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取1000支生物樣本，從10天到60秒，解放科研人員的雙手。
【編者按】
生物樣本是實現(xiàn)臨床到科研，再將科研成果用于臨床，在提高科研效率同時，能夠讓患者充分受益的重要生物資源。生物樣本庫也已經(jīng)成為臨床疾病的治療和預防研究、生命科學研究、個體化治療的基礎設施。同時，生物樣本庫也是轉化醫(yī)學和精準醫(yī)療的基礎設施。
這一設施的背后，有著超高的行業(yè)技術壁壘。企業(yè)不僅要掌握復疊制冷、箱體低溫絕熱等關鍵技術以實現(xiàn)-50℃至-150℃超低溫度，還要保證存儲溫度長時間均勻、穩(wěn)定、精準等特點，同時具備系列安全警報，保障突發(fā)故障時一段時間內(nèi)維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定等功能。
近幾年生物安全問題受到關注，面對不同儲存需求的生物樣本，該如何打造穩(wěn)定安全的環(huán)境？生物樣本需求逐年增加，一個樣本庫的樣本數(shù)量指數(shù)級增加，該如何高效快速利用使用？海爾生物醫(yī)療在這方面持續(xù)探索20余年，從超低溫技術研發(fā)到開始探索設備與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)融合，不斷突破。
下一場新科技革命將由生物技術主導、多項技術共同推動，而且會在未來30年左右發(fā)生——這一論斷被國內(nèi)外不少主流聲音認可。而在這個超高壁壘的行業(yè)中，已經(jīng)有不少中國企業(yè)默默播下了種子。
造一個“活”的生物銀行，并不是件容易的事。
表面來看，南方海洋實驗室是一個研究、探索海洋資源的科研基地，實際上，這里還是一家“生物銀行”，規(guī)劃保藏量超過220萬份。坐落于南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）的海洋生物資源庫，是南方海洋實驗室重點建設的八大公共平臺之一，主要保藏海洋動物、海洋植物和海洋微生物的種質(zhì)資源、基因資源和天然產(chǎn)物資源。
這樣的樣本庫，首要的條件就是安全。生物樣本存儲具有特殊性，一是要求存儲的環(huán)境溫度長時間均勻、穩(wěn)定、精準；二是使用時的責任問題，要進行信息化管理；三是背后的數(shù)據(jù)是否有泄露風險。
背后涉及到的存儲設備，便是生物醫(yī)療低溫存儲設備。而在過去很長一段時間內(nèi)，這項具有高技術壁壘、多學科交叉融合特點的技術，一直被歐美國家壟斷。直到2000年以后，以海爾生物醫(yī)療為代表的國內(nèi)企業(yè)，先后突破核心技術和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)后，才開始逐步實現(xiàn)替代。
當時的情況來看，就是沒得選——需求一直都在，大家也了解進口品牌的采購周期長、售后成本高，但是只能接受。海爾生物醫(yī)療智慧樣本網(wǎng)事業(yè)部技術總監(jiān)袁順濤告訴《中國企業(yè)家》：“當時國外設備采購周期很長，部分設備需要大約一年時間，根本等不及，出了問題，還經(jīng)常聯(lián)系不到人維修，整個亞太區(qū)域，只有1~2名工程師�！�
而這成了以海爾生物醫(yī)療為代表的醫(yī)療器械企業(yè)的出發(fā)點。近年來，隨著轉化醫(yī)學、精準醫(yī)學和個體化醫(yī)療的興起及迅猛發(fā)展，生物樣本庫等生物安全逐漸受到關注。
隨著《中華人民共和國生物安全法》的正式施行，生物樣本資源的重要性愈發(fā)凸顯。如何安全、長期、穩(wěn)定、有效保存這些珍貴的生物資源，成了亟待解決的重要問題。
