方陵生/編譯

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智能手機(jī)科學(xué)

方陵生/編譯

研究人員正在用iSPEX光學(xué)設(shè)備和智能手機(jī)測量大氣中的氣溶膠濃度

· 科學(xué)家正在探索，如何將手機(jī)變成全球?qū)嶒?yàn)室。

十年前，荷蘭天文學(xué)家弗蘭斯·斯尼克（Frans Snik）發(fā)明了一種簡單的光學(xué)器件，用來測量粉塵、煙塵和其他粒子的密度，即大氣中影響人類健康和氣候環(huán)境的氣溶膠。他本打算將他發(fā)明的這種光學(xué)器件發(fā)射到環(huán)繞地球軌道的衛(wèi)星上。但是在2011年的一個下午，斯尼克試著將這個小發(fā)明與蘋果手機(jī) （iPhone）的攝像頭連接起來，智能手機(jī)屏幕上顯示出七色彩虹般的顏色：原來斯尼克的光學(xué)器件將入射光轉(zhuǎn)換成含有偏振信息的光譜，并導(dǎo)入了攝像裝置中。斯尼克意識到，如果將這個光學(xué)器件附加到智能手機(jī)上，是否能夠?qū)λ退耐麓蛩阃ㄟ^衛(wèi)星獲取的信息進(jìn)行檢測呢？

一個獨(dú)特的想法由此誕生?！拔覀冇谑窍耄瑸槭裁床蛔寯?shù)以百萬計(jì)的人隨身攜帶的手機(jī)來開發(fā)利用這一技術(shù)呢？”斯尼克想到。

2013年，斯尼克和他在荷蘭萊頓大學(xué)的同事通過贈送或出售的方式，將iSPEX光學(xué)器件提供給了全國各地8 000名iPhone用戶。用戶按照軟件上的說明，將光學(xué)設(shè)備連接到他們的iPhone攝像機(jī)上，拍攝下他們所在地區(qū)的天空圖像。一天之內(nèi)，通過這種眾包形式收集到的大量光譜信息進(jìn)入了一個在線數(shù)據(jù)庫，生成了荷蘭全國范圍內(nèi)分辨率空前高的大氣粒子圖。達(dá)成了幾年前提出將這種光學(xué)器件發(fā)射到衛(wèi)星上監(jiān)測大氣粒子的設(shè)想，而成本只有原先計(jì)劃的一小部分。之后斯尼克的團(tuán)隊(duì)收到了來自歐盟的投資資金，在11個歐洲城市重復(fù)實(shí)施這一項(xiàng)目。

公民科學(xué)與智能手機(jī)開發(fā)

許多研究人員都在尋找開發(fā)智能手機(jī)的途徑。斯尼克的項(xiàng)目，和那些需要龐大數(shù)據(jù)集的地球物理學(xué)家、天文學(xué)家和其他科學(xué)家一樣，又往前邁了一步，他們通過招募公眾科學(xué)家，使用他們自己的智能手機(jī)來收集數(shù)據(jù)，如果以傳統(tǒng)方式來收集如此龐大的數(shù)據(jù)是非常困難的。智能手機(jī)內(nèi)配備的各種內(nèi)部傳感器，如攝像頭、麥克風(fēng)、加速度計(jì)和壓力表等，加上用戶友好型的應(yīng)用程序，為通過公眾獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)提供了新的途徑。“科學(xué)的可能性是無限的?！北边_(dá)科他大學(xué)設(shè)計(jì)手機(jī)運(yùn)行研究項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)科學(xué)家特拉維斯·德賽爾（Travis Desell）說道。

開發(fā)利用智能手機(jī)潛力的科學(xué)家首先需要進(jìn)行評估，附加在手機(jī)上的設(shè)備是否可以獲得他們所需要的測量數(shù)據(jù)。在排除收集數(shù)據(jù)應(yīng)用程序中的錯誤和缺陷之前，他們還必須確定哪些軟件平臺可以最大程度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的優(yōu)化，擬定屏蔽無效數(shù)據(jù)的方案，以及摸索招募公眾科學(xué)家參與者的途徑。

招聘公眾科學(xué)家雖然并不復(fù)雜，但也是一項(xiàng)耗時費(fèi)力的工作。斯尼克的iSPEX項(xiàng)目在荷蘭媒體的宣傳推動下，數(shù)千市民請求參與。研究團(tuán)隊(duì)還與荷蘭阿默斯福特的一個慈善基金會合作，招募了許多關(guān)注大氣中氣溶膠對健康影響的志愿者。但即便如此，iSPEX研究人員在這個眾包活動中也花費(fèi)了一年半的時間。因?yàn)榛顒由婕吧鯊V，包括將操作指南和視頻教程等上傳到網(wǎng)站上，發(fā)布支持社會媒體和網(wǎng)絡(luò)出版物的呼吁，并在線回答網(wǎng)民們提出的問題等。但當(dāng)他們收到了6 000多份提交數(shù)據(jù)時，他們的努力也得到了回報(bào)。

