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话题

教育与推广

(礼貌:非洲的TReND)
07 Aug 2018
取自2018年8月号 物理世界

在发展中国家,很难获得和维护与现代实验室相关联的高科技设备。但是开放科学的硬件能否提供生命线? 雷切尔巴西 调查

走进任何现代物理实验室,您将看到各种高科技仪器。有些光谱仪,显微镜,示波器和衍射仪会散发出数据,光谱和图像。这些“黑匣子”仪器除了价格昂贵外,主要问题还在于无法对其进行全面检查或定制。如果它们损坏了,您通常必须付钱给工程师来修复它们。

但是,如果您可以自己制造设备呢?这是开放科学硬件运动背后的原理,它使人们能够制造,修改和共享用于科学用途的硬件。通过共享设计蓝图并使用3D打印机,可以快速,廉价地制造设备。这个想法引起了许多研究人员的想象,但是对于非洲和其他发展中国家的科学家来说,开放科学硬件是一条生命线,可以使他们的教学和研究受益。

TReND 在  Africa

开源硬件的趋势在2000年代中期开始。它是从美国的“创客运动”演变而来的,DIY文化与黑客文化融合在一起,在这种文化中,IT社区的成员共同修改和开发了代码,以改善软件系统。创造者运动的核心思想是使个人更容易自己创造东西,可以引领微观制造的新时代并结束大规模制造的垄断。支持此功能的设备是3D打印机,对于消费者市场而言,它已经足够便宜。人们可以开始共享设计,这要归功于诸如 薄薄的宇宙,并可以使用Lego聚合物,丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)或生物质衍生的聚乳酸(PLA)从塑料中进行3D打印。

创客运动很快就进入了科学领域,但它并不像制造其他非科学的东西那么简单 珍妮·莫洛伊(Jenny Molloy),是开放科学的早期支持者,英国剑桥大学的研究员。她说:“ ​​[一般制造商]往往不必处理科学所需要的质量保证,对标准的遵守,校准和可重复性。”

开源概念对科学也不是完全陌生的。在1990年代 莱纳斯·托瓦尔兹 芬兰赫尔辛基大学设计了 的Linux 操作系统,它提供了可供任何人使用,修改和分发的基础源代码。现在,它已广泛用于服务器,软件和固件中,包括Android智能手机,TiVo数字视频录像机和车辆卫星导航系统。它的成功通常归因于其协作式开源开发,因为它可以快速解决问题。

分享快乐

那么类似的方法可以用于科学的硬件设计吗?最早进行测试的组织之一是瑞士的CERN。 “现在,CERN设计的大多数印刷电路板都是作为开放式硬件制造的,” Molloy说。 “对他们来说,这是一种非常务实的方法。”自2009年以来 CERN的开放式硬件存储库 (OHR)使开发人员避免重复和审查工作。他们还创建了自己的开放硬件许可,以提供围绕此技术交换的法律框架。

开源硬件的另一个支持者是 汤姆·巴登是英国萨塞克斯大学(University of Sussex)的神经科学家,他在购买3D打印机后于2012年参与其中。他承认自己“没有太多计划”,并开始使用从Internet下载的设计来打印对象。热衷于设计自己的东西,他从粗制微量移液器中汲取了灵感。巴登回忆说:“我认为也许我可以接受基本思想并设计一个更精确的思想。”

完成后,他随后建立了网站 Open-Labware.net 测试在线对其设计的反应。现在,它提供了许多开放科学的硬件设计和对现有设备的修改。非常受欢迎的设计,例如 吸管,可以下载约30,000次。 “分享很高兴,”巴登说。

Printed micropipettes

与3D打印机一样,开放硬件社区的另一个重要发展是近年来出现了廉价,功能强大的电子产品,例如 Arduino的 微控制器 树莓派 计算机和定制集成电路。因此,在线存储库中可用的设计范围从小配件(例如移液器)到复杂的机器。巴登说:“有一些物理学方面的研究科学家,他们制造了一些非常复杂的机器,例如扫描激光显微镜。”一种流行的设计是一种聚合酶链反应(PCR)热循环仪,所有分子生物学实验室都使用它来扩增DNA。他说:“它的价格为几千美元,但基本上只是一个带计时器的加热和冷却设备,因此您可以想象它在概念上很容易制造。”