而現(xiàn)在的需求不僅僅是安全地儲存，還需要“活”。在這種需要穩(wěn)定低溫狀態(tài)且不能感染損壞樣品的情況，如何在百萬份的樣本中，快速高效找到上百、乃至上千份目標樣品試管，更是基于安全提出的新訴求。
過去20年中，海爾生物醫(yī)療持續(xù)“破壁”。先是突破了超低溫制冷技術的“卡脖子”難題，打破了外資品牌30年的技術壟斷，而后又在超低溫存儲技術的基礎之上，打破國外壟斷，實現(xiàn)了低溫自動化生物樣本庫的國產(chǎn)化。
“目前，海爾生物醫(yī)療已經(jīng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術與生物醫(yī)療低溫存儲技術融合創(chuàng)新，構建了生命科學與醫(yī)療創(chuàng)新兩大領域數(shù)字場景方案，實現(xiàn)從網(wǎng)器到場景再到生態(tài)的迭代升級�！焙柹锕ぷ魅藛T稱。
在此節(jié)點，以此為樣本，《中國企業(yè)家》走訪了位于青島的海爾生物醫(yī)療產(chǎn)業(yè)園，找到了當年參與持續(xù)“破壁”的工程師，參觀了其多種場景下的生物安全產(chǎn)品，重走這20年的“破壁”之路。
被“冰凍”30年的超低溫技術
研發(fā)初期，海爾超低溫冷藏設備使用到了美國一家企業(yè)生產(chǎn)的專用壓縮機，但就在產(chǎn)品成型即將上市時，對方卻以“懷疑軍用”為由，拒絕繼續(xù)提供專用壓縮機這一部件。壓縮機如同超低溫冰箱的心臟，如果沒有這一核心部件，一環(huán)扣一環(huán)的生產(chǎn)線和產(chǎn)能都會受到直接影響。
面對這樣的情況，要么找到替代品，要么自研。海爾生物醫(yī)療選擇了后者——想要不再“受制于人”，就必須進行自主科技創(chuàng)新，真正打破進口壟斷。
生物醫(yī)療存儲設備通常存儲的是生物樣本、血液、疫苗、藥品等，同時根據(jù)存儲類型及使用機構不同，主要應用于生物樣本庫、藥品及試劑安全、疫苗安全、血液安全、實驗室安全五大場景。
不同于家用冰箱，-18℃就能滿足絕大多數(shù)食材的儲鮮要求，生物醫(yī)療低溫存儲設備存放的生物大分子（DNA、RNA、蛋白質(zhì)等）、細胞、組織等“嬌貴”生物樣本的長期存儲，常用的儲存溫度要更低，一般≤-80℃。
“每個樣本都是獨一無二的，在我們不知道的情況下，只能盡量先把它保存下來，之后再逐漸去做研究、處理和應用。”海爾生物醫(yī)療自動化產(chǎn)品總監(jiān)任文廣告訴《中國企業(yè)家》，標準化、高質(zhì)量的生物樣本庫是保存珍貴遺傳資源重要的載體。
樣本普遍價值較高，部分樣本甚至具有唯一性、稀缺性且損壞不可補救，生物樣本保存的苛刻要求，導致生物醫(yī)療低溫存儲行業(yè)天生具有較高的技術壁壘。
這樣的情況下，當時生物醫(yī)療儲存行業(yè)中基本都是國外的品牌。但技術上需要攻克的難題是一方面，交付的流程和維修服務也讓大家多有抱怨——需求存在，但可選擇的余地不大。
“一是我們必須要花大量的外匯去引進設備；二是采購周期需要大約一年；三是產(chǎn)品維修缺乏人員響應�！痹槤f，“所以當時有很多科研老師找到海爾，希望我們能夠研發(fā)超低溫冰箱。”
2005年海爾集團成立青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司，專注低溫存儲設備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。“沒有設備、沒有經(jīng)驗、沒有人，也沒有供應商�！痹槤f，當時國內(nèi)冰箱溫度都是在-20℃左右，誰也沒有信心說能做成。
因為沒有合規(guī)的實驗室，研發(fā)人員也吃盡了苦頭�！白鰧嶒炐枰獦O端環(huán)境，比如讓房間的溫度升到40度，實驗室是需要有一套嚴密的控溫控濕系統(tǒng)的，當時沒有，就只能用浴霸，模擬試驗環(huán)境，一直照著讓房間升溫。”但是溫度總是起伏不定，任文廣回憶到，溫度達到50多度后，就像洗澡一樣，人體完全受不了，只能趴在門口看看里面是什么情況，出了問題，人進去，再出來，來來回回很容易感冒。