如何創(chuàng)建一個手持式研究工具包

將智能手機(jī)轉(zhuǎn)化為一種公民科學(xué)的工具，通常需要一款應(yīng)用程序，也可能涉及到設(shè)計(jì)和制造附加的硬件設(shè)備，或叫“附加組件”。網(wǎng)上有大量幫助研究人員編寫應(yīng)用程序的資料，谷歌的安卓系統(tǒng)，是最受歡迎的移動設(shè)備操作系統(tǒng)，開發(fā)者的網(wǎng)上社區(qū)通過提供學(xué)習(xí)教程和應(yīng)用指南來實(shí)現(xiàn)某些特定功能，支持系統(tǒng)的推廣使用。

排在第二位受歡迎的移動設(shè)備操作系統(tǒng)是蘋果的iOS，其類似的社區(qū)叫蘋果開發(fā)者論壇。微軟視窗操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)者可以登錄微軟虛擬學(xué)院，接受網(wǎng)站提供的免費(fèi)培訓(xùn)課程，新手可從頭開始學(xué)起，直到完成整個培訓(xùn)課程。

蘋果公司意識到研究中應(yīng)用程序的潛力，于去年推出了一個叫ResearchKit的在線資源網(wǎng)站。在全世界各種大學(xué)和研究中心的幫助下開發(fā)的ResearchKit提供了各種工具和服務(wù)，為研究人員進(jìn)行蘋果手機(jī)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和管理方面的研究有很大的幫助。唯一美中不足的是ResearchKit主要應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。很多應(yīng)用程序通過這一研究工具包被開發(fā)出來，包括對帕金森病患者進(jìn)行觀測的mPower，對高血糖患者進(jìn)行監(jiān)測的GlucoSuccess，可觀察記錄日常活動如何對血糖水平產(chǎn)生影響。

在智能手機(jī)上增加附加功能是種不一樣的挑戰(zhàn)，但附加設(shè)備不應(yīng)太復(fù)雜。2014年，澳大利亞堪培拉國立大學(xué)的史蒂夫·李（Steve Lee）和他的同事發(fā)現(xiàn)，通過附加一個豌豆大小的鏡頭，智能手機(jī)的相機(jī)就可達(dá)到160倍的放大倍數(shù)，只要花費(fèi)不到1澳大利亞分（低于0.01美元）的代價，就可將一個聚合物的滴液透鏡鏡頭，附加在智能手機(jī)的攝像機(jī)上，形成一個低倍率的顯微鏡系統(tǒng)。以色列一家初創(chuàng)公司開發(fā)并將于7月份正式推出的SCiO是一個獨(dú)立的近紅外光譜儀，可通過藍(lán)牙無線技術(shù)連接到智能手機(jī)上，對材料進(jìn)行掃描后提供相關(guān)的分子信息。

眾包數(shù)據(jù)的處理技術(shù)比較難掌握，但它有利于提高對技術(shù)的理解力?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在如何編寫某個應(yīng)用程序，或如何制造某個物美價廉的“附加組件”上，這種眾包形式很有幫助（參見鏈接“如何創(chuàng)建一個手持式研究工具包”）。如果研究員不是一個嫻熟的程序員，可以通過這種方式得到很大幫助。荷蘭一家名為DDQ的公司開發(fā)了各種適合公民科學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，通過提供大量免費(fèi)在線教程和論壇，一些缺少第三方資金支持的研究人員可通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)會自己編寫應(yīng)用程序。

研究人員還需要決定選擇何種軟件平臺。斯尼克和他的同事們選擇了受大眾歡迎的蘋果iOS，蘋果手機(jī)的各種型號間具有物理相似性，因此更容易為其設(shè)計(jì)一個可兼容的插件。一些主流的平臺，如谷歌的安卓系統(tǒng)，也有不少優(yōu)勢：它對于應(yīng)用程序的性質(zhì)不太有嚴(yán)格的限制，測試時的阻礙也較少。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的遙感科學(xué)家利亞姆·岡姆雷（Liam Gumley）開發(fā)的一個應(yīng)用軟件，可通過對來自智能手機(jī)和衛(wèi)星的照片進(jìn)行對比，提高了天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。他建議那些對智能手機(jī)輔助功能科學(xué)感興趣的人：“想做就去做吧！”岡姆雷還提議起草一套詳細(xì)的使用說明，比如應(yīng)用程序的目的，具體是干什么用的，當(dāng)用戶觸摸屏幕或控制某個按鈕時會發(fā)生什么，屏幕顯示又是什么樣子的，等等。他說，這是一個好主意，可以讓用戶確定數(shù)據(jù)是由應(yīng)用程序，還是由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理的。這通常取決于需處理數(shù)據(jù)的類型，有時候應(yīng)用程序會比網(wǎng)絡(luò)處理器更快一些，有時候則相反。

