巧手可为“无米之炊”

大量廉价、简化且易于修改的计算设备正在改变着DIY电子世界。

来源:双胞胎项目

一个参与者正在看一把刷子慢慢地在桌子上搓一只橡胶手。与此同时，她自己的手也在经历着同样的刺激。实验结束时，参与者开始认为这只橡皮手是他们自己的。

这种“橡皮手幻觉”只是一种心理把戏。但它也需要精心设计:创造这样的幻觉需要操作者反复练习如何用刷子同时搓手和搓手。为了研究人们对自己身体的感觉，英国格拉斯哥大学心理学博士生伊莎·拉奥(Isa Rao)建造了一套自动设备来操作画笔，因此不依赖于训练有素的助手。该设备的核心是Arduino微控制器。

Arduino是大量廉价、简化且易于修改的计算设备之一，这些设备正在改变着DIY电子世界。不仅如此，他们还日益改变着科学研究领域。一个基本电路板的价格可以低至4英镑，50英镑足以购买一整套设备，包括电源、底盘和电线。这些系统没有什么奇特的功能，它们的学习曲线有时非常陡峭。然而，阿尔杜诺和类似的装置拉斯伯里皮等。在极小的电路板上拥有强大的计算能力，为自动化、联网以及数据收集和分析提供了大量机会。

对于研究人员来说，这些功能可以提供经济和实用的便利。用户可以将此类系统插入非常小的空间，在没有显示器和键盘的情况下进行部署，然后成批购买，并将其安装到需要部署在远程现场调查站点并返回数据的自动化设备中。

不需要经验

尽管几十年来，研究人员一直在对计算机进行个性化处理，并将它们集成到自己的实验中，但只是在最近几年，小型廉价的“单芯片计算机”才被广泛销售。2012年，功能齐全、能运行Linux操作系统的覆盆子软件问世。截至2016年9月，它已售出1000万台。

自2005年上市以来，Arduino同样广受欢迎。这两种设备的现成配件包括摄像机、运动传感器、温度计和蓝牙适配器。甚至国际空间站也有为推广项目开发的集成设备。该设备装有陀螺仪、加速度计、磁力计和各种传感器，用于测量温度、气压和湿度。

在地球上，这些设备被用来制造各种设备:用于海洋生物研究的水下录音机、组装基因编辑工具的机器人，以及能够从人类样本中快速识别耐药病原体的系统。

哈佛大学的李博士开发了一种用于诊断耐药细菌感染的系统，其研究方向是医学诊断仪器。起初，他试图用智能手机作为仪器的*计算机，但要拆卸和改造手机并不容易。相反，像Arduino这样的设备本身是经过改造的，将它们集成到科学传感器中是非常合适的。

“阿尔杜诺非常适合这个。”他说，“这个系列有多种型号，并且是模块化的。如果我想添加蓝牙功能，我只需要购买一个蓝牙模块，并将其插入主板来完成它。”

虽然李在电子设备方面有丰富的经验，但这样的背景是不必要的:这些设备的即插即用特性吸引了大量没有电子工程或编程经验的研究人员。将覆盆子派电路板变成普通电脑很简单，只需将预装派操作系统的SD卡插入，然后插入显示器、鼠标和电源。需要做更多的工作来为这个设备编程，但是对大多数人来说，详细的在线介绍应该足够了。

事实上，树莓派最初是用来为英语学校编程的。加州大学圣地亚哥分校咖啡心脑研究所的茶胶胜二说，覆盆子派和阿尔杜伊诺都是基于C++，所以具备这种编程语言的基础会有所帮助，但这并不是开始的必要条件。"只需选择一个项目并开始实验."

