Для экспериментов: Наборы для опытов и исследований

Набор для экспериментов Attivio Horror lab 802

Научно-познавательный набор для проведения фантастических экспериментов Horror Lab погрузит ребенка в незабываемое путешествие! Следуя инструкции, ребенок выполнит 15 увлекательных химических опытов, каждый из которых является волшебным испытанием: джин из колбы поможет выбраться из темной пещеры, сделав искусственный снег, можно спустить лавину на врагов, а стоячая вода поможет успокоить бушующее море. Перемещаясь по миру фентези, юный исследователь познакомится с наукой в игровом формате, узнает о том, что такое химические соединения, как люминофор преобразует световые волны, почему так важны полимерные материалы и совершит множество необычных открытий! Скорее вперед, навстречу приключениям!

В набор входит 15 экспериментов:

• Джин из колбы.  
• Снежная лавина.
• Полимерные черви.
• Зомби-слизь.
• Стоячая вода.
• Взрыв из пены.
• Фараонова змея.
• Египетская ночь.
• Бурлящая жидкость.
• Кинетический песок.
• Рисуй светом.
• Дымовая завеса.
• Кