取1000支生物样本，从10天到60秒，解放科研人员的双手。
文｜《中国企业家》记者 任娅斐
编辑｜姚赟
图片来源｜受访者
【编者按】
生物样本是实现临床到科研，再将科研成果用于临床，在提高科研效率同时，能够让患者充分受益的重要生物资源。生物样本库也已经成为临床疾病的治疗和预防研究、生命科学研究、个体化治疗的基础设施。同时，生物样本库也是转化医学和精准医疗的基础设施。
这一设施的背后，有着超高的行业技术壁垒。企业不仅要掌握复叠制冷、箱体低温绝热等关键技术以实现-50℃至-150℃超低温度，还要保证存储温度长时间均匀、稳定、精准等特点，同时具备系列安全警报，保障突发故障时一段时间内维持内部环境稳定等功能。
近几年生物安全问题受到关注，面对不同储存需求的生物样本，该如何打造稳定安全的环境？生物样本需求逐年增加，一个样本库的样本数量指数级增加，该如何高效快速利用使用？海尔生物医疗在这方面持续探索20余年，从超低温技术研发到开始探索设备与物联网、大数据融合，不断突破。
下一场新科技革命将由生物技术主导、多项技术共同推动，而且会在未来30年左右发生——这一论断被国内外不少主流声音认可。而在这个超高壁垒的行业中，已经有不少中国企业默默播下了种子。
造一个“活”的生物银行，并不是件容易的事。
表面来看，南方海洋实验室是一个研究、探索海洋资源的科研基地，实际上，这里还是一家“生物银行”，规划保藏量超过220万份。坐落于南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）的海洋生物资源库，是南方海洋实验室重点建设的八大公共平台之一，主要保藏海洋动物、海洋植物和海洋微生物的种质资源、基因资源和天然产物资源。
这样的样本库，首要的条件就是安全。生物样本存储具有特殊性，一是要求存储的环境温度长时间均匀、稳定、精准；二是使用时的责任问题，要进行信息化管理；三是背后的数据是否有泄露风险。
背后涉及到的存储设备，便是生物医疗低温存储设备。而在过去很长一段时间内，这项具有高技术壁垒、多学科交叉融合特点的技术，一直被欧美国家垄断。直到2000年以后，以海尔生物医疗为代表的国内企业，先后突破核心技术和产业化生产后，才开始逐步实现替代。
当时的情况来看，就是没得选——需求一直都在，大家也了解进口品牌的采购周期长、售后成本高，但是只能接受。海尔生物医疗智慧样本网事业部技术总监袁顺涛告诉《中国企业家》：“当时国外设备采购周期很长，部分设备需要大约一年时间，根本等不及，出了问题，还经常联系不到人维修，整个亚太区域，只有1~2名工程师。”
而这成了以海尔生物医疗为代表的医疗器械企业的出发点。近年来，随着转化医学、精准医学和个体化医疗的兴起及迅猛发展，生物样本库等生物安全逐渐受到关注。
随着《中华人民共和国生物安全法》的正式施行，生物样本资源的重要性愈发凸显。如何安全、长期、稳定、有效保存这些珍贵的生物资源，成了亟待解决的重要问题。
而现在的需求不仅仅是安全地储存，还需要“活”。在这种需要稳定低温状态且不能感染损坏样品的情况，如何在百万份的样本中，快速高效找到上百、乃至上千份目标样品试管，更是基于安全提出的新诉求。
过去20年中，海尔生物医疗持续“破壁”。先是突破了超低温制冷技术的“卡脖子”难题，打破了外资品牌30年的技术垄断，而后又在超低温存储技术的基础之上，打破国外垄断，实现了低温自动化生物样本库的国产化。
“目前，海尔生物医疗已经通过物联网技术与生物医疗低温存储技术融合创新，构建了生命科学与医疗创新两大领域数字场景方案，实现从网器到场景再到生态的迭代升级。”海尔生物工作人员称。
在此节点，以此为样本，《中国企业家》走访了位于青岛的海尔生物医疗产业园，找到了当年参与持续“破壁”的工程师，参观了其多种场景下的生物安全产品，重走这20年的“破壁”之路。
被“冰冻”30年的超低温技术
