Гражданска наука: опитайте това у дома

През ноември 2015 г. няколкостотин души се събраха на среща в Бен Ейвън, квартал с около 2000 души, сгушен по поречието на река Охайо, северозападно от Питсбърг. Както при предишните подобни събрания, жителите бяха дошли да научат най-новото за нежелан съсед.

Този съсед беше Шенанго Кокс, завод за преработка на въглища, разположен в единия край на остров, точно срещу Бен Ейвън. Жителите отдавна подозират, че емисиите на централата редовно замърсяват въздуха до такава степен, че животът там съществува опасност. Те обвиниха лошия въздух за астма, гадене, главоболие и безброй други заболявания, които те и техните семейства претърпяха. Но в миналото им липсваха окончателни доказателства, извън собствените им преживявания.

И така, намериха някои.

Малко след като срещата започна, с представител на Агенцията за опазване на околната среда на САЩ, седнал на първия ред, компютърният учен от университета Карнеги Мелън Ранди Сарджент стана и започна да се разпростира чрез видеоклипове от камери, закъсняващи от времето, за да помогне на квартала към Шенанго, Правейки кадри на всеки 5 секунди, 24 часа на ден, камерите улесниха да правят това, което общността се опитваше да прави през годините: гледайте дима.

Разграничаването на токсичните облаци от обикновената пара е труден бизнес, така че общността се обърна към Сарджент, който работи от CREATE лабораторията на CMU (Community Robotics, Education и Technology Empowering). Той и колегата Йен-Чиа Хсу разработиха алгоритъм за компютърно зрение, за да избират лоши видове дим във всяка снимка.

Залепено заедно от стотици кадри, полученото видео показа примка от черни, кафяви, сини и оранжеви облаци от един месец. В съчетание с данни от федерални, местни и общински сензори, събрани от съответните дни, подозренията на Бен Ейвън най-накрая изглеждаха в основата си: Шенанго пускаше във въздуха количества токсични вещества във въздуха пет на всеки седем дни.

Каналът Шенанго

Месец по-късно DTE Energy обяви, че ще затвори съоръжението си Shenango, като се позова на слаб пазар на стомана и липса на клиенти. До януари заводът изпече последната си партида въглища и сега е планиран за разрушаване.

„Казаха, че това са икономически проблеми, но се чудя дали графикът се промени поради натиска от страна на общността“, каза Беа Диас, директор на проекта за CREATE Lab. "Алгоритъмът беше инструмент, който даваше на гласовете си повече тежест, допълнителен крак, за да се справи. Но технологията нямаше да работи, ако нямаше активна общност, която да я използва, хората да я поставят пред постоянно вземащи решения."

Групата на Dias е натоварена да се ангажира директно с общностите, за да им предостави хардуер, софтуер и други решения за справяне с техните проблеми. Алгоритъмът за компютърно виждане се оказа особено мощна реализация на този мандат. Но това е само един пример в област, която през последните години има поразителен растеж: високотехнологични инструменти за гражданска наука.

Пропуск с пълен достъп

Дори и да нямате фабрика, изпомпваща лош въздух в задния си двор, все пак може да искате да се включите в някаква гражданска наука - което е изследване, проведено от ентусиазирани аматьори, самостоятелно или съвместно с професионални учени. За щастие за вас, има по нещо за всеки.

Искате ли да помогнете за избирането на терабайти от данни от космическия телескоп, за да намерите екзопланети и квазари? Насочете се към Zooniverse. Може би имате предвид лабораторен проект, но не можете да си позволите оборудването. Няма проблем; разпечатайте частите от чертеж в лабораторията с отворен код на Appropedia.

Какво ще кажете за някаква самостоятелна биология? Местните биопространства, като BioCurious в Санта Клара, Калифорния, или Балтиморското подземно научно пространство в Мериленд, могат да съветват и подпомагат проекти, вариращи от извличане на ДНК до отпечатване на клетъчни култури.

Занимаването с проекти и събирането на данни за множеството е две от основните професии на гражданската наука и основен стимул за това е овластяването.

"Тази неотдавнашна ера на федералната дерегулация прожектира прожекторите върху недостатъците и пропуските в надзора и когато не можем да разчитаме на правителствена намеса, трябва да разчитаме на себе си", заяви Гретхен Геркке, стюард за данни и застъпничество от Public Lab. Но достъпът до необходимите инструменти за тази работа може да бъде предизвикателство, добави тя.

„Достъпът“ често просто се превежда като „оскъпяване на нещата“. Благодарение на непрекъснато нарастващата цена на сензорите и микроконтролерите, достъпът до спътникови данни и готовността на другите да споделят техническа експертиза, сложни инструменти, които някога са били достъпни само за институционални изследователи, сега са в ръцете на всеки, който ги иска.

(Снимка: Андрю Талер)

Помислете за спектрометровите дизайни, базирани на Raspberry Pi, хоствани от страниците на обществената лаборатория Спектрометрите се използват за определяне на информация за даден предмет или вещества чрез анализ на неговите светлинни свойства. Комерсиална ръчна версия работи около 1500 долара; обемистата лаборатория е пет пъти по-голяма от тази. Или с малко насоки, можете да построите такава за себе си за около 70 долара.