大數(shù)據(jù)與智能手機(jī)

研究人員還必須準(zhǔn)備好可以容納海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫?！叭绻銓?yīng)用程序在全球范圍內(nèi)發(fā)放，幾天內(nèi)你可能就會獲得龐大得難以想象的數(shù)據(jù)?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校博士生孔慶凱（Qingkai Kong，音譯）提醒道?？渍陂_發(fā)一款地震學(xué)應(yīng)用軟件MyShake。他和他的同事根據(jù)一小部分用戶接收到數(shù)據(jù)的數(shù)量進(jìn)行估算后，將他們的數(shù)據(jù)庫建立在亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主機(jī)上。其他可用的云計(jì)算服務(wù)器還包括谷歌云平臺和微軟云。

數(shù)據(jù)收集起來后，確定數(shù)據(jù)的可靠性也是一項(xiàng)艱巨的工作?？缀退耐抡趯yShake做進(jìn)一步微調(diào)，讓它具備將實(shí)際發(fā)生的地震事件與用戶搖晃手機(jī)時產(chǎn)生的震動區(qū)分開來的能力。加州理工學(xué)院的科學(xué)家們曾設(shè)計(jì)了一個名為CSN-Droid的相似的應(yīng)用程序，但最后沒有成功，因?yàn)樗荒芊浅？煽康剡M(jìn)行這樣的辨別。但孔認(rèn)為，通過嚴(yán)格測試是可以有辦法提高M(jìn)yShake準(zhǔn)確性的。

加州大學(xué)歐文分校粒子物理學(xué)家丹尼爾·懷特森（Daniel Whiteson）也在想辦法解決數(shù)據(jù)可靠性的問題。他和他的同事開發(fā)了一個名為CRAYFIS（“利用手機(jī)發(fā)現(xiàn)宇宙射線”的首字母縮寫）的應(yīng)用程序，當(dāng)高能宇宙射線撞擊地球大氣層時，智能手機(jī)用戶就能夠觀察和記錄產(chǎn)生的粒子碎片信號。如果一公里半徑內(nèi)的幾百部智能手機(jī)同時檢測到某個信號或光點(diǎn)，應(yīng)用程序就可將其記錄為宇宙射線簇射事件。在某個給定半徑內(nèi)這樣的信號越多，初級宇宙射線的能量就越大。但除了宇宙射線以外，同時出現(xiàn)在手機(jī)屏幕上也有可能是其他來源的信號或光點(diǎn)，包括探測器噪聲或環(huán)境光線等。

懷特森和他的團(tuán)隊(duì)希望能通過記錄伴隨信號的元數(shù)據(jù)來排除這種干擾，比如發(fā)現(xiàn)信號的時間和位置。如果一部智能手機(jī)被放置在某處記錄數(shù)據(jù)，研究人員就可確定該處的環(huán)境光源和噪聲源，當(dāng)真正的宇宙射線信號出現(xiàn)時就可以明確分辨出來。全世界已有150 000人報(bào)名參加CRAYFIS項(xiàng)目，但在正式發(fā)布應(yīng)用程序之前，研究人員要確保它在性能上沒有問題，研究團(tuán)隊(duì)目前正在全球1 000部手機(jī)上運(yùn)行該應(yīng)用程序的測試版本。

盡管還存在一些小問題，但通過眾包收集數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序?qū)τ谘芯空哌€是有很大吸引力的，對于有可能影響數(shù)據(jù)收集的一些問題，他們可以想辦法解決?！皬南M(fèi)型電子產(chǎn)品獲得大地震數(shù)據(jù)的前景，可以說是革命性的?！奔又堇砉W(xué)院地震學(xué)家湯姆·希頓（Tom Heaton）說道，“在一幢大樓內(nèi)獲取地震數(shù)據(jù)的一個主要障礙是，有可能會引起住戶的恐慌，認(rèn)為研究人員是否在他們住的地方發(fā)現(xiàn)了重要的安全問題?！?/p>

就像智能手機(jī)已成為許多科學(xué)家日常生活必不可少的一部分一樣，它們也可能成為一些實(shí)驗(yàn)工作的有力工具。“政府投資100億美元到150億美元給新型基礎(chǔ)設(shè)施的做法已成為過去，重要的是要充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施?！睉烟厣f道，“智能手機(jī)很強(qiáng)大，也非常靈活，這是一個巨大的平臺，雖然它對科學(xué)的意義我們才剛剛開始意識到?！?/p>

［資料來源：Nature］［責(zé)任編輯：絲 絲］