直到2006年，中國第一臺-86℃超低溫冰箱誕生，在超低溫制冷技術上實現(xiàn)“破壁”，打破了外資品牌30年的技術壟斷，并使采購成本降低了30%以上。2008年8月，中國骨髓庫成為海爾生物的第一個大型戰(zhàn)略合作商，海爾生物為其提供生物樣本庫解決方案。截至2020年底，該庫保存樣本已達293萬份，是迄今為止中國規(guī)模最大、跨越地域最大的健康人血液“生物銀行”。
但從技術突破到產(chǎn)業(yè)化，看似一步之遙，實際隔著十萬八千里。
一步之遙：從技術到產(chǎn)業(yè)落地
袁順濤是個典型的技術男，說話溫和、嚴謹、邏輯性強，如果你不連著追問，就很難讓他主動輸出。但時隔多年，當他再回憶起當時這段持續(xù)受挫的經(jīng)歷時，一直安靜的他還會有些激動——手上的肢體幅度變大，偶爾還會側著身子看向一旁同樣經(jīng)歷過失敗的同事。
為了控制預吸附率，袁順濤團隊投入了大量精力研究。但他遭遇了工作以來，自信心受到最大打擊的一次。
過濾器安裝后，設備需要做6個月的可靠性測試，他們前后進行了多次樣機測試，但故障總是在測試快要結束時才出現(xiàn)，“由于每次測試時間都很長，團隊的試錯成本很高”，袁順濤覺得這個問題完全解決不了，“團隊的士氣也很低落”。
直到后來，技術組按照分析出的故障清單，用排除法一個個驗證，才最終找到正確方案。“更換了近百個方案，終于成功了一次”，回憶起這段經(jīng)歷，袁順濤感慨，“技術難點都分析出來了，但是試驗的過程非常痛苦，特別考驗你的意志力，因為總在你快要成功時，就打擊你一次�！�
對低溫冰箱而言，壓縮機就像人的心臟一樣，決定著它能不能長時間穩(wěn)定、高效運行。袁順濤稱，當時國內(nèi)都是用于冷柜和空調(diào)的普通壓縮機，沒有專門用于超低溫、深低溫冰箱的專用壓縮機，他們只能通過制冷系統(tǒng)創(chuàng)新，采用普通壓縮機實現(xiàn)專用壓縮機能達到的低溫制冷效果。
“心臟”問題解決后，“肺”功能也需要改善。袁順濤解釋，超低溫冰箱中會用到“過濾器”，它的核心作用是過濾雜質(zhì)、水分和酸。預吸附率越低，冰箱越不會出現(xiàn)堵塞情況。
經(jīng)過反復試驗，最終將預吸附率控制在了0.6%以下。
大學畢業(yè)加入海爾生物醫(yī)療后，13年里袁順濤一直負責海爾生物醫(yī)療超低溫領域技術突破及產(chǎn)品研發(fā)，目的就是讓設備更穩(wěn)定、更可靠、更高效、更環(huán)保。
然而，這僅是從技術突破走向產(chǎn)業(yè)化的其中一小步，突破超低溫制冷技術后，如何將科研成果產(chǎn)業(yè)化落地，成為亟須解決的難題。
目前，海爾生物已發(fā)展成為覆蓋-196℃至8℃全溫域的生物醫(yī)療低溫存儲設備服務商，并在2013年獲得“國家科技進步二等獎”。同時，也為我國多項重大科研工程提供了技術支持。如，海爾航天專用冰箱搭載神舟飛船多次被送往太空；超低溫冰箱搭載雪龍?zhí)柨瓶即h赴8000海里之外的南極，搭載彩虹魚號載人深潛器到達一萬米深處的馬里亞納海溝等。
弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）報告顯示，在全球市場，賽默飛世爾、三洋電機（2012年生物醫(yī)療部門被松下整合，現(xiàn)屬于松下普和希）等國外企業(yè)率先實現(xiàn)技術突破，市場占比較高。2017年，賽默飛世爾、松下醫(yī)療（三洋電機）、海爾生物、德國艾本德、Helmel Scientific前五大廠商占據(jù)超 70%市場份額。其中，賽默飛競爭優(yōu)勢明顯，以33.37%的市場份額位列第一，海爾生物以10.7%市場份額位列第三。
