智能手機科學

方陵生/編譯

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智能手機科學

方陵生/編譯

研究人員正在用iSPEX光學設備和智能手機測量大氣中的氣溶膠濃度

· 科學家正在探索，如何將手機變成全球實驗室。

十年前，荷蘭天文學家弗蘭斯·斯尼克（Frans Snik）發(fā)明了一種簡單的光學器件，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 （iPhone）的攝像頭連接起來，智能手機屏幕上顯示出七色彩虹般的顏色：原來斯尼克的光學器件將入射光轉換成含有偏振信息的光譜，并導入了攝像裝置中。斯尼克意識到，如果將這個光學器件附加到智能手機上，是否能夠對他和他的同事打算通過衛(wèi)星獲取的信息進行檢測呢？

一個獨特的想法由此誕生。“我們于是想，為什么不讓數(shù)以百萬計的人隨身攜帶的手機來開發(fā)利用這一技術呢？”斯尼克想到。

2013年，斯尼克和他在荷蘭萊頓大學的同事通過贈送或出售的方式，將iSPEX光學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，將光學設備連接到他們的iPhone攝像機上，拍攝下他們所在地區(qū)的天空圖像。一天之內，通過這種眾包形式收集到的大量光譜信息進入了一個在線數(shù)據(jù)庫，生成了荷蘭全國范圍內分辨率空前高的大氣粒子圖。達成了幾年前提出將這種光學器件發(fā)射到衛(wèi)星上監(jiān)測大氣粒子的設想，而成本只有原先計劃的一小部分。之后斯尼克的團隊收到了來自歐盟的投資資金，在11個歐洲城市重復實施這一項目。

公民科學與智能手機開發(fā)

許多研究人員都在尋找開發(fā)智能手機的途徑。斯尼克的項目，和那些需要龐大數(shù)據(jù)集的地球物理學家、天文學家和其他科學家一樣，又往前邁了一步，他們通過招募公眾科學家，使用他們自己的智能手機來收集數(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。智能手機內配備的各種內部傳感器，如攝像頭、麥克風、加速度計和壓力表等，加上用戶友好型的應用程序，為通過公眾獲取高質量數(shù)據(jù)提供了新的途徑。“科學的可能性是無限的?！北边_科他大學設計手機運行研究項目的計算機科學家特拉維斯·德賽爾（Travis Desell）說道。

開發(fā)利用智能手機潛力的科學家首先需要進行評估，附加在手機上的設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現(xiàn)應用程序的優(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家參與者的途徑。

招聘公眾科學家雖然并不復雜，但也是一項耗時費力的工作。斯尼克的iSPEX項目在荷蘭媒體的宣傳推動下，數(shù)千市民請求參與。研究團隊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了一年半的時間。因為活動涉及甚廣，包括將操作指南和視頻教程等上傳到網站上，發(fā)布支持社會媒體和網絡出版物的呼吁，并在線回答網民們提出的問題等。但當他們收到了6 000多份提交數(shù)據(jù)時，他們的努力也得到了回報。

如何創(chuàng)建一個手持式研究工具包

將智能手機轉化為一種公民科學的工具，通常需要一款應用程序，也可能涉及到設計和制造附加的硬件設備，或叫“附加組件”。網上有大量幫助研究人員編寫應用程序的資料，谷歌的安卓系統(tǒng)，是最受歡迎的移動設備操作系統(tǒng)，開發(fā)者的網上社區(qū)通過提供學習教程和應用指南來實現(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)應用軟件的開發(fā)者可以登錄微軟虛擬學院，接受網站提供的免費培訓課程，新手可從頭開始學起，直到完成整個培訓課程。

蘋果公司意識到研究中應用程序的潛力，于去年推出了一個叫ResearchKit的在線資源網站。在全世界各種大學和研究中心的幫助下開發(fā)的ResearchKit提供了各種工具和服務，為研究人員進行蘋果手機應用軟件的設計和管理方面的研究有很大的幫助。唯一美中不足的是ResearchKit主要應用于醫(yī)藥領域。很多應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行觀測的mPower，對高血糖患者進行監(jiān)測的GlucoSuccess，可觀察記錄日?；顒尤绾螌ρ撬疆a生影響。