研发初期，海尔超低温冷藏设备使用到了美国一家企业生产的专用压缩机，但就在产品成型即将上市时，对方却以“怀疑军用”为由，拒绝继续提供专用压缩机这一部件。压缩机如同超低温冰箱的心脏，如果没有这一核心部件，一环扣一环的生产线和产能都会受到直接影响。
面对这样的情况，要么找到替代品，要么自研。海尔生物医疗选择了后者——想要不再“受制于人”，就必须进行自主科技创新，真正打破进口垄断。
生物医疗存储设备通常存储的是生物样本、血液、疫苗、药品等，同时根据存储类型及使用机构不同，主要应用于生物样本库、药品及试剂安全、疫苗安全、血液安全、实验室安全五大场景。
不同于家用冰箱，-18℃就能满足绝大多数食材的储鲜要求，生物医疗低温存储设备存放的生物大分子（DNA、RNA、蛋白质等）、细胞、组织等“娇贵”生物样本的长期存储，常用的储存温度要更低，一般≤-80℃。
“每个样本都是独一无二的，在我们不知道的情况下，只能尽量先把它保存下来，之后再逐渐去做研究、处理和应用。”海尔生物医疗自动化产品总监任文广告诉《中国企业家》，标准化、高质量的生物样本库是保存珍贵遗传资源重要的载体。
样本普遍价值较高，部分样本甚至具有唯一性、稀缺性且损坏不可补救，生物样本保存的苛刻要求，导致生物医疗低温存储行业天生具有较高的技术壁垒。
这样的情况下，当时生物医疗储存行业中基本都是国外的品牌。但技术上需要攻克的难题是一方面，交付的流程和维修服务也让大家多有抱怨——需求存在，但可选择的余地不大。
“一是我们必须要花大量的外汇去引进设备；二是采购周期需要大约一年；三是产品维修缺乏人员响应。”袁顺涛说，“所以当时有很多科研老师找到海尔，希望我们能够研发超低温冰箱。”
2005年海尔集团成立青岛海尔生物医疗股份有限公司，专注低温存储设备的研发、生产和销售。“没有设备、没有经验、没有人，也没有供应商。”袁顺涛说，当时国内冰箱温度都是在-20℃左右，谁也没有信心说能做成。
因为没有合规的实验室，研发人员也吃尽了苦头。“做实验需要极端环境，比如让房间的温度升到40度，实验室是需要有一套严密的控温控湿系统的，当时没有，就只能用浴霸，模拟试验环境，一直照着让房间升温。”但是温度总是起伏不定，任文广回忆到，温度达到50多度后，就像洗澡一样，人体完全受不了，只能趴在门口看看里面是什么情况，出了问题，人进去，再出来，来来回回很容易感冒。
直到2006年，中国第一台-86℃超低温冰箱诞生，在超低温制冷技术上实现“破壁”，打破了外资品牌30年的技术垄断，并使采购成本降低了30%以上。2008年8月，中国骨髓库成为海尔生物的第一个大型战略合作商，海尔生物为其提供生物样本库解决方案。截至2020年底，该库保存样本已达293万份，是迄今为止中国规模最大、跨越地域最大的健康人血液“生物银行”。
但从技术突破到产业化，看似一步之遥，实际隔着十万八千里。
一步之遥：从技术到产业落地
袁顺涛是个典型的技术男，说话温和、严谨、逻辑性强，如果你不连着追问，就很难让他主动输出。但时隔多年，当他再回忆起当时这段持续受挫的经历时，一直安静的他还会有些激动——手上的肢体幅度变大，偶尔还会侧着身子看向一旁同样经历过失败的同事。
为了控制预吸附率，袁顺涛团队投入了大量精力研究。但他遭遇了工作以来，自信心受到最大打击的一次。
过滤器安装后，设备需要做6个月的可靠性测试，他们前后进行了多次样机测试，但故障总是在测试快要结束时才出现，“由于每次测试时间都很长，团队的试错成本很高”，袁顺涛觉得这个问题完全解决不了，“团队的士气也很低落”。
直到后来，技术组按照分析出的故障清单，用排除法一个个验证，才最终找到正确方案。“更换了近百个方案，终于成功了一次”，回忆起这段经历，袁顺涛感慨，“技术难点都分析出来了，但是试验的过程非常痛苦，特别考验你的意志力，因为总在你快要成功时，就打击你一次。”
对低温冰箱而言，压缩机就像人的心脏一样，决定着它能不能长时间稳定、高效运行。袁顺涛称，当时国内都是用于冷柜和空调的普通压缩机，没有专门用于超低温、深低温冰箱的专用压缩机，他们只能通过制冷系统创新，采用普通压缩机实现专用压缩机能达到的低温制冷效果。
