科學(xué)家的守夜人：傳感器讓研究更安全

Vaisala的一名員工手持一片正在公司潔凈室中制造的晶圓，其上包含氣體傳感器組件。圖片來源：Vaisala

2025年8月24日凌晨1時(shí)許，神經(jīng)科學(xué)家Tamara Stawicki被手機(jī)鈴聲驟然驚醒。簡短通話后，她立即起身，驅(qū)車趕往賓夕法尼亞州伊斯頓的拉斐特學(xué)院（Lafayette College）寂靜的停車場，然后神情堅(jiān)定地走進(jìn)一座莊嚴(yán)的教學(xué)樓，依然穿著她的睡衣。這一幕或許會(huì)令偶然經(jīng)過的路人困惑不已。

事實(shí)上，Stawicki此刻肩負(fù)著緊急任務(wù)：拯救實(shí)驗(yàn)室中約一千條斑馬魚（Danio rerio）的生命。這些魚體側(cè)排列的毛細(xì)胞與哺乳動(dòng)物內(nèi)耳的毛細(xì)胞高度相似，使其成為研究抗生素和化療藥物所致人類聽力損傷的重要模型。當(dāng)天實(shí)驗(yàn)室傳感器檢測到供暖系統(tǒng)因電力故障而停擺，校園安保隨即通知了Stawicki。她必須爭分奪秒救下這些魚，從而維系她的研究。

Stawicki所使用的這類傳感器已逐漸成為實(shí)驗(yàn)室的常見配置。實(shí)驗(yàn)室管理者在投資新技術(shù)時(shí)更可能選擇升級現(xiàn)有系統(tǒng)而非嘗試全新的。位于荷蘭羅斯馬倫的XiltriX公司首席商務(wù)官Han Weerdesteyn說：“二十年前，遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室還被視為一種奢侈，如今許多實(shí)驗(yàn)室已換上第二代或第三代系統(tǒng)。因此人們對于能夠收集到哪些信息、能夠怎樣使用這些信息有了更深入的理解。”這家公司正是此類系統(tǒng)的供應(yīng)商。

盡管研究人員及其技術(shù)同事大致了解傳感器系統(tǒng)的功能，但在決定升級時(shí)仍需權(quán)衡諸多因素。例如，他們是否只打算一次性購買硬件與軟件，還是計(jì)劃持續(xù)訂閱相關(guān)服務(wù)？新系統(tǒng)能否與現(xiàn)有技術(shù)兼容，還是會(huì)彼此干擾？另外，維護(hù)與技術(shù)支持、數(shù)據(jù)安全與存儲(chǔ)需求、傳感器校準(zhǔn)以確保精確度等問題，都是不可忽視的考量。

幾乎所有實(shí)驗(yàn)室如今都已在樓宇管理系統(tǒng)中配備傳感器，用于監(jiān)控和控制供暖、通風(fēng)、空調(diào)、電力、照明及安保。研究人員所使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感器常被稱為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其中最常見的包括測量相對濕度、光照、房間占用情況、壓差及氣體濃度的設(shè)備。其他傳感器則可檢測運(yùn)動(dòng)、門的開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行情況、是否有水泄漏或電池電量。

溫度傳感器是面向?qū)W術(shù)與產(chǎn)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的暢銷產(chǎn)品。位于芬蘭萬達(dá)市的測量設(shè)備公司Vaisala的技術(shù)戰(zhàn)略分析師Hannu Talvitie指出：“無論研究對象是物理材料、化學(xué)反應(yīng)還是生物系統(tǒng)，其結(jié)果或行為幾乎都依賴于溫度，因此溫度測量設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室里最常見的傳感器。”

在部分實(shí)驗(yàn)室中，傳感器數(shù)據(jù)仍需人工收集，但這一過程耗時(shí)且可能導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)問題的那一刻為時(shí)已晚。越來越多的傳感器如今能夠通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸信息至中央樞紐。軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將其轉(zhuǎn)化為易于理解的可視化圖表，同時(shí)上傳至云端，使研究人員能夠通過手機(jī)應(yīng)用或網(wǎng)頁訪問，并在必要時(shí)觸發(fā)緊急警報(bào)。

科學(xué)家使用這些系統(tǒng)的原因之一是避免設(shè)備故障帶來的災(zāi)難性后果。“這意味著我可以放心睡覺。”阿姆斯特丹大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（UMC）生殖醫(yī)學(xué)中心的臨床胚胎學(xué)家、阿姆斯特丹生殖與發(fā)育研究所所長Sebastiaan Mastenbroek表示。其臨床部門儲(chǔ)存約25萬份患者樣本并提供體外受精（IVF）服務(wù)，與研究設(shè)施相同均采用XiltriX公司提供的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括監(jiān)測冷凍保存精子、卵母細(xì)胞、胚胎及睪丸組織切片的溫度傳感器；監(jiān)測胚胎與細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)溫度、二氧化碳與氧氣水平的傳感器；以及設(shè)備運(yùn)行與網(wǎng)絡(luò)連接狀況的監(jiān)控。系統(tǒng)故障會(huì)自動(dòng)觸發(fā)對實(shí)驗(yàn)室工作人員的電話警報(bào)。

2018年4月某日凌晨1點(diǎn)半左右，因當(dāng)?shù)赝ｋ姡琈astenbroek接到過一次此類警報(bào)并緊急趕往實(shí)驗(yàn)室。他確保備用電源及時(shí)接入，使臨床與研究樣本維持在適宜的溫度。“很難想象現(xiàn)代的IVF設(shè)施沒有監(jiān)測系統(tǒng)”他說，“對我而言，在研究實(shí)驗(yàn)室安裝這樣的系統(tǒng)是必然的選擇。”

人工智能的前景

部分監(jiān)測系統(tǒng)的功能已超越單純在緊急情況下發(fā)出警報(bào)。位于美國馬薩諸塞州劍橋的Elemental Machines軟件公司，希望在告知用戶問題發(fā)生的同時(shí)，使用人工智能分析歷史數(shù)據(jù)解釋其原因。公司創(chuàng)始人兼首席戰(zhàn)略與技術(shù)官Sridhar Iyengar表示：“我們會(huì)觀察導(dǎo)致凌晨兩點(diǎn)冷凍柜報(bào)警的溫度變化模式，以判斷究竟是有人頻繁開關(guān)門，還是壓縮機(jī)出現(xiàn)故障。這意味著你可以決定是繼續(xù)睡覺，還是必須趕去查看。”

類似的方法也可用于識(shí)別設(shè)備何時(shí)需要維護(hù)，或某項(xiàng)技術(shù)是否不適合特定任務(wù)。例如，Mastenbroek實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測系統(tǒng)曾記錄冰箱內(nèi)為防止結(jié)冰而設(shè)定的溫度波動(dòng)。這讓他意識(shí)到該設(shè)備并不適合儲(chǔ)存細(xì)胞培養(yǎng)基。Elemental Machines還基于傳感器數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備生成了所謂的“人工智能驅(qū)動(dòng)健康評分”，以便在問題惡化之前發(fā)現(xiàn)潛在變化。

傳感器幫助Tamara Stawicki避免了魚群損失。圖片來源：Amy Badillo

自動(dòng)化的連續(xù)數(shù)據(jù)采集能夠幫助科學(xué)家更快理解研究失敗的原因。Weerdesteyn回憶，他在荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(xué)攻讀碩士期間深刻體會(huì)到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)左右科研成敗的重要性。他研究煙草植物中重復(fù)出現(xiàn)的一段核苷酸序列時(shí)，實(shí)驗(yàn)突然中止了。最終花了約三個(gè)月的時(shí)間才發(fā)現(xiàn)，原因是同事曾忘記關(guān)上冷凍柜門，導(dǎo)致他用于PCR反應(yīng)的催化劑失效。但到那時(shí)，他已沒有足夠時(shí)間，研究項(xiàng)目也未能產(chǎn)出成果。

Weerdesteyn表示，這段經(jīng)歷終結(jié)了他作為科學(xué)家的職業(yè)生涯，卻也啟發(fā)了他為他人提供監(jiān)測系統(tǒng)的想法。他指出，沒有傳感器信息，研究人員對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的情況幾乎一無所知；而有了傳感器，當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)，至少能知道從哪里開始排查。能夠回溯查看哪些參數(shù)發(fā)生了變化，也有助于使研究在長期過程中不斷得到改進(jìn)。

對于尋求私營部門資助（如制藥公司）的實(shí)驗(yàn)室而言，安裝可靠的監(jiān)測系統(tǒng)還可能帶來經(jīng)濟(jì)上的益處。Weerdesteyn解釋道：“擁有傳感器數(shù)據(jù)意味著研究人員能夠證明自己可以產(chǎn)出高質(zhì)量且一致的結(jié)果，因此更有可能獲得產(chǎn)業(yè)界的資助。”

研究人員與實(shí)驗(yàn)室管理者在考慮是否投資傳感器監(jiān)測系統(tǒng)或在不同系統(tǒng)之間做抉擇時(shí)，還有一些關(guān)鍵問題需要關(guān)注。其中最重要的便是確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Talvitie強(qiáng)調(diào)：“錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)比沒有數(shù)據(jù)更糟糕。如果希望獲得可信的測量結(jié)果，可靠的設(shè)備和定期校準(zhǔn)是必不可少的。”

校準(zhǔn)的過程涉及將傳感器的準(zhǔn)確性與經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)備進(jìn)行比對，這可以由實(shí)驗(yàn)室人員或外部服務(wù)提供商完成。傳感器也可以在購買時(shí)預(yù)先校準(zhǔn)。例如，總部位于美國猶他州鹽湖城的監(jiān)測系統(tǒng)供應(yīng)商Monnit為客戶提供由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）認(rèn)證的校準(zhǔn)證書。該公司執(zhí)行副總裁Nick Mecham表示：“幾乎所有客戶都會(huì)選擇這一服務(wù)。校準(zhǔn)在醫(yī)療研究等領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)檫@些領(lǐng)域?qū)囟绕畹娜萑潭葮O低。”

此外，計(jì)劃安裝監(jiān)測傳感器的人還需考慮它是否與現(xiàn)有設(shè)備兼容，以及能否滿足長期需求。Weerdesteyn指出：“如果你在網(wǎng)上花20美元買一個(gè)廉價(jià)設(shè)備，它可能會(huì)釋放電磁輻射或無線電波干擾其他設(shè)備，而且結(jié)果可能不準(zhǔn)確。”Talvitie補(bǔ)充說：“研究人員應(yīng)當(dāng)考慮目標(biāo)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以確保它能夠適應(yīng)未來的研究擴(kuò)展計(jì)劃。”

當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)

研究人員與技術(shù)支持人員是否具備修復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器故障的技能，也是一個(gè)重要考量。Weerdesteyn指出，對XiltriX公司提供的技術(shù)服務(wù)的需求正在增長。“過去，首席研究員們往往接受過完整的科學(xué)訓(xùn)練，具備基本的傳感器技術(shù)知識(shí)；而如今，他們更多被培養(yǎng)為依靠機(jī)器來告訴他們實(shí)驗(yàn)室狀況的操作員。”

傳感器能夠生成海量數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置及保存時(shí)長都需要仔細(xì)規(guī)劃。支持監(jiān)測系統(tǒng)的軟件，以及通過應(yīng)用程序或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的功能也需要定期更新以確保整體數(shù)據(jù)安全。

由XiltriX公司生產(chǎn)的低溫控制器，用于測量布魯塞爾IVF冷凍庫內(nèi)的溫度和液體水平。圖片來源：Han Weerdesteyn

這些因素將幫助研究人員和實(shí)驗(yàn)室管理者決定是一次性購買設(shè)備，還是訂閱相關(guān)服務(wù)。Talvitie表示：“這實(shí)際上取決于研究人員的需求。大型研究機(jī)構(gòu)或公司往往購買大量傳感器和系統(tǒng)，因此更需要、會(huì)訂閱更多服務(wù)；而規(guī)模較小的實(shí)驗(yàn)室通常只進(jìn)行一次性投資。”

監(jiān)測設(shè)備及支持服務(wù)的價(jià)格也不可避免地影響決策。Mastenbroek指出，他所在的UMC使用的XiltriX系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)每年花費(fèi)超過4萬歐元（約4.65萬美元），“對我們來說這不是問題，因?yàn)榕R床需要。但對一些研究實(shí)驗(yàn)室而言，這一成本可能偏高。”

相比之下，Stawicki的需求更為簡樸。去年夏天的供暖問題同時(shí)觸發(fā)了她實(shí)驗(yàn)室的兩套監(jiān)測系統(tǒng)。德國西門子公司生產(chǎn)的溫度傳感器發(fā)出了電話警報(bào)，喚醒了她。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的Monnit系統(tǒng)也通過短信和電子郵件發(fā)出了提醒。該系統(tǒng)由七個(gè)傳感器組成，用于監(jiān)測溫度、檢測漏水和光照水平。如今購買這一套Monnit系統(tǒng)大約需要1000美元，并需支付每年70美元的訂閱費(fèi)。事實(shí)證明，這筆投資物有所值：Stawicki及時(shí)趕到實(shí)驗(yàn)室，打開空間加熱器，避免了斑馬魚因過冷而受損。“如果沒有監(jiān)測系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)問題會(huì)更晚。那時(shí)動(dòng)物可能已經(jīng)長時(shí)間暴露在有害溫度下。”她說。

原文作者：NicFleming

本文收錄在近期發(fā)布的《自然》增刊《自然聚焦-傳感器》中。該期自然聚焦介紹了那些塑造全球智慧城市和我們賴以發(fā)展的科學(xué)的各類設(shè)備，同時(shí)也展望未來即將到來的創(chuàng)新。

自然聚焦 - 傳感器

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