低代码开发平台（Low-Code Development Platforms, LCDP）的出现为这一问题提供了新思路，它通过可视化编程界面让非专业开发者也能快速构建应用程序，有望打破技术壁垒，实现软件开发的民主化。

发表于《SLAS Technology》的这项研究首次系统性地验证了开源LCDP平台Node-RED在生物工艺实验室的适用性。研究团队选取了四个具有代表性的应用场景：通过OPC UA协议将介电光谱探头数据集成到SCADA系统实现中国仓鼠卵巢（CHO）细胞培养的在线监测；利用仪表盘模块可视化人胚胎肾（HEK）细胞培养过程并设置阈值报警；连接多柱色谱系统（MCC）与天平实现流量自适应控制；基于XML规范构建设备的数字表征。这些案例全面展示了LCDP在设备集成、数据可视化、自动化控制和数字孪生构建方面的能力。

关键技术方法包括：使用树莓派4B部署Node-RED(v3.1.3)作为开发平台；通过OPC DA/UA协议转换器实现老旧设备通信标准化；应用node-red-contrib-opcua模块进行设备通信；采用node-red-dashboard组件实现数据可视化；集成Telegram API实现移动端报警功能；基于TCP/IP协议实现天平与色谱系统的互联控制。

在线模型部署与SCADA系统集成研究表明，LCDP能有效桥接不同通信协议的设备。研究人员成功将采用OPC DA协议的BioPAT? Viamass介电光谱探头数据通过OPC UA转换器接入SCADA系统，实现了CHO细胞培养过程中活细胞浓度（VCC）的实时预测与可视化。这种方法不仅扩展了SCADA系统的分析能力，更为老旧设备接入现代控制系统提供了"改造升级"方案。

在过程数据可视化与监控方面，研究证实LCDP可作为低成本SCADA替代方案。针对HEK细胞培养中的关键转染时间点判断需求，团队开发了基于VCC阈值（1.27×10⁶ cells/mL）的自动报警系统。当细胞浓度达到临界值时，系统通过Telegram机器人向研究人员发送通知，实现了关键过程的远程监控。

设备集成与流程自动化案例展示了LCDP在连续生物制造中的潜力。通过将Resolute BioSMB PD多柱色谱系统与Cubis II天平互联，实现了根据储罐质量自动调节流速的控制策略。这种自适应控制确保了上游工艺（USP）与下游工艺（DSP）的同步运行，为连续生物制造提供了关键技术支撑。

数字设备表征研究迈出了数字孪生构建的第一步。团队按照OPC UA规范开发了MCC系统的XML接口模型，在Node-RED中部署了数字服务器。该数字表征不仅支持硬件无关的软件开发测试，还能用于系统集成验证，显著降低早期开发阶段的资源消耗。

研究结论表明，LCDP能显著降低实验室自动化应用开发门槛，使科研人员能够自主实现设备集成、数据可视化和过程自动化。虽然平台在网络安全和GMP合规性方面仍需完善，但其在快速原型构建、多系统集成和AI组件对接方面展现巨大潜力。随着SiLA、LADS等标准化进程的推进和设备厂商官方模块的提供，低代码开发有望成为实验室数字化转型的重要推手。该研究提供的所有组件均已开源共享，为科学社区的进一步开发应用奠定了坚实基础。