數(shù)據(jù)來源：弗若斯特沙利文、高禾投資研究中心
在國內(nèi)市場，2000年以后，以海爾生物、澳柯瑪（600336）、中科美菱等為代表的國內(nèi)企業(yè)先后突破核心技術后，逐步開始進口替代，規(guī)模已經(jīng)超過國外品牌。
破壁：永遠會有新的難題
5G網(wǎng)絡加持下，經(jīng)過制備的樣品試管在這個“生物銀行”安靜地存放著，一旦需要存取、轉運，只需一鍵操作，設備收到指令后，機械手最快在60秒內(nèi)便可從100萬份樣本中，精確挑選和存取任一樣本。樣本出入庫時，智能轉運機器人不僅可以全程轉運，樣本信息全程也可追蹤。存取時的每個動作精準到毫厘，即使重復數(shù)十萬次，也不會有絲毫偏差。
生物樣本存入“銀行”，不能只是完成，還得更好，另一個需要攻克的焦點就是超低溫領域的自動化技術。
傳統(tǒng)的樣本管理依靠人工，隨著樣本存儲的數(shù)量越來越多，人工操作不利于樣本存儲的長期有效管理。一是存在信息記錄錯誤或者遺漏的可能性；二是大批量的存取過程，十分耗費時間；三是無法保證樣本安全，因為人工存取樣本，必須得打開設備，內(nèi)外至少100℃的溫差，在頻繁的存取過程中，會導致設備產(chǎn)生溫度波動和凍融循環(huán)，影響樣本穩(wěn)定性，導致樣本質(zhì)量下降。
“用戶買的不是一臺設備，而是樣本的存儲安全。不應該把時間浪費在管理設備上，而是要關注樣本的存儲情況�！比挝膹V強調(diào)，自動化的目的就是要減少用戶無效的勞動和投入，“讓科學家解放出來”。
這一需求和目的，成了第二次“破壁”的出發(fā)點。
2017年初，任文廣“轉戰(zhàn)”自動化。但在當時，他手上只有幾張進口設備的照片，材料、存儲結構等各方面都被國外封鎖，“國內(nèi)沒有設備，我們出去別人也不讓看，后來國內(nèi)有安裝的設備后，我們才有機會去參觀學習”。
為何這么難？
任文廣向《中國企業(yè)家》解釋，“低溫自動化存儲行業(yè)，是低溫存儲產(chǎn)業(yè)與自動化行業(yè)交叉形成的新產(chǎn)業(yè)（300832），但并不是二者簡單技術融合就可以實現(xiàn)的，尤其是低溫、超低溫自動化存儲�！�
技術融合是一個反復實驗的過程，會面臨很多問題：一是原材料及存儲結構在超低溫環(huán)境下會因“熱脹冷縮”而變形，因此按照變化前的位置去識別并取出樣本是很難的。二是設備內(nèi)部的低溫會生成水蒸氣影響設備運行，如何控濕除霜；三是想要準確記錄海量樣本中每支樣本的位置信息、使用者信息以及取用后的信息變化，也需要依靠智能算法系統(tǒng)去處理；四是耐低溫原材料的選擇，因為很多材料在深低溫環(huán)境下會變脆。
例如，2018年7月，團隊開始第一次樣機測試。然而在實驗過程中，隨著庫內(nèi)溫度逐漸下降到地球極限溫度以下，機器人導軌低溫變形被卡住，這次嘗試并未成功。此后，他們尋訪了幾十家國內(nèi)頂尖高校院所，才終于找到合適材料來替代。
為了尋找到耐低溫材料線纜，任文廣觀察了引進的國外設備，但他發(fā)現(xiàn)這些設備上去掉了線纜標志，根本辨別不了是哪家供應商。為了找到合適的線纜，他們嘗試了很多方法。最終憑借以往服務航天項目的資源及經(jīng)驗，接觸到了能夠適用于深低溫溫度的線纜材料制造商。
針對庫內(nèi)樣本不能準確定位的問題，任文廣給機械手安裝了一雙“眼睛”，保證樣本位置跑偏后，通過動態(tài)識別技術也能找到：一個是位置的識別，另一個是身份的識別。
三個月下來，在測量出1萬多個位置點后，任文廣帶領團隊終于實現(xiàn)了100立方米的低溫空間樣本的精準定位存取，攻克了低溫自動化的關鍵技術難題。
以1000支生物樣本為例，原來依靠人工取樣，要先確定某一支樣本在哪臺冰箱，找到后，要先打開外門，看在哪層，再打開內(nèi)門，看在哪個凍存架，凍存架里有多層抽屜，抽屜里邊可能存有4個、5個盒子，每個盒里又存儲了100支左右樣本，之后重復以上動作，直至所有樣本取完。整套流程下來，據(jù)任文廣估算，大概需要耗費7~10天的時間，還不能保證準確。