Друг пионер на гражданската наука е Андрю Талер (на снимката по-долу), дълбоководен изследовател и консултант по морска екология, който започна Океанография за всички заради бариери пред достъпа. Заявената цел на организацията: „Овластяване на изследователи, преподаватели и граждански учени чрез евтин хардуер с отворен код“.

Основният инструмент, който Талер работи върху разработването, е CTD, използван в океанографията за измерване на проводимостта (солеността), температурата и налягането. Това е основен инструмент за изучаване и разбиране на водна среда, но ако искате такава, пригответе се да разкачите минимум над 6 000 долара, до десетки хиляди.

(Снимка: Андрю Талер)

С много търпение и сътрудничество с приятели и колеги, Талер разработи CDT за 300 долара. Най-скъпият компонент е самият сензор, който работи близо 200 долара. И все пак тестван заедно с устройство, което струва 200 пъти повече, CTD на Thaler връща данни в рамките на 2 процента грешка на по-скъпата единица.

"Има все по-уместна нужда да напомняме на учените, че те също са граждани", каза Талер. „Разбира се, може да имате достъп до огромна безвъзмездна помощ за изследователска дейност и можете да закупите търговска единица за 60 000 долара. Но това е огромна бариера за влизане на групи от общности, които искат да наблюдават собствените си водни пътища. Ако също започнете да подкрепяте програми, които правят същото на оборудване по-евтино, става много повече наука."

Достъпът до инструменти за мониторинг и роботизация е помогнал на поне една морска общност да постигне основна цел. В Мексико няколко рибарски селища използват Open ROV, същата платформа за роботика с отворен код, която Талер използва в своите програми за обучение, за да провежда проучвания на агрегати за хвърляне на хайвера на Nassau. Грозът е ключова рифова риба, както и жизненоважен търговски вид, а общността създаде морска защитена зона, за да я предпази от унищожаване от бракониери.

(Снимка: Michelle Z. Donahue)

Прогнозиране на проблеми

В Питсбърг лаборатория CREATE не спря с Shenango. Друга задача на неговата мисия е да помага на общностите да надграждат знанията и инструментите, които получават, като работят с учени от CMU. И тъй като Питсбърг е това, което е, все още донякъде в хватката на своите наследства от стоманена епоха, Шенанго не е единственото нещо, което създава воня.

Влезте в Smell Pittsburgh, приложение, което излезе от работата на Shenango на CREATE Lab. Все още в процес на разработка и замислено като инструмент, който в крайна сметка може да бъде използван във всеки град в страната, приложението позволява на жителите да маркират обидни миризми на околната среда, които са регистрирани в приложението, както и докладвани на местния здравен отдел. След като влезете, приложението показва карта, която показва всякакви други отчети за миризми от същия ден и час.

Марк Диксън, базиран в Питсбърг документален и индустриален инженер, описа приложението като начин да мотивира хората да бъдат ангажирани с нещо, което биха искали да променят в своята среда.

"Има тази" долина на неразположение ", която възниква, когато съобщавате за проблеми и нищо не се случва", каза Диксън. „Това приложение ускорява хората през тази долина - и първото нещо, което виждат е, че не са сами. Плюс това наистина могат да видят обхвата на проблема.“

Dixon работи за надграждане на използваемостта на приложението. Един проект включваше разработване на алгоритъм, който комбинира отчетите на Smell Pittsburgh и данните на Националната метеорологична служба, за да се опита да прогнозира предстоящите дни на #Stinkburgh, тъй като те са маркирани в Twitter. След като постигна приблизително 75 процента успеваемост за 10-дневен тестов период, Dixon сподели своята информация с група местни данни, включително и разработчик на Smell Pittsburgh. В резултат на това възможността за по-надеждно прогнозиране на лошите въздушни дни може да предстои в бъдещите версии на приложението.

Прогнозирането също е една цел на различен вид приложение, Москитното местообитание на комарите. Стартирано през юни 2017 г. от Института за глобални екологични стратегии (IGES) в партньорство с НАСА, приложението има за цел да идентифицира и премахва опасните местообитания на комари.

Вече тествано в Барбуда, Перу и Чили, приложението обучава хората да идентифицират ларвите на комарите, които намерят, да направят снимка и да премахнат стояща вода, а също така да регистрират време, местоположение, дата и местни условия на околната среда в базата данни на приложението. Към днешна дата проектът е натрупал около 1500 точки от данни - все още не са достатъчни, за да направят някакви смислени прогнози. Но надеждата е, че в дългосрочен план натрупването на по-добри данни от земята на места, където болестта, пренасяна от комари, е сериозен проблем за общественото здраве, може да помогне за усъвършенстване на прогнозните модели, които в момента се базират на данни за времето и климата, събрани от спътници, „Има много неща, които не знаем как комарите реагират на микроклимата“, казва Ръсти Лоу, старши учен в IGES, който ръководи разработката на приложението. „Търсим субрегионални, подсезонни инструменти, които могат да бъдат използвани от обществените здравни работници и общности, за да разберат по-добре риска от заболяване.“

В Балтимор, докторантката Джон Хопкинс, климатикът на Анна Скот, също би могла да даде на градските планиращи повече работа, когато става въпрос за планиране на здрави градове в по-топло бъдеще. Кубиците на Скот, възникнали като резултат от изследванията й върху градската топлина, са снабдени със сензори на базата на Arduino за измерване на температура, влажност, озон, азотен диоксид, серен диоксид и сероводород. Петдесет кубика са разгърнати в 25 обекта из града, а Скот се надява да пусне повече от тях това лято.