在智能手機上增加附加功能是種不一樣的挑戰(zhàn)，但附加設備不應太復雜。2014年，澳大利亞堪培拉國立大學的史蒂夫·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，智能手機的相機就可達到160倍的放大倍數(shù)，只要花費不到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，附加在智能手機的攝像機上，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是一個獨立的近紅外光譜儀，可通過藍牙無線技術連接到智能手機上，對材料進行掃描后提供相關的分子信息。

眾包數(shù)據(jù)的處理技術比較難掌握，但它有利于提高對技術的理解力?？茖W家發(fā)現(xiàn)，在如何編寫某個應用程序，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的實際應用，通過提供大量免費在線教程和論壇，一些缺少第三方資金支持的研究人員可通過網絡學會自己編寫應用程序。

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，蘋果手機的各種型號間具有物理相似性，因此更容易為其設計一個可兼容的插件。一些主流的平臺，如谷歌的安卓系統(tǒng)，也有不少優(yōu)勢：它對于應用程序的性質不太有嚴格的限制，測試時的阻礙也較少。

威斯康星大學麥迪遜分校的遙感科學家利亞姆·岡姆雷（Liam Gumley）開發(fā)的一個應用軟件，可通過對來自智能手機和衛(wèi)星的照片進行對比，提高了天氣預報的準確性。他建議那些對智能手機輔助功能科學感興趣的人：“想做就去做吧！”岡姆雷還提議起草一套詳細的使用說明，比如應用程序的目的，具體是干什么用的，當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)是由應用程序，還是由網絡服務器處理的。這通常取決于需處理數(shù)據(jù)的類型，有時候應用程序會比網絡處理器更快一些，有時候則相反。

大數(shù)據(jù)與智能手機

研究人員還必須準備好可以容納海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫?！叭绻銓贸绦蛟谌蚍秶鷥劝l(fā)放，幾天內你可能就會獲得龐大得難以想象的數(shù)據(jù)?！奔又荽髮W伯克利分校博士生孔慶凱（Qingkai Kong，音譯）提醒道?？渍陂_發(fā)一款地震學應用軟件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)量進行估算后，將他們的數(shù)據(jù)庫建立在亞馬遜網絡服務器主機上。其他可用的云計算服務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)的可靠性也是一項艱巨的工作。孔和他的同事正在對MyShake做進一步微調，讓它具備將實際發(fā)生的地震事件與用戶搖晃手機時產生的震動區(qū)分開來的能力。加州理工學院的科學家們曾設計了一個名為CSN-Droid的相似的應用程序，但最后沒有成功，因為它不能非?？煽康剡M行這樣的辨別。但孔認為，通過嚴格測試是可以有辦法提高MyShake準確性的。

加州大學歐文分校粒子物理學家丹尼爾·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（“利用手機發(fā)現(xiàn)宇宙射線”的首字母縮寫）的應用程序，當高能宇宙射線撞擊地球大氣層時，智能手機用戶就能夠觀察和記錄產生的粒子碎片信號。如果一公里半徑內的幾百部智能手機同時檢測到某個信號或光點，應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)在手機屏幕上也有可能是其他來源的信號或光點，包括探測器噪聲或環(huán)境光線等。

懷特森和他的團隊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人報名參加CRAYFIS項目，但在正式發(fā)布應用程序之前，研究人員要確保它在性能上沒有問題，研究團隊目前正在全球1 000部手機上運行該應用程序的測試版本。

盡管還存在一些小問題，但通過眾包收集數(shù)據(jù)的應用程序對于研究者還是有很大吸引力的，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。“從消費型電子產品獲得大地震數(shù)據(jù)的前景，可以說是革命性的?！奔又堇砉W院地震學家湯姆·希頓（Tom Heaton）說道，“在一幢大樓內獲取地震數(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>

就像智能手機已成為許多科學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驗工作的有力工具?！罢顿Y100億美元到150億美元給新型基礎設施的做法已成為過去，重要的是要充分利用現(xiàn)有的基礎設施。”懷特森說道，“智能手機很強大，也非常靈活，這是一個巨大的平臺，雖然它對科學的意義我們才剛剛開始意識到?！?/p>

［資料來源：Nature］［責任編輯：絲 絲］