同时,某些设备主要是出于教育目的而不是研究目的而构建的。它们包括一个基于乐高的低成本原子力显微镜(AFM),该显微镜是由一个国际学生团体于2013年建造的,是乐高赞助的LEGO2NANO活动的一部分。设计现在构成了 OpenAFM –一个非营利性的初创企业,以鼓励其他学校建造这些设备。

理查德·鲍曼英国巴斯大学的光学物理学家,也开发了一种称为“ OpenFlexure显微镜 可以在学校使用。 3D打印的光学显微镜使用改良的网络摄像头作为光学元件,并包括一个允许样品和透镜亚微米定位的机械平台。 Bowman的设计已在软件开发平台上公开共享 的GitHub 并且还可以轻松修改和自定义。

他说:“能够以与共享软件类似的方式共享硬件的想法吸引了我。” “ [OpenFlexure显微镜]的最基本版本肯定与基本学校显微镜在同一个球场上–非常适合看到单个人体细胞。”但是对于鲍曼来说,它具有更广泛的吸引力。 “我可以在设计中拨动一些开关,并获得使用适当的物镜和其他光学器件的东西,这意味着所产生的图像应或多或少地等同于发展中国家医院所使用的显微镜​​。 ”

国际社会

鲍曼希望制造出可以在发展中国家使用的东西,这是开放科学硬件社区成员的共同主题。鲍曼说:“在发展中国家,实验科学的发展受到了阻碍,因为他们无法获得硬件,而当他们拥有硬件时,就无法为其提供服务和维护。” “因此,硬件最终位于实验室角落的基座上,除了向参观者炫耀外,不被使用,因为实际上他们无法保持其正常工作。”因此,开放科学硬件可以帮助绕过这些问题。

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巴登在2010年成立了一家名为 非洲的TReND 与神经科学家同行(神经科学促进发展的教学与研究) 露西亚(Lucia Prieto-Godino),他现在在伦敦的克里克学院(Crick Institute)工作。它通过提供开放科学硬件方面的培训来支持非洲大学的神经科学(通常还包括其他学科)。

安德烈·玛亚·查加斯(AndréMaia Chagas)是非洲TReND项目负责人,他认为这项任务是发展当地专业知识和能力的其中一项。 “我们向人们展示了他们具有电子和3D打印的非常基础的知识,他们可以构建自己的实验室设备,因此我们一直在向人们展示这是每个人都可以做的事情,” Maia Chagas说。为此,他组织了一些本地研讨会,包括为期两周的活动,该活动于2017年7月在尼日利亚伊巴丹大学举行,来自七个不同国家的50个团体申请。在课程的最后一天,代表们拆解了3D打印机,每个小组将一个人带回家。

鲍曼(Bowman)还将通过他的3D打印显微镜将DIY方法带到非洲。在2015年,他与他人共同创立了一家非营利性公司, 水域旨在为发展中国家提供低成本的水质测试方法。由于显微镜是3D打印的,因此价格便宜,只要拥有3D打印机的任何人都可以打印。 水域最初使用数字显微镜检测水中的细菌,但现在与坦桑尼亚的Ifakara卫生研究所合作开展了一项项目,以诊断疟疾。

显微镜用于检测血液样本中的疟原虫寄生虫。 Bowman解释说:“其想法是通过使一些无聊的任务自动化来使其更快,以便技术人员可以专注于寻找实际寄生虫的棘手部位。”技术人员不必注视目镜,而是可以注视屏幕,并引入自动化技术。显微镜还可以自动扫描整个样品。鲍曼说:“技术人员然后可以像Google Maps一样浏览它,并查看寄生虫。”

他的小组最近获得了英国工程与物理科学研究委员会的拨款,以开发一种机器学习方法来识别受感染的细胞,只剩下一小部分身份不明的小组供技术人员检查。 “我的最终梦想是,不仅在医院,而且在相对乡村的诊所中,您都可以找到我们的显微镜”,鲍曼说。 “我们希望硬件可以在本地生产,维护和维修,而且价格便宜到足以使那些地方也可以拥有自动显微镜。”

