云计算正在变革组织甚至是个人家庭的信息存储、获取和分享能力，但是很多生命科学家仍然不敢冒险一试。“在实验室之外，设备和连通性为我们带来了极大的便利，但在实验室里，我们几乎倒退了数十年。”位于马萨诸塞州比勒利卡的MilliporeSigma公司首席信息官Silji Abraham表示，生命科学实验室由于缺乏连通性，“我们正在与解决重大问题的机遇失之交臂。科学家们仍然在担忧如何捕获并记录自己的工作。”
迄今为止，云技术通常应用于非常具体的技术中，例如下一代测序技术，又或是质谱分析法的某些高级形式中，总部位于威斯康辛州米德尔敦的Gilson公司战略业务开发高级副总裁Kevin Barrett表示。“人们当前专注于以样品为中心的方式使用该技术。”他表示，“云计算数据管理是必然趋势。”
Barrett和他的同事已经注意到云技术服务在生命科学实验室中广泛的应用前景，并期待能在简化科学流程之外获得更多收效。“人们围绕科学验证有着大量讨论，云技术可在这方面发挥极大的作用。”
应用场景
安捷伦科技公司总部位于加州圣克拉拉，在该公司软件与信息高级市场总监Kamni Vijay看来，云技术有三大关键应用领域。首先一个是协同应用，“能够让科研人员在全球范围内实时协同工作，这是此前无法实现的”，Vijay表示，“信息共享将变得司空见惯、更加即时。”
第二个领域是对先进计算有要求的应用。Vijay表示，在这方面，基于云计算的方法“将会降低对资本投资的需求，否则实验室是无法承担的”。她举了个例子：“科研人员不用购买大型服务器群，只要能将分析数据发至云端，并根据需求索要资源即可。”
Vijay指出，第三个领域是“任何适用于零占用空间部署的应用，而且可以应用于台式机和移动端”。随着物联网工具逐渐受欢迎，并纳入更多仪器，越来越多的小规模生命科学实验室也会应用到这种技术。
安捷伦iLab解决方案的应用范围在不断扩大。“我们的iLab解决方案团队研发出了一种模块正在接受专利审查，该项目由技术总监Sriram Gollapalli带队，让科研人员能够通过‘软件即服务—物联网’应用，控制校园设备的开/关状态。”Vijay表示。该系统可以控制任何连网实验室技术的接入状态——基本上所有接入电源插座可以切换开关状态的设备，例如成像设备和激光器。
连接电子实验室记录本
实验室若要最大程度地利用云技术，就需要对自己的技术进行调整，例如电子实验室记录本（ELNs）。Vijay解释道，“我们的开放实验室团队今年早些时候发布了一款电子实验室记录本，支持云技术与移动技术。”有了它，她表示，“研究人员能够在各种环境中收集数据。”
在马萨诸塞州坎布里奇市，BioData公司提供多种电子实验室记录本的选择。“我们通过多个不同的云服务供应商——亚马逊网络服务、Rackspace以及SoftLayer，提供我们的电子实验室记录本，在有些案例中还提供现场或非云服务。”BioData公司创始人、首席技术官Jonathan Gross表示，“云技术让我们能够在内部确保所有的工作都得到备份。”
当被问及云技术手段对科研人员的好处时，Gross指出了几点。于合作而言，他表示，“很多工作都是远程完成的。能够实时看到结果并分享你的专业知识，对一个项目的成功来说至关重要。”
我们绝大多数人在想到云计算时，一大关键特点是存储。“我还记得以前，科研人员会用成堆的CD备份显微图像。”Gross表示，“如今，科研人员将它们传到云端，对这些文件进行远程分析，并按需将数据存储在那里。”
云技术的关键在于采用更广泛的视角。正如Gross所说，“科学正在产生巨大的数据量，云基础设施和低成本的存储对其进行支持。”他补充道：“我们已经看到设备推动数据直达云端，我也期待更多的技术供应商能够跟上。”
研究工具的部分领衔开发者也对此表示同意。“我们正在利用物联网平台构建我们设备的连通性。”Abraham表示，“我们想要方便实验室工作，通过云技术与物联网技术实现实验记录和数据捕获的自动化，让科学家可以专注于实验本身和结果。”
