編輯 | 蘿卜皮

自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(SDL) 由機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化和人工智能驅(qū)動(dòng)，通過自主實(shí)驗(yàn)加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。然而，由于不同 SDL 之間缺乏標(biāo)準(zhǔn)化軟件，其應(yīng)用和可遷移性受到限制。

在最新的研究中，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（University of British Columbia）的研究人員提出了IvoryOS——一個(gè)開源協(xié)調(diào)器，它可以自動(dòng)為基于 Python 的 SDL 生成 Web 界面。

這些界面允許用戶通過拖放式用戶界面直接控制 SDL 并設(shè)計(jì)工作流。并且，工作流管理器可以無代碼操作，支持人機(jī)交互和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。

IvoryOS對(duì)不同平臺(tái)具有適應(yīng)性和實(shí)用性，并且即插即用、低代碼，這顯著降低了構(gòu)建和管理 SDL 的門檻。

該研究以「IvoryOS: an interoperable web interface for orchestrating Python-based self-driving laboratories」為題，于 2025 年 6 月 4 日發(fā)布在《Nature Communications》。

背景

自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（SDL）集成了商業(yè)或定制設(shè)計(jì)的硬件，例如液體處理器、自動(dòng)反應(yīng)器、分析儀器、機(jī)械臂等，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化。SDL 利用貝葉斯優(yōu)化等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)先驗(yàn)數(shù)據(jù)自主建議后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件，從而完成科學(xué)發(fā)現(xiàn)的閉環(huán)。

SDL 原型在應(yīng)用于材料化學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和制劑等各個(gè)研究領(lǐng)域時(shí)，其硬件組件和整體外形尺寸各有不同。大多數(shù)研究人員通常需要開發(fā)自定義腳本來協(xié)調(diào)硬件、數(shù)據(jù)流水線和實(shí)驗(yàn)規(guī)劃模塊。

鑒于 Python 在硬件通信、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)方面擁有開源且可用的數(shù)據(jù)庫，它在 SDL 編排層中占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然 Python 功能強(qiáng)大，但是如果缺乏足夠的編程背景，構(gòu)建、維護(hù)和操作 SDL 仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

IvoryOS

在最新的研究中，科學(xué)家提出了 IvoryOS，這是一個(gè)開源的、可互操作的、基于 Python 的 SDL 的 Web 界面。該系統(tǒng)提供了一種無需配置的解決方案，用于操作各種 SDL 并滿足不斷發(fā)展的需求。

具體來說，每次都會(huì)生成平臺(tái)狀態(tài)捕獲，以確保操作菜單中的模塊、功能和輸入字段保持最新狀態(tài)。Web 界面包含直接控制、工作流設(shè)計(jì)和工作流執(zhí)行管理，滿足操作 SDL 的基本需求。

圖示：IvoryOS 軟件功能及其在六個(gè)自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(SDL) 中的互操作性。（來源：論文）

圖示：使用 Hein Group PurPOSE 凈化平臺(tái)組件和功能說明的自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室 (SDL) 自下而上的開發(fā)結(jié)構(gòu)；以及跨六個(gè) SDL 的集成層次結(jié)構(gòu)的顏色對(duì)齊。（來源：論文）

研究人員在論文里展示了 IvoryOS 在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的六臺(tái) SDL 上的適應(yīng)性，這些 SDL 的硬件組件、開發(fā)階段和研究目標(biāo)各不相同。他們還通過相關(guān)案例研究（關(guān)聯(lián)了 Telescope Solubility 平臺(tái)和 Flow Chemistry 平臺(tái)）展示了配置閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的便捷性。

簡(jiǎn)潔易操作

研究人員表示，啟動(dòng) IvoryOS 服務(wù)器只需一行代碼，無需修改 Python 腳本，進(jìn)一步確保其適應(yīng)不同開發(fā)階段的工作流程。

與現(xiàn)有解決方案不同，其快速適應(yīng)性主要體現(xiàn)在 10 到 30 分鐘的首次安裝和集成時(shí)間。Web 服務(wù)器架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還在于支持遠(yuǎn)程訪問，方便與其他分析儀器或 SDL 進(jìn)行協(xié)作。

提供可互操作且免配置的 GUI 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是 SDL 技術(shù)的普及化，特別是降低了不會(huì) Python 或不會(huì)編程的用戶的入門門檻。

傳統(tǒng)上，SDL 和各類機(jī)器人控制系統(tǒng)需要用戶具備一定的編程能力。然而，有了 IvoryOS，用戶現(xiàn)在可以通過簡(jiǎn)潔的界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互，從而無需動(dòng)手編寫代碼。這顯著降低了學(xué)習(xí)難度，使更多人能夠輕松掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化技術(shù)。

與此同時(shí)，人機(jī)交互的 GUI 開發(fā)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，尤其是在需要自主決策的情況下。GUI 開發(fā)通常始于部署階段，導(dǎo)致開發(fā)階段缺乏真實(shí)用戶和反復(fù)試驗(yàn)。使用可互操作的編排器可以隨時(shí)訪問平臺(tái)，從而簡(jiǎn)化 SDL 的開發(fā)和測(cè)試周期。

通過這種方式，SDL 平臺(tái)促進(jìn)了一種更具包容性的方法，使各個(gè)科學(xué)學(xué)科的研究人員能夠利用 SDL，同時(shí)專注于解決特定領(lǐng)域的科學(xué)問題。

圖示：已成功集成 IvoryOS 的各種基于機(jī)械臂或以合成為中心的自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室 (SDL) 的照片和硬件組件。（來源：論文）

雖然 IvoryOS 主要為 SDL 和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，但其動(dòng)態(tài)函數(shù)捕獲和拖放式 GUI 的實(shí)現(xiàn)，使其能夠靈活地編排機(jī)器人或計(jì)算工作流程。無代碼閉環(huán)執(zhí)行可用于自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)中的超參數(shù)調(diào)優(yōu)。這種實(shí)現(xiàn)互操作性的解決方案，在使用其他編程語言構(gòu)建編排系統(tǒng)時(shí)，同樣具有價(jià)值。

局限性

雖然易于調(diào)整，但該軟件本身并不提供額外的安全檢查或工作流程驗(yàn)證。與固定系統(tǒng)相比，靈活自動(dòng)化中解決所有可能的安全預(yù)防措施一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，使用這種可互操作的軟件要求開發(fā)人員僅向用戶公開安全任務(wù)，并針對(duì)潛在的順序操作堆疊處理單個(gè)任務(wù)的安全檢查。

另外，對(duì)于無框架自動(dòng)化和可互操作軟件套件而言，并行化和調(diào)度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致了使用 IvoryOS 執(zhí)行工作流時(shí)存在單線程特性。

展望

未來，研究人員計(jì)劃通過引入并發(fā)工作流設(shè)計(jì)并研究與其他調(diào)度軟件的兼容性來增強(qiáng) IvoryOS，旨在實(shí)現(xiàn)并行工作流，從而顯著提高效率和靈活性。提高文本到代碼的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性是另一個(gè)方向，旨在增強(qiáng)具有相似功能的 SDL 之間工作流的可共享性，使工作流能夠通過自然語言進(jìn)行遷移。

該團(tuán)隊(duì)表示，他們的目標(biāo)是整合模塊化接口，使用戶能夠根據(jù)他們的特定需求定制接口——無論是只關(guān)注控制、省略數(shù)據(jù)庫還是選擇其他定制配置。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60514-w