“心脏”问题解决后，“肺”功能也需要改善。袁顺涛解释，超低温冰箱中会用到“过滤器”，它的核心作用是过滤杂质、水分和酸。预吸附率越低，冰箱越不会出现堵塞情况。
经过反复试验，最终将预吸附率控制在了0.6%以下。
大学毕业加入海尔生物医疗后，13年里袁顺涛一直负责海尔生物医疗超低温领域技术突破及产品研发，目的就是让设备更稳定、更可靠、更高效、更环保。
然而，这仅是从技术突破走向产业化的其中一小步，突破超低温制冷技术后，如何将科研成果产业化落地，成为亟须解决的难题。
目前，海尔生物已发展成为覆盖-196℃至8℃全温域的生物医疗低温存储设备服务商，并在2013年获得“国家科技进步二等奖”。同时，也为我国多项重大科研工程提供了技术支持。如，海尔航天专用冰箱搭载神舟飞船多次被送往太空；超低温冰箱搭载雪龙号科考船远赴8000海里之外的南极，搭载彩虹鱼号载人深潜器到达一万米深处的马里亚纳海沟等。
弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）报告显示，在全球市场，赛默飞世尔、三洋电机（2012年生物医疗部门被松下整合，现属于松下普和希）等国外企业率先实现技术突破，市场占比较高。2017年，赛默飞世尔、松下医疗（三洋电机）、海尔生物、德国艾本德、Helmel Scientific前五大厂商占据超 70%市场份额。其中，赛默飞竞争优势明显，以33.37%的市场份额位列第一，海尔生物以10.7%市场份额位列第三。
在国内市场，2000年以后，以海尔生物、澳柯玛、中科美菱等为代表的国内企业先后突破核心技术后，逐步开始进口替代，规模已经超过国外品牌。
破壁：永远会有新的难题
5G网络加持下，经过制备的样品试管在这个“生物银行”安静地存放着，一旦需要存取、转运，只需一键操作，设备收到指令后，机械手最快在60秒内便可从100万份样本中，精确挑选和存取任一样本。样本出入库时，智能转运机器人不仅可以全程转运，样本信息全程也可追踪。存取时的每个动作精准到毫厘，即使重复数十万次，也不会有丝毫偏差。
生物样本存入“银行”，不能只是完成，还得更好，另一个需要攻克的焦点就是超低温领域的自动化技术。
传统的样本管理依靠人工，随着样本存储的数量越来越多，人工操作不利于样本存储的长期有效管理。一是存在信息记录错误或者遗漏的可能性；二是大批量的存取过程，十分耗费时间；三是无法保证样本安全，因为人工存取样本，必须得打开设备，内外至少100℃的温差，在频繁的存取过程中，会导致设备产生温度波动和冻融循环，影响样本稳定性，导致样本质量下降。
“用户买的不是一台设备，而是样本的存储安全。不应该把时间浪费在管理设备上，而是要关注样本的存储情况。”任文广强调，自动化的目的就是要减少用户无效的劳动和投入，“让科学家解放出来”。
这一需求和目的，成了第二次“破壁”的出发点。
2017年初，任文广“转战”自动化。但在当时，他手上只有几张进口设备的照片，材料、存储结构等各方面都被国外封锁，“国内没有设备，我们出去别人也不让看，后来国内有安装的设备后，我们才有机会去参观学习”。
为何这么难？
任文广向《中国企业家》解释，“低温自动化存储行业，是低温存储产业与自动化行业交叉形成的新产业，但并不是二者简单技术融合就可以实现的，尤其是低温、超低温自动化存储。”
技术融合是一个反复实验的过程，会面临很多问题：一是原材料及存储结构在超低温环境下会因“热胀冷缩”而变形，因此按照变化前的位置去识别并取出样本是很难的。二是设备内部的低温会生成水蒸气影响设备运行，如何控湿除霜；三是想要准确记录海量样本中每支样本的位置信息、使用者信息以及取用后的信息变化，也需要依靠智能算法系统去处理；四是耐低温原材料的选择，因为很多材料在深低温环境下会变脆。
