人工智能让光镊实现全自动运行

日前，来自瑞典哥德堡大学和查尔姆斯理工大学的研究团队在人工智能（AI）应用方面取得新进展，教会一款名为SmartTrap的AI系统使用光学镊子，从而让光镊实现了全自动运行。这一成果有望大幅提升微观粒子分析的效率，将科研人员从繁琐的手动操作中解放出来。相关研究成果以“automated precision experiments with optical tweezers”为题目，发表于最新一期《自然·方法》杂志上。

光镊是一种利用高度聚焦的激光束来操控微小物体的技术，其操作对象包括单个DNA分子、活细胞以及其他直径远小于发丝的微观粒子。这项技术在2018年为科学家亚瑟·阿什金赢得了诺贝尔物理学奖。它能帮助科学家观察分子马达如何为细胞提供能量、DNA如何进行复制与修复，以及疟疾和镰状细胞贫血症等疾病如何影响红细胞功能。

然而，传统的光镊操作门槛极高，必须由经过专业训练的研究人员全程监控并作出决策。这导致实验通量低下、耗时漫长，且不同研究者之间容易产生操作差异。SmartTrap的出现改变了这一局面。该系统融合了图像分析、实时深度学习、定制电子硬件、精密流体控制以及封闭环境内的反馈机制，实现了完全自主的运行流程。它能够自行捕获颗粒，以纳米级的精度在三维空间中对其进行定位，完成测量，并在实验结束后自动装载新的样本，开启下一轮实验。

研究团队对这套AI平台进行了多项严格验证。结果显示，SmartTrap每小时可对数以百计的粒子进行分类和特性描述。在生物物理学领域难度极高的单分子DNA拉伸实验中，该系统每小时能完成10—15次实验。此外，它还成功测量了红细胞的机械刚度，并绘制了不同盐浓度下粒子间的纳米级静电力图谱。

相比之下，由人类操作员来完成同样任务，所需时间通常是AI的十倍甚至百倍，而且操作员还会面临疲劳和注意力下降的问题。研究负责人乔瓦尼·沃尔佩表示，测试表明，AI在各项任务中的表现不仅与经验丰富的操作员不相上下，甚至在部分环节更为出色。

SmartTrap基于开源软件开发，研究团队希望它能成为行业内共享的平台。随着智能化显微镜技术日益成熟，类似SmartTrap这样的AI平台有望像自动化技术改变制造业那样，彻底革新未来的实验室工作模式。

这可能又是一次科研生产力革命。光镊可以“夹住”单个微粒做各种实验，不过，它的操作门槛太高，每次实验都得有一个训练有素的科研人员全程在场调控。此次，SmartTrap把“老师傅的手艺”学成了算法，光镊有了一个永不疲倦且手法稳定的机器人操作员，光镊操作这样的精细实验成了规模化数据采集，实验室甚至可以像工厂流水线一样持续运转。新的技术，把科研人员从“苦力活”中解放出来，让他们把时间精力花到更有价值的事情上。

相关内容：https://www.nature.com/articles/s41592-026-03129-3