功能可行

但是,发展中国家的科学家采用这些方法有多么容易或可行?苏丹喀土穆大学的物理学家Ihab Riad是越来越多的开始构建自己的硬件的非洲科学家之一。

在南非获得博士学位后,里亚德返回苏丹,但发现无法继续他的研究。他解释说:“这不仅是我的问题,而且是我的许多同事都在欧洲各地攻读博士学位的问题。” “我对天文学无能为力。两三年来,我完全感到沮丧。”由于美国和欧洲的持续制裁以及封锁使即使有资源的设备也难以购买,苏丹的局势尤其困难。

取而代之的是,他因此开始将精力集中在建造和设计用于教授该大学的300名物理本科生的设备上。 “这么多的物理部门都依赖从海外购买设备,这非常昂贵,所以我希望至少对于大学生而言,我可以制作出[实验性]的设备,供其他用户使用,” Riad说。 非洲的TReND提供了Riad 使用3D打印机,并在需要时帮助他获得了电子零件。实际上,他已经为一位生物学同事制造了一台Baden的显微镜,并为音速实验制造了一个超声波信号发生器。为此,他还使用了Arduino开源微控制器套件和开源CAD软件。

我知道如何修复我构建的单元并复制它–这也非常重要

Riad说:“我设法将价格保持得比我从中国购买的价格低40%,更不用说从欧洲购买了,所以就有所不同了。” “而且我知道如何修复我构建的单元并复制它–这也非常重要。”他现在正在尝试建立力学和动力学教学实验。 “我们已经成功地以合理的价格建造了一条航迹,现在我正在为计时器制造电子设备。”

对于这些类型的DIY版本,更多的推动已被 全球开放科学硬件 (GOSH)社区。它于2016年在欧洲核子研究组织(CERN)举行了首次“聚会”,有60位与会者提出了宣言。 2017年3月在智利圣地亚哥举行了进一步会议,来自学术界,教育界和非政府组织的100名代表参加了会议。

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全球影响

根据巴登的说法,开放科学硬件在亚洲影响最大,这表明印度在线开放科学图书馆中的点击量很高。非洲也正在发展。最近参加者的样本 非洲开放科学与硬件峰会于四月在加纳库马西举行的,说明了DIY活动的范围:尼日利亚的网络工程师Stanley Osajeh正在建造更便宜的DIY智能电表。坦桑尼亚Twende创新中心的创意培训师Christonsia Mushi正在使用开源硬件来培养学生的信心和技能。南非的平方公里阵列望远镜的工程师Rea Nkhumise正在为该望远镜收集的大量成像数据建立一个DIY磁带库-他预计这将为公司节省至少12万美元。

但是,仍然存在障碍,非洲的一大挑战是建立信任。巴登说:“简单地向人们展示在他们的实验室中建立其中一些技术有多么容易,这可以带来很大的不同。” Riad同意:“对于我们进行的一项实验,“喀土穆大学”的名字印在电路板上,每当学生看到它时,他们都会为这是本地生产而感到兴奋。当您告诉学生他们正在使用的东西不是黑匣子时,这对学生也是非常有教育意义的。我们知道该怎么做,您最终可以知道该怎么做。”

但是3D打印机在非洲仍然稀疏,在某些国家/地区,很难找到或处理3D打印所需的塑料废料。那是慈善机构之类的地方 技术贸易 可以提供帮助:它正在尝试开发3D打印基础设施,其中包括废物收集器,收集将再循环到3D打印机细丝中所需的塑料废物。

总体而言,开放科学硬件现在是规模相当大的利基活动,主要是由发达国家的热情科学家推动的。它使他们能够创建定制设备并方便地打印小附件。这些研究人员面临的问题与寻找正确的方式许可,记录和奖励设计师有关。新期刊,例如 硬件X于2016年推出,旨在解决这些问题。

但是在发展中国家,尤其是非洲,开放科学硬件可以对科学进步产生真正的影响。尽管过去20年来非洲研究人员发表的科学论文数量几乎翻了一番,但尽管非洲占世界人口的15%,但它们仍占所有出版物的不足3%。据最近加纳会议的与会者称,要使开放科学硬件运动真正在非洲蓬勃发展,它需要更多的支持。 “开发和使用开放式硬件的案例必须在政府层面提出,” Molloy说。为此,科学和基础研究本身必须成为非洲大陆的重中之重。

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