智能手机科学

方陵生/编译



智能手机科学

方陵生/编译

研究人员正在用iSPEX光学设备和智能手机测量大气中的气溶胶浓度

· 科学家正在探索，如何将手机变成全球实验室。

十年前，荷兰天文学家弗兰斯·斯尼克（Frans Snik）发明了一种简单的光学器件，用来测量粉尘、烟尘和其他粒子的密度，即大气中影响人类健康和气候环境的气溶胶。他本打算将他发明的这种光学器件发射到环绕地球轨道的卫星上。但是在2011年的一个下午，斯尼克试着将这个小发明与苹果手机 （iPhone）的摄像头连接起来，智能手机屏幕上显示出七色彩虹般的颜色：原来斯尼克的光学器件将入射光转换成含有偏振信息的光谱，并导入了摄像装置中。斯尼克意识到，如果将这个光学器件附加到智能手机上，是否能够对他和他的同事打算通过卫星获取的信息进行检测呢？

一个独特的想法由此诞生。“我们于是想，为什么不让数以百万计的人随身携带的手机来开发利用这一技术呢？”斯尼克想到。

2013年，斯尼克和他在荷兰莱顿大学的同事通过赠送或出售的方式，将iSPEX光学器件提供给了全国各地8 000名iPhone用户。用户按照软件上的说明，将光学设备连接到他们的iPhone摄像机上，拍摄下他们所在地区的天空图像。一天之内，通过这种众包形式收集到的大量光谱信息进入了一个在线数据库，生成了荷兰全国范围内分辨率空前高的大气粒子图。达成了几年前提出将这种光学器件发射到卫星上监测大气粒子的设想，而成本只有原先计划的一小部分。之后斯尼克的团队收到了来自欧盟的投资资金，在11个欧洲城市重复实施这一项目。

公民科学与智能手机开发

许多研究人员都在寻找开发智能手机的途径。斯尼克的项目，和那些需要庞大数据集的地球物理学家、天文学家和其他科学家一样，又往前迈了一步，他们通过招募公众科学家，使用他们自己的智能手机来收集数据，如果以传统方式来收集如此庞大的数据是非常困难的。智能手机内配备的各种内部传感器，如摄像头、麦克风、加速度计和压力表等，加上用户友好型的应用程序，为通过公众获取高质量数据提供了新的途径。“科学的可能性是无限的。”北达科他大学设计手机运行研究项目的计算机科学家特拉维斯·德赛尔（Travis Desell）说道。

开发利用智能手机潜力的科学家首先需要进行评估，附加在手机上的设备是否可以获得他们所需要的测量数据。在排除收集数据应用程序中的错误和缺陷之前，他们还必须确定哪些软件平台可以最大程度实现应用程序的优化，拟定屏蔽无效数据的方案，以及摸索招募公众科学家参与者的途径。

招聘公众科学家虽然并不复杂，但也是一项耗时费力的工作。斯尼克的iSPEX项目在荷兰媒体的宣传推动下，数千市民请求参与。研究团队还与荷兰阿默斯福特的一个慈善基金会合作，招募了许多关注大气中气溶胶对健康影响的志愿者。但即便如此，iSPEX研究人员在这个众包活动中也花费了一年半的时间。因为活动涉及甚广，包括将操作指南和视频教程等上传到网站上，发布支持社会媒体和网络出版物的呼吁，并在线回答网民们提出的问题等。但当他们收到了6 000多份提交数据时，他们的努力也得到了回报。

如何创建一个手持式研究工具包

将智能手机转化为一种公民科学的工具，通常需要一款应用程序，也可能涉及到设计和制造附加的硬件设备，或叫“附加组件”。网上有大量帮助研究人员编写应用程序的资料，谷歌的安卓系统，是最受欢迎的移动设备操作系统，开发者的网上社区通过提供学习教程和应用指南来实现某些特定功能，支持系统的推广使用。

排在第二位受欢迎的移动设备操作系统是苹果的iOS，其类似的社区叫苹果开发者论坛。微软视窗操作系统应用软件的开发者可以登录微软虚拟学院，接受网站提供的免费培训课程，新手可从头开始学起，直到完成整个培训课程。

苹果公司意识到研究中应用程序的潜力，于去年推出了一个叫ResearchKit的在线资源网站。在全世界各种大学和研究中心的帮助下开发的ResearchKit提供了各种工具和服务，为研究人员进行苹果手机应用软件的设计和管理方面的研究有很大的帮助。唯一美中不足的是ResearchKit主要应用于医药领域。很多应用程序通过这一研究工具包被开发出来，包括对帕金森病患者进行观测的mPower，对高血糖患者进行监测的GlucoSuccess，可观察记录日常活动如何对血糖水平产生影响。

在智能手机上增加附加功能是种不一样的挑战，但附加设备不应太复杂。2014年，澳大利亚堪培拉国立大学的史蒂夫·李（Steve Lee）和他的同事发现，通过附加一个豌豆大小的镜头，智能手机的相机就可达到160倍的放大倍数，只要花费不到1澳大利亚分（低于0.01美元）的代价，就可将一个聚合物的滴液透镜镜头，附加在智能手机的摄像机上，形成一个低倍率的显微镜系统。以色列一家初创公司开发并将于7月份正式推出的SCiO是一个独立的近红外光谱仪，可通过蓝牙无线技术连接到智能手机上，对材料进行扫描后提供相关的分子信息。

