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如何利用智能手机进行科学研究?

《科技生活》周刊||热度 ( )

  文/赵斌 复旦大学生命科学学院教授

  在学术会议上,一些讲座经常被电话打断,移动电话一度是学术界诟病很多的对象。但是,随着智能手机应用程序越来越多,它已经演变成一个多功能工具,甚至许多是科学家和研究人员必备的应用程序。基于智能手机的移动计算平台,正在进入我们的实验室。

  我曾介绍过荷兰天文学家Frans Snik开展的iSPEX项目。十年前,Snik发明了一种简单的光学装置,可用于测量粉尘、烟尘和其他粒子或气溶胶的密度。当时他发明这个装置是希望有朝一日能用于探测卫星。2011年,Snik尝试制作了一个可在iPhone上测定这些粒子的装置——通过将入射光转换为包含各种极化信息的光谱并传递到相机中进行测量。他于是就想到,如果利用这种技术让成千上万的人同时进行测量会是什么效果呢?2013年,Snik及其莱顿大学的同事就开始馈赠或出售这个光学器件,并取名为iSPEX,结果引起了全国八千多名iPhone用户的关注。操作方法很简单,用户只需要在iPhone上安装一个附加的光学设备并对着天空拍摄就可以了。仅仅一天之内,大量众包光谱数据就从四面八方汇集到在线数据库中,可用于大气状况的分析,让整个荷兰这一天对大气颗粒物的测定分辨率达到了前所未有的水平。与几年前计划要发射的卫星相比,iSPEX项目的成本只占卫星计划的很小一部分。他们研究小组得到了欧盟更多的赞助,并在欧洲11个城市继续开展类似的探索。

  智能手机内置各种传感器,如摄像头、麦克风、加速度计和气压计,如果有一些好的应用程序配合,相信能在公众参与下获得高品质数据。许多研究人员试图寻求通过智能手机来进行科学研究的方法,希望招募更多的公民科学家们用智能手机来收集数据。

  在现代社会,借助于社交媒体招聘参与者并不复杂,但仍然是非常耗时的。Snik等在开展iSPEX项目前的启蒙计划宣传,覆盖了荷兰媒体,这吸引了数千公民发送参与请求。即便如此,iSPEX的研究人员也还是花了一年半的时间进行众包宣传和普及工作,包括产品说明书、视频教程、张贴海报,其中还要回答各种各样的问题。但他们的努力得到了回报,他们收到了超过6000份意见书。

  获取众包数据的技术,对大多数研究者来说也是比较棘手的。将智能手机转换为公民科学的数据采集工具,很可能需要一个相应的应用程序(APP),还可能涉及到设计和制造硬件配件或附加组件。如果一个研究者知道如何编写APP,或者能制造出一种廉价的硬件扩展,那是最好的。如果不能,还可以寻求外部帮助。

  加州大学欧文分校粒子物理学家 Daniel Whiteson等曾开发了一个应用程序CRAYFIS,希望利用智能手机让用户观察和记录高能宇宙射线撞击地球大气层的颗粒物残留。如果在一公里半径内几百部智能手机同时检测到信号或光点,应用程序就将这个事件记录为宇宙射线簇射。如果在一定半径中有更多的光点,那么初级宇宙射线的能量就越大。不过,也有可能这些同步光点来自不同地方,包括探测器噪声或环境光。Whiteson等为了排除这些问题,就同时记录光点时间和地点的元数据。如果知道一部智能手机在何地进行记录,研究人员就能够确定环境光和噪声来源,使真正的宇宙射线信号变得更明显。全球超过15万人登记加入该研究。研究人员希望在正式发布APP之前,要对影响性能的问题进行更多的测试,以免之后将热心的参与者赶走。据说目前正在1000多部手机上进行测试。

  利用智能手机众包来收集数据,尽管存在这样或那样的问题,但对研究人员来说还是特别具有吸引力的。比如,从家用电子产品中获得有关大地震的数据是非常具有吸引力的,也是容易做到的,其中的一个主要障碍是建筑业主害怕研究人员据此发现有关建筑安全方面的问题。

  如果政府想投资建设新型的基础设施进行数据收集,也可以考虑智能手机平台,因为这样的基础设施已经建成,而且非常强大和灵活。虽然这个巨大的平台已经存在不少时日了,但真正思考如何用于科学研究才刚刚开始。■

  (整理自作者演讲,有删节)

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