(Снимка: Анна Скот)

Данните от ранния мониторинг разкриха, че по-голям брой малки зелени пространства, като джобни паркове, могат да бъдат по-добри за понижаване на температурите в града, отколкото няколко големи парка, според Кристин Баджа, бивш планиращ климатична устойчивост в Балтимор. Тази информация би могла да измести възприемането на 16 000 свободни партиди в града от лек към полезен.

В квартала на Балтимор в Търнър Лари Банерман е домакин на две кубчета на Скот. Преобладаващата му афро-американска общност има опит да се бори с местните замърсители и да се агитира за защита. Той каза, че е щастлив, че има допълнителна карта в тестето си, ако има нужда.

"Ще имаме кристално ясна картина на това, което е във въздуха ни", каза той. "Това знание в джоба ни ще бъде най-голямото ни предимство, ако трябва да направим някои промени."

Поглед от космоса

Според Джон Амос гражданите, които участват в докладите, ще бъдат ключови за справяне с проблем, който често му е наум: да направят огромни количества визуални данни по-полезни.

Нестопанската основа, която той основа, SkyTruth, използва сателитни анализи на изображения, за да покаже, че разливът на нефтено гориво Deepwater Horizon през 2010 г. е по-голям от публично заявените оценки на BP. Въпреки че групата продължава да използва човешки очи за наблюдение на сателитните изображения за въздействието върху околната среда от разливи, изкопаване на повърхности и други промишлени дейности, SkyTruth в момента работи за добавяне на изкуствен интелект, машинно обучение и големи данни в сместа.

SkyTruth Alerts е услуга, която потребителите могат да се регистрират, за да бъдат уведомени за определени промени в околната среда в определена зона - да кажат ново разрешение за сондиране на газ, нарушение на разрешително или доклад за химически разлив или изтичане на природен газ. Първоначално разработен като вътрешен инструмент, сигналите понастоящем са изтрити от бреговата охрана и отчетите за държавни и екологични отдели. Около 3000 души са настоящи потребители на този инструмент.

Развитието на услугата има за цел да включва все повече източници на данни и инструменти и да използва AI и системи за машинно обучение за сравняване на нови сателитни изображения заедно с исторически изображения. С тези видове справки анализът може да открие промените, дори преди да бъдат докладвани по официални канали.

Светият граал е да позволи на потребителите да споделят своите собствени наблюдения и сигнали, като по този начин създава набор от общности със споделени притеснения.

Всъщност данните, получени от тълпата, предоставени от потребителите на SkyTruth за отделен проект, FrackFinder, доведоха до няколко проучвания, които накараха Мериленд да забрани фракирането през 2017 г. Изследователят за обществено здраве на Джонс Хопкинс Брайън Шварц разгледа няколко последици за здравето на живота в близост до кладенци, включително и астма и преждевременна раждаемост. Въпреки че той използва много източници на данни за проучванията, няма „алтернативи“ на типа данни, които потребителите на SkyTruth допринесоха, каза той.

"Срещнахме се с избрани от държавата служители няколко пъти и представихме нашите заключения и отговорихме на всичките им въпроси", каза Шварц. „Някои от тях се съобщаваха във вестници и другаде, за да кажат, че„ изследванията на Джон Хопкинс за здравето “най-накрая ги убеждават да гласуват за забраната. Това са нашите проучвания.“

Силата на локалното наблюдение на човека на земята, комбинирано с способностите за съкращаване на данни на облачните изчисления, дава възможност да се наблюдават потенциални проблеми в реално време, отбеляза Амос.

„Не става въпрос само за неща, които вече са се случили, но също и неща, които се случват в околната среда, преди да знаете нещо за това, да бъдете наясно, че се случва нещо, на което трябва да обърнем внимание“, каза Амос. "За мен това е стимулирано от технологията оживяване на екологизма."

И интересът към използването на нова технология, за да бъдем просто любопитни, ще расте само от тук, добави CREATE Lab's Dias.

"Този вид технологии не трябва да бъдат само в лаборатории или в по-големи пространства", каза тя. "Те трябва да са достъпни за всекидневните хора, да създават, а не само да консумират. И идеята е, че след като хората по-добре владеят технологиите, те могат да изваждат ежедневните неща от рафта и да хакнат нещо заедно, което работи за тях."