UCLA研发微型铁磁机器人自动化微流体平台 实现高效自动病毒检测

近期，香港大学机械工程系的科研助理教授林海松与其团队在Nature杂志上发表了一篇震撼人心的论文，文中详细介绍了他们利用微型铁磁机器人Ferrobot，成功实现了自动化的快速群组病毒检测。这一创新技术的出现，预计将使检测试剂成本降低10至30倍。

在这项令人瞩目的研究中，10个微型Ferrobot机器人高效协作，它们携带输入的鼻咽拭子样品，在手掌大小的平台上进行自动化运输、分离、分类、混合等操作。这些微型机器人通过集成核酸扩增检测试剂，对新冠病毒的遗传物质进行群组筛查，进而诊断病毒感染情况。

这种技术的优势在于其可靠性、低成本和高效性。Ferrobot平台的制造成本既廉价又简单，可实现大规模生产和部署。整个系统运行稳定可靠，远超诸多同类型的流体操纵技术，并在超过800万次的自动化测试中得到了验证。

该研究团队还采用了一种基于患病率的适应性检测算法——平方矩阵方案进行群组筛查。这一突破使得在同时测试16个样品时，试剂消耗量相较于传统方法降低了30倍。如果群组测试结果为阳性，该平台还能自动进行后续筛查，直至识别出具体阳性样本。整个测试过程仅需30至60分钟，具体时间取决于样本的阳性率。

这种只有手掌大小的便携式平台，利用可编程的自动化操纵，避免了繁琐的人工操作，从而大大缩短了测试周期。无需过多的专业测试人员，便可在大规模测试点和社区实现自主检测。这一创新使得病毒检测不再局限于实验室环境，实现了检测的社区化普及。

举例来说，仅需几十个检测组件，便有望对一所大学进行快速病毒检测。这款手持式一体化实验平台使得病毒检测能够脱离实验室的局限性，从而最大程度地利用资源，降低物资和人力的使用量，减少测试成本，有效遏制疫情蔓延。

值得一提的是，Ferrobot平台具备对新病毒的特定核酸信息进行“身份识别”的能力。在新型病毒爆发初期，其对病毒的追踪速度直接关系到疫情的传播速度。而该平台能够快速部署，建立准确的病毒检测方法，及时控制传播链。该平台还具备实时分析多种生物标记的潜力，除了用于病毒性疾病的检测追踪，还可以集成多种类型的生物试剂和传感器，帮助人们更好地进行健康管理和疾病诊断。

研究团队还计划探索该系统在化学和材料领域的应用潜力。由于Ferrobot微流控芯片系统具备高度集成的特性，可以实现多种快速液体操纵，课题组希望通过此技术解放实验室中人员的双手。通过编程合适的反应流程，利用微流控系统对反应过程实现准确、安全的控制，并结合算法来探索未知反应。

这种便携、廉价且高效的病毒检测设备应用场景广泛，绝不限于新冠病毒这一种病毒。多年来，多种流行病毒频繁出现威胁人类健康，而及时的病毒检测是控制病毒大面积爆发的关键。现有的检测模式高度依赖实验室设备，耗费大量的人力财力且耗时较长。我们亟需一款像Ferrobot这样的便携、廉价检测设备。林海松博士及其团队的研究成果为我们指明了方向，带来了希望。关于Ferrobot平台，研究团队深刻理解其在生化检测领域的优势，面对疫情全球化的紧迫形势，他们开始了为期两年的深入研究。起初，团队的目标是自动化检测病毒个体样本，但在攻克这一目标后，他们并未满足于现状，而是看到了更大的潜力。

受到中国核酸混检方式的启发，研究团队意识到需要根据病毒传播程度来设计高效的混检筛查方法。Ferrobot平台的高适应性和自动化特点使其成为突破这一瓶颈的关键手段。团队成员经过循环讨论、实验和分析，以一周7天、早7晚11的工作模式解决了微流控芯片设计、电路程序优化和生物化学试剂兼容等核心问题。

为了验证Ferrobot平台的性能，团队与加州大学洛杉矶分校医学院等实验室合作，进行大规模真实样本实验。结果显示，Ferrobot平台的检测灵敏度和准确性与日常核酸检测相当，但其在人力和物力成本上更具优势，降低了2-3个数量级。

在研究过程中，课题组经历了从实现个体样本自动化检测到突破混检效率瓶颈的历程。在迷茫期，课题组通过向其他科研团队学习和探讨，最终采用基于患病率的适应性群组筛查算法，成功提高了群组检测效率。这一成果以《铁机器人群使可访问且适应性强的自动化病毒测试成为可能》为题发表在Nature杂志上。

目前，研究团队仍在基于Ferrobot平台开展更深入的科研探索，寻找关键的生物化学标记物，评估更多类型的人体健康状况，甚至预测潜在疾病。他们正尝试将自动化生物标记检测技术推向外部实验室、医院和检测机构，并希望将这一技术普及到普通家庭，让人们通过简单的方式获取自己的健康信息。林海松课题组正在招募更多的博士生、博士后和科研助理。