卡苏基开发了一套叫做Flyception的设备，其核心也是Arduino。这种仪器可以无线监控果蝇对刺激的大脑活动。Arduino处理器负责控制摄像机触发和其他功能。“Arduino可以将大量的机械和电子设备与我们的成像和行为记录设备同步，并将它们打包成简单易用的套件，这就是它的魅力所在。”他说。

库存现金

在研究人员开始组装设备之前，他们必须决定买什么:他们面临着一个令人眼花缭乱的巨大市场。例如，树莓派现在有三代基本模型，一个5美元的“派零”基本版本和一个低能耗版本。Arduino有更多的型号。此外，还有英特尔的伽利略和爱迪生、开源的巴南皮和基于安卓的Odroid。

澳大利亚联邦科学和工业研究组织的微传感器技术和设备专家保罗·德·索萨说，在选择设备时，你需要仔细考虑以下三个属性:成本、功能和尺寸。“一般来说，你必须放弃三个中的一个；找到一个便宜、小巧、功能强大的设备并不容易。”

德索萨一直从事自动机械的研发，如潜艇和火星车。这些设备的要求是省电和能够处理复杂的传感数据。他的团队选择了Odroid XU3(现在被60美元的XU4取代)；这种设备比覆盆子皮更贵，但它的性能更强大。在另一项关于蜜蜂的研究中，他使用了英特尔的爱迪生——它需要更少的电力，甚至可以由太阳能供电。

与此同时，科学家还应该考虑他们的计算机如何在实验中与其他元素相互作用。覆盆子皮可与标准显示器、通用串行总线键盘和鼠标连接。然而，作为一个微处理器，Arduino需要通过外部线路连接到计算机上进行编程。

不是所有的单片机都有相同的功能。大多数设备都可以从微型USB接口读取信息，但有些设备还具有蓝牙和无线网络功能。如果你想建立一个可以将信息传输到另一台计算机进行分析的实验装置，或者如果你需要访问摄像机或其他外部传感器进行复杂的研究，这些因素就变得非常重要。例如，在德索萨的蜜蜂研究中，蜜蜂配备了无线电频率识别芯片，当它们飞过时触发相应的传感器。位于蜂箱内的爱迪生计算机负责处理生成的数据并上传以供分析。

随着系统的不断升级，研究人员也应该准备好更新他们的设备:在德索萨的蜜蜂观察项目中，他使用的微控制器首先是由一家名为莱达托的公司生产的，然后是覆盆子皮，然后是伽利略，最后是爱迪生。

常规路线

对于初学者来说，选择最流行的设备——拉斯伯里皮和阿尔杜伊诺——有它的优势。

这两种设备的用户论坛非常受欢迎，有数百万的帖子和数十万的成员，可以为初学者提供非常实用的资源。研究人员经常在这些论坛上寻求帮助，并提出一些问题，如使用Arduino精确计算树木周长和设置温度传感器。树莓派的开发组织甚至在其网站上提供了一系列视频和常见错误列表，以帮助新手入门。

“你最不想做的事情就是处理别人已经解决的技术问题，”伦敦大学学院的计算机科学家大卫·怀特说，他有丰富的覆盆子π开发经验。“使用标准解决方案可以节省大量时间。这些设备有许多案例可供参考。”

然而，没有必要依靠互联网来获得帮助。"你可以和以前用过这些设备的人交谈。"怀特说。德索萨提供了另一种方法:招收一些有信息技术背景的研究生。"信息技术专业的学生对自己的领域充满热情，总是能跟上最新的解决方案."他说。

然而，一些研究人员最终会发现树莓派或阿尔杜诺派的成分不足以支持他们的实验要求。在发现阿杜诺的系统时钟不够精确，不能满足飞行接收系统的要求后，卡苏基改用了国家仪器公司的米里欧控制器。李计划使用英伟达生产的捷森为未来的项目提供更高的处理能力。

但对大多数人来说，简单、小巧、便宜的覆盆子酱和阿尔杜伊诺才是他们需要的。这正是饶的感受。"阿尔杜诺真的是来自天堂的礼物."她说。(张张编)

《中国科学日报》(2017-05-16第三版国际版)

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