方案与移液管
在总部位于马萨诸塞州沃尔瑟姆的赛默飞世尔科技公司，Tommy Bui所在的团队专注于利用赛默飞世尔的云服务提升研究生产力、表现与合作。“我们仍处于早期阶段，将我们的产品连接起来并制定路线图，为全球科学家提供完整、相关的解决方案。”Bui表示。
赛默飞世尔的云技术工程师最初的切入点是搭建计算基础框架，支持复杂仪器的网络连通性。Bui补充道：“于我们的客户而言，重要的是我们在继续以创新、直观和具有扩展性的方法深耕连通性，这种连通性已经越来越灵活，能够适应一系列对多样化、紧迫的研究流程至关重要的仪器和设备。我们并不关注连通性较差的小范围创新。”
作为路线图的一部分，Bui和团队一直专注于将手持移液管与赛默飞世尔的云技术相连。“我们正在为用户提供一种移液管，让他们能从云端下载预先调整好的方案，或是通过云同时向一个或多个移液管进行创建和分享。”Bui表示，“连通云技术与实验室多个移液管将节约时间，减少人为错误，提升稳定性与可复制性，并最终提升研究成果。”
谈及移液管，很多人会想到Gilson移液器（PIPETMAN）。“移液管是数据收集的起点。”Gilson首席执行官Nicolas Paris表示，下一年将会推出一款提供云服务的蓝牙移液器。“我们会把移液器变成物联网产品，这样就可以追踪实验台的情况。”
该物联网移液器的功能将会告知研究人员设备是否校准，并可降低因不当移液技巧造成的失误。它也将提供需要做什么（以及已完成工作）的信息，验证实验中的手动步骤。
科研人员无需购买新的移液器进行连接。“基于云技术的管理，其真正风险在于它将研究一分为二：提供云服务和不具备该技术的。”Paris解释道，“我们通过连接现有工具，希望能够向大量科研人员提供我们的技术，来避免这一点。”
设计生态体系
随着物联网深入实验室，整个研发“生态系统”将会发生改变，变得更加互联互通，例如美国宇航局（NASA），正在广泛结合一系列设备和定位发射火箭。位于马萨诸塞州奥尔斯顿的TetraScience公司执行总裁与联合创始人Alok Tayi如此描述该公司的技术，将其称为“研发控制中心”。他进一步解释：“我们利用物联网，将个人实验与仪器接入一个网上控制面板。”客户利用控制面板完成三大核心功能：管理仪器与资产、实验自动化，收集和管理数据。
TetraScience公司等面临两大挑战：实验室设备类型繁杂以及设备制造商的多样化。“我们与制造商进行合作。”Tayi解释道，“这样，他们可以为客户提供新的性能，例如远程诊断问题，并加入自动化分析与成像。”
Tayi通过结合这三种功能与不同版本的设备，希望为实验室带来颠覆性改变。“我们正在试着建立一种仪器、科学家和科研工作的生态系统。”他表示。
为达到这一点，Tayi知道，他无法让人们完全建立新的实验室，里面都是最先进的设备。因此，他解释道，“我们通过改装现有仪器并将其接入云服务，帮助实验室迈入数字化时代。我们随着实验室和研究工作的与时俱进，为该生态体系持续提供支持。”
TetraScience与综合杀菌系统（CSS）公司也有一项合作落地奥尔斯顿，生产高压灭菌器。“我们想要让我们的高压灭菌器通过云端进行互联，就像你家里的恒温器或电视。”CSS公司总裁兼首席执行官Arthur Trapotsis表示。
CSS公司并没有构建自己的云技术，Trapotsis决定与TetraScience合作。“如果终端用户需要登录37种不同的云，会让他们非常恼火，十分麻烦。”他解释道。“因此我们与TetraScience公司的生态系统合作，因为理论上来讲，不同设备类型的制造商都可以接入该系统。因此，实验室人员可以通过一个云平台就监控到整个实验室。”Trapotsis和他的团队已经发布了提供云服务的高压灭菌器：“2017年，我们将提供云技术转换工具包，改装旧款的高压灭菌器，设置云连接功能。”
将实验室推向新高地