例如，2018年7月，团队开始第一次样机测试。然而在实验过程中，随着库内温度逐渐下降到地球极限温度以下，机器人导轨低温变形被卡住，这次尝试并未成功。此后，他们寻访了几十家国内顶尖高校院所，才终于找到合适材料来替代。
为了寻找到耐低温材料线缆，任文广观察了引进的国外设备，但他发现这些设备上去掉了线缆标志，根本辨别不了是哪家供应商。为了找到合适的线缆，他们尝试了很多方法。最终凭借以往服务航天项目的资源及经验，接触到了能够适用于深低温温度的线缆材料制造商。
针对库内样本不能准确定位的问题，任文广给机械手安装了一双“眼睛”，保证样本位置跑偏后，通过动态识别技术也能找到：一个是位置的识别，另一个是身份的识别。
三个月下来，在测量出1万多个位置点后，任文广带领团队终于实现了100立方米的低温空间样本的精准定位存取，攻克了低温自动化的关键技术难题。
以1000支生物样本为例，原来依靠人工取样，要先确定某一支样本在哪台冰箱，找到后，要先打开外门，看在哪层，再打开内门，看在哪个冻存架，冻存架里有多层抽屉，抽屉里边可能存有4个、5个盒子，每个盒里又存储了100支左右样本，之后重复以上动作，直至所有样本取完。整套流程下来，据任文广估算，大概需要耗费7~10天的时间，还不能保证准确。
但是通过自动化机械手臂，只需要通过一键预约出库，60秒就能完成取样动作。从10天到60秒，解放了科研人员的双手。
除了硬件，决心和信念也是一大考验。“虽然当时超低温产品已经进入收获期，但就觉得有一份使命感，需要持续打破垄断，实现科技自立自强。”两年时间，公司没有对任文广做具体的指标考核，在资金和资源上也给了很多支持。
两年时间很长，但始终看不到阶段性的成果，让任文广倍感压力，不好意思继续占用公司这么多资源。另一方面，长时间做不出成绩，也会打击信心，“人一直是在压抑的状态，你会自我否定，我能力是真的不行吗？我就是做不出来吗？”任文广说，每天、每小时、每一分钟都是煎熬，“因为一旦失败，就没有第二次了。”
他想过放弃，也想过内部转岗，但会劝说自己，一台上千万的设备研发本身就难，作为科研人员，就是要不畏艰难。秉持着这种心态，任文广一直咬牙坚持，“因为我觉得离开这个产业，就真的就没有人做了，当时没有人比我更合适。”
2018年，海尔生物医疗正式开启物联网生态战略转型；2019年5月，中国第一台由海尔自主研发的-80℃自动化生物样本库诞生，在历时3年之后，海尔生物医疗再次打破国外在这一领域的垄断，实现了低温自动化生物样本库的国产化。
下半场
海尔生物医疗的发展始于生物医疗低温存储设备研发，彼时这一领域被国外垄断，技术壁垒高，欧美、日本品牌对中国企业实施技术封锁，中国科研工作者只能花大量外汇引进设备。
海尔生物医疗告诉《中国企业家》，如果将它的“破局”之路划分为两个阶段：那么上半场做“技术攻坚”，突破超低温制冷技术的国际垄断，让中国超低温设备成功打入国际高端市场；下半场则是做“模式转型”，将围绕生命科学和医疗创新两大领域不断拓展。
怎么能在国际竞争中站稳脚跟？必须依靠创新支撑，咬定目标自主研发。这是海尔生物一直以来的要求。
在以往很多人的认知里，生物安全的样貌其实相对模糊，基本等同于传统的细菌战、传染病及动物防疫等。事实上，生物经济、生物安全等相关的领域，已扎根民生，成为一个极具想象空间的产业。
今年5月，国家发改委印发了《“十四五”生物经济发展规划》称，生物经济成为推动高质量发展的强劲动力，提出医疗健康、食品消费、绿色低碳、生物安全等为优先发展的四大重点领域。
生物经济基于生命科学研究创新，通过可持续的方式，利用可再生资源和生物技术来生产产品和提供服务的经济活动，是满足生命健康需求快速增长、满足人民对美好生活向往的重要内容，是加强国家生物安全风险防控、推进国家治理体系和治理能力现代化的重要保障。
“当时深低温自动化方案研发不出来，我们面临的是团队生与死的问题，要不要解散的问题，现在我们‘活’过来了，就要想着如何做到更好，持续领先。”谈及未来，任文广说还有很长的路要走，突破从0到1后，还要实现从1到N的跨越。