但是通過自動化機械手臂，只需要通過一鍵預約出庫，60秒就能完成取樣動作。從10天到60秒，解放了科研人員的雙手。
除了硬件，決心和信念也是一大考驗�！半m然當時超低溫產(chǎn)品已經(jīng)進入收獲期，但就覺得有一份使命感，需要持續(xù)打破壟斷，實現(xiàn)科技自立自強�！眱赡陼r間，公司沒有對任文廣做具體的指標考核，在資金和資源上也給了很多支持。
兩年時間很長，但始終看不到階段性的成果，讓任文廣倍感壓力，不好意思繼續(xù)占用公司這么多資源。另一方面，長時間做不出成績，也會打擊信心，“人一直是在壓抑的狀態(tài)，你會自我否定，我能力是真的不行嗎？我就是做不出來嗎？”任文廣說，每天、每小時、每一分鐘都是煎熬，“因為一旦失敗，就沒有第二次了�！�
他想過放棄，也想過內(nèi)部轉崗，但會勸說自己，一臺上千萬的設備研發(fā)本身就難，作為科研人員，就是要不畏艱難。秉持著這種心態(tài)，任文廣一直咬牙堅持，“因為我覺得離開這個產(chǎn)業(yè)，就真的就沒有人做了，當時沒有人比我更合適�！�
2018年，海爾生物醫(yī)療正式開啟物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)戰(zhàn)略轉型；2019年5月，中國第一臺由海爾自主研發(fā)的-80℃自動化生物樣本庫誕生，在歷時3年之后，海爾生物醫(yī)療再次打破國外在這一領域的壟斷，實現(xiàn)了低溫自動化生物樣本庫的國產(chǎn)化。
下半場
海爾生物醫(yī)療的發(fā)展始于生物醫(yī)療低溫存儲設備研發(fā)，彼時這一領域被國外壟斷，技術壁壘高，歐美、日本品牌對中國企業(yè)實施技術封鎖，中國科研工作者只能花大量外匯引進設備。
海爾生物醫(yī)療告訴《中國企業(yè)家》，如果將它的“破局”之路劃分為兩個階段：那么上半場做“技術攻堅”，突破超低溫制冷技術的國際壟斷，讓中國超低溫設備成功打入國際高端市場；下半場則是做“模式轉型”，將圍繞生命科學和醫(yī)療創(chuàng)新兩大領域不斷拓展。
怎么能在國際競爭中站穩(wěn)腳跟？必須依靠創(chuàng)新支撐，咬定目標自主研發(fā)。這是海爾生物一直以來的要求。
在以往很多人的認知里，生物安全的樣貌其實相對模糊，基本等同于傳統(tǒng)的細菌戰(zhàn)、傳染病及動物防疫等。事實上，生物經(jīng)濟、生物安全等相關的領域，已扎根民生，成為一個極具想象空間的產(chǎn)業(yè)。
今年5月，國家發(fā)改委印發(fā)了《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》稱，生物經(jīng)濟成為推動高質(zhì)量發(fā)展的強勁動力，提出醫(yī)療健康、食品消費、綠色低碳、生物安全等為優(yōu)先發(fā)展的四大重點領域。
生物經(jīng)濟基于生命科學研究創(chuàng)新，通過可持續(xù)的方式，利用可再生資源和生物技術來生產(chǎn)產(chǎn)品和提供服務的經(jīng)濟活動，是滿足生命健康需求快速增長、滿足人民對美好生活向往的重要內(nèi)容，是加強國家生物安全風險防控、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要保障。
“當時深低溫自動化方案研發(fā)不出來，我們面臨的是團隊生與死的問題，要不要解散的問題，現(xiàn)在我們‘活’過來了，就要想著如何做到更好，持續(xù)領先�！闭劶拔磥�，任文廣說還有很長的路要走，突破從0到1后，還要實現(xiàn)從1到N的跨越。
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