随着实验室开始逐渐利用物联网与云服务技术，越来越多的公司将开展生态系统的研发。在马萨诸塞州坎布里奇市的LabCloud公司，执行总裁与联合创始人Charles Beyrouthy表示，“我们想要将整个研究运作——从数据管理到采购，都放在云端的同一个系统中。”可能最令人惊讶的一点是，Beyrouthy想要免费帮助研究人员实现这一想法。
为了实现这一点，Beyrouthy和同事与实验室设备供应商开展合作，面向潜在的产品使用客户。如今，超过50家供应商正在与LabCloud公司合作，在这些合作的支持下，该公司能够为企业与科研人员提供资源。但是LabCloud公司的首要任务是服务用户。正如Beyrouthy所说：“我们不会凭空制造某一功能，除非我们看到谁在运营层面使用它。”
LabCloud公司同时也在尝试让这一生态系统更易于使用。“作为一名科研人员，入门相当简单——只要报上名，你就立即可以使用为你预配置好的实验室记录本、数据分析和存储功能。”公司首席技术官Igor Romashko表示。
然而，随着用户数量增加，事情变得更为复杂。“通常复杂的是，你需要创建一个团队，创建账号和用户角色，并按照规定设置相应访问权限。”Romashko表示，“在这方面我们有实用程序或指导帮助用户。”
事实上，LabCloud公司为用户提供一系列的工具，包括“每周3次网上用户培训，专注于软件具体操作细节和高级功能，同时解决用户具体问题和最佳范例”，Romashko表示，“我们同时对用户的软件使用提供免费咨询。”
“临床前研究的仪表盘”
加州南旧金山Studylog Systems公司联合创始人与副总裁Eric Ibsen有一支团队正在进行体内研究，他们尝试用一系列软件工具记录研究工作，但“效果低得令人难以置信，因为它们并不是一个整体”，他表示，“我开始四处寻觅，发现自己找不到任何研究专用的软件工具，能够让科研人员用于模仿工作流程。”
因此他和同事研发了Studylog动物研究工作流程软件，Ibsen将其描述为“临床前研究的完整仪表盘”。总体来说，该工具在数据库的基础上提供研究管理。“它将动物研究的整个过程进行自动化、流程化，包括研究规划、设计和安排；收集数据；进行统计；制作图表并生成报告——所有这些仅需按几个键。”Ibsen解释道，“使用者告诉我们，Studylog软件让能够开展的研究数量翻了一两番。”
此外，所有信息都进入一个数据库。“它们安全地存储在中心服务器上，而不是成千上万个Excel表中。”Ibsen表示，“然后可以通过网络提供给相应人员与系统。”他补充道：“该系统的费用对大多数组织而言是可以负担的，从个人的学术实验室到跨国制药公司。”
即将到来的惊人壮举
尽管各种激动人心的物联网活动都在起步，还有更多的进展即将到来。“在实验室信息化被真正称作‘成熟’之前，这个领域还有很多工作要做。”Romashko表示，“在接下来3~5年我们将要看到的一个新兴领域是机器学习和人工智能的应用，提升科研人员的用户体验，让他们可以进行预测实验。”
Romashko解释道：“想象一下，实验室信息化软件能够预测任何给定方案的结果，并将此前实验和公共域知识纳入考虑范围，或是能够提醒科研人员潜在的错误或问题。”
因此，除了在现有框架内提升科研工作之外，数字实验室管理也可以创建全新的科研方式，让当前做科研的方式方法黯然失色。■
Mike May是美国佛罗里达自由撰稿人及编辑。
DOI: 10.1126/science.opms.p1700112
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2017年2月3日《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/custom-publishing/technology-features/companies-cloud-digitizing-lab-operations。