智慧實驗室是綜合利用傳感技術(shù)和控制技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)及計算機(jī)開發(fā)工具，構(gòu)建的在一定程度上能夠感知實驗室人員心理、語言或行為的訴求，感知環(huán)境變化以及研究對象變化，并自動科學(xué)自主決策以實現(xiàn)實驗室人員訴求的現(xiàn)代化實驗室。
智慧實驗室的特點
智慧實驗室應(yīng)當(dāng)具備以下特點。
一是具備感知事物(包括實驗室人員、環(huán)境、設(shè)備、樣件等)狀態(tài)的能力。例如具備測量環(huán)境信息溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器;感知設(shè)備狀態(tài)及樣件狀態(tài)的FRID信息或二維碼的識別器;感知人員面部狀態(tài)的高清識別器等等。
二是能夠處理感知系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)及以往歷史數(shù)據(jù)，通過一定算法能夠把握實驗室人員的心里、語言或行為訴求。
三是能夠?qū)⒋韺嶒炇胰藛T訴求、環(huán)境變化、研究對象的信息轉(zhuǎn)變成控制信息，并控制相關(guān)系統(tǒng)(如步進(jìn)電機(jī)、繼電器、機(jī)器手、顯示器等)，自動實現(xiàn)實驗人員的訴求或自動完成實驗室任務(wù)。如張三在實驗室中經(jīng)常將實驗室內(nèi)工作溫度調(diào)整到25℃，那么只要張三來實驗室，實驗室則會將通過網(wǎng)絡(luò)將控制信號傳遞到溫度控制系統(tǒng)，自動調(diào)整到25℃;又如，實驗人員經(jīng)過多次實驗，得出一定規(guī)律，再次試驗時，實驗室系統(tǒng)自動給出實驗參考方案等。
智慧實驗室的構(gòu)成
智慧實驗室除具備一般實驗室所必須的建筑物、設(shè)施設(shè)備外，還具備四類重要系統(tǒng)，即感知系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)。
智慧實驗室構(gòu)成原理見圖1。
感知系統(tǒng)
主要包括門禁系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)、紅外感知系統(tǒng)(如紅外跟蹤系統(tǒng))、環(huán)境傳感系統(tǒng)(溫度傳感系統(tǒng)、濕度傳感系統(tǒng)、壓力傳感器、光線傳感器等)、設(shè)備狀態(tài)感知系統(tǒng)(如設(shè)備參數(shù)采集系統(tǒng))、樣件狀態(tài)表征系統(tǒng)。
信息傳輸系統(tǒng)
通過無線傳輸技術(shù)(4G、5G、紅外)、有線網(wǎng)絡(luò)等將物聯(lián)網(wǎng)感知信息傳輸?shù)礁黝愑嬎銠C(jī)服務(wù)器。
信息處理系統(tǒng)
通過大數(shù)據(jù)、AI、區(qū)塊鏈、仿真技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)編制具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的處理系統(tǒng)軟件，對通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞來的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、判斷，然后將處理控制信號通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞到物聯(lián)網(wǎng)的終端，控制終端進(jìn)行相應(yīng)操作。
執(zhí)行系統(tǒng)
主要是將服務(wù)器發(fā)出的控制信息通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞給各類需要動作的設(shè)備，如室內(nèi)壓力的新風(fēng)閥門或排風(fēng)閥門、門禁系統(tǒng)的開關(guān)、窗簾關(guān)(閉)的步進(jìn)電機(jī)等。有的感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)集成為一體。
智慧實驗室常用技術(shù)
先進(jìn)傳感器技術(shù)
先進(jìn)傳感器技術(shù)是實現(xiàn)智慧實驗室的基礎(chǔ)，是確定實驗室人員訴求，確定實驗室環(huán)境參數(shù)、樣件位置及方法正確與否的關(guān)健技術(shù)。例如高溫傳感器、低溫傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、照度傳感器、聲波傳感器、位移傳感器。目前傳感器類別主要見圖2。
圖2 目前常用傳感器類型
網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，目前有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)就是最典型的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。計算機(jī)是處理各類數(shù)據(jù)的主角，隨著量子計算機(jī)、生物計算機(jī)的發(fā)展，計算速度更快，更精準(zhǔn)。
智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)
智能計算技術(shù)逐步具備人的邏輯思維能力，必將成為智慧實驗室的關(guān)健技術(shù);大數(shù)據(jù)技術(shù)可以及時收集實驗室相關(guān)人員、物品和環(huán)境信息，有助于數(shù)據(jù)積累，為智能計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如實驗室人員的偏好，某廠家原材料的特點等，可以為智慧實驗室提供更準(zhǔn)確的信息。
自動控制與機(jī)器人技術(shù)
自動控制技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)是最終實現(xiàn)實驗室人員訴求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如機(jī)器人一定范圍內(nèi)配送耗材、轉(zhuǎn)移試樣，自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室內(nèi)空氣的置換和溫濕度的調(diào)節(jié)等。
構(gòu)建智慧實驗室建議
完善智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系
制定國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，明確智慧實驗室的內(nèi)涵、應(yīng)具備的基本功能，制定智慧實驗室基本框架、明確數(shù)據(jù)格式、智能設(shè)備及傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。提升智慧實驗室的產(chǎn)品開發(fā)和推廣與普及。
強(qiáng)化關(guān)鍵智能傳感器開發(fā)
智能傳感器是智慧實驗室建設(shè)的關(guān)健技術(shù)，目前先進(jìn)傳感器大部分依賴進(jìn)口，國家或行業(yè)應(yīng)當(dāng)在“十四五”期間，納入國家科研項目總體規(guī)劃之中，集中解決一批傳感器。
充分利用社團(tuán)組織力量
全國各類實驗室協(xié)會、學(xué)會等社團(tuán)組織是促進(jìn)實驗室建設(shè)和技術(shù)發(fā)展的重要力量，各社團(tuán)組織應(yīng)當(dāng)重視智慧實驗室發(fā)展產(chǎn)生的行業(yè)牽引和帶來的內(nèi)需動力，在所在行業(yè)、地區(qū)范圍內(nèi)，深入調(diào)查研究，提出智慧實驗室發(fā)展需求和建議措施。例如制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)等。
智慧實驗室是未來發(fā)展的重要方向，是解放實驗室人員繁重勞動的重要途徑。我們必須正確理解智慧的深刻內(nèi)涵，從國家層面把握智慧實驗室發(fā)展規(guī)律，制定智慧實驗發(fā)展的目標(biāo)。從自動化程度高、危險性大實驗室開始試點，逐步探索，掌握規(guī)律后在行業(yè)或國家層面推廣普及。