众包数据的处理技术比较难掌握，但它有利于提高对技术的理解力。科学家发现，在如何编写某个应用程序，或如何制造某个物美价廉的“附加组件”上，这种众包形式很有帮助（参见链接“如何创建一个手持式研究工具包”）。如果研究员不是一个娴熟的程序员，可以通过这种方式得到很大帮助。荷兰一家名为DDQ的公司开发了各种适合公民科学的实际应用，通过提供大量免费在线教程和论坛，一些缺少第三方资金支持的研究人员可通过网络学会自己编写应用程序。

研究人员还需要决定选择何种软件平台。斯尼克和他的同事们选择了受大众欢迎的苹果iOS，苹果手机的各种型号间具有物理相似性，因此更容易为其设计一个可兼容的插件。一些主流的平台，如谷歌的安卓系统，也有不少优势：它对于应用程序的性质不太有严格的限制，测试时的阻碍也较少。

威斯康星大学麦迪逊分校的遥感科学家利亚姆·冈姆雷（Liam Gumley）开发的一个应用软件，可通过对来自智能手机和卫星的照片进行对比，提高了天气预报的准确性。他建议那些对智能手机辅助功能科学感兴趣的人：“想做就去做吧！”冈姆雷还提议起草一套详细的使用说明，比如应用程序的目的，具体是干什么用的，当用户触摸屏幕或控制某个按钮时会发生什么，屏幕显示又是什么样子的，等等。他说，这是一个好主意，可以让用户确定数据是由应用程序，还是由网络服务器处理的。这通常取决于需处理数据的类型，有时候应用程序会比网络处理器更快一些，有时候则相反。

大数据与智能手机

研究人员还必须准备好可以容纳海量数据的数据库。“如果你将应用程序在全球范围内发放，几天内你可能就会获得庞大得难以想象的数据。”加州大学伯克利分校博士生孔庆凯（Qingkai Kong，音译）提醒道。孔正在开发一款地震学应用软件MyShake。他和他的同事根据一小部分用户接收到数据的数量进行估算后，将他们的数据库建立在亚马逊网络服务器主机上。其他可用的云计算服务器还包括谷歌云平台和微软云。

数据收集起来后，确定数据的可靠性也是一项艰巨的工作。孔和他的同事正在对MyShake做进一步微调，让它具备将实际发生的地震事件与用户摇晃手机时产生的震动区分开来的能力。加州理工学院的科学家们曾设计了一个名为CSN-Droid的相似的应用程序，但最后没有成功，因为它不能非常可靠地进行这样的辨别。但孔认为，通过严格测试是可以有办法提高MyShake准确性的。

加州大学欧文分校粒子物理学家丹尼尔·怀特森（Daniel Whiteson）也在想办法解决数据可靠性的问题。他和他的同事开发了一个名为CRAYFIS（“利用手机发现宇宙射线”的首字母缩写）的应用程序，当高能宇宙射线撞击地球大气层时，智能手机用户就能够观察和记录产生的粒子碎片信号。如果一公里半径内的几百部智能手机同时检测到某个信号或光点，应用程序就可将其记录为宇宙射线簇射事件。在某个给定半径内这样的信号越多，初级宇宙射线的能量就越大。但除了宇宙射线以外，同时出现在手机屏幕上也有可能是其他来源的信号或光点，包括探测器噪声或环境光线等。

怀特森和他的团队希望能通过记录伴随信号的元数据来排除这种干扰，比如发现信号的时间和位置。如果一部智能手机被放置在某处记录数据，研究人员就可确定该处的环境光源和噪声源，当真正的宇宙射线信号出现时就可以明确分辨出来。全世界已有150 000人报名参加CRAYFIS项目，但在正式发布应用程序之前，研究人员要确保它在性能上没有问题，研究团队目前正在全球1 000部手机上运行该应用程序的测试版本。

尽管还存在一些小问题，但通过众包收集数据的应用程序对于研究者还是有很大吸引力的，对于有可能影响数据收集的一些问题，他们可以想办法解决。“从消费型电子产品获得大地震数据的前景，可以说是革命性的。”加州理工学院地震学家汤姆·希顿（Tom Heaton）说道，“在一幢大楼内获取地震数据的一个主要障碍是，有可能会引起住户的恐慌，认为研究人员是否在他们住的地方发现了重要的安全问题。”

就像智能手机已成为许多科学家日常生活必不可少的一部分一样，它们也可能成为一些实验工作的有力工具。“政府投资100亿美元到150亿美元给新型基础设施的做法已成为过去，重要的是要充分利用现有的基础设施。”怀特森说道，“智能手机很强大，也非常灵活，这是一个巨大的平台，虽然它对科学的意义我们才刚刚开始意识到。”

［资料来源：Nature］［责任编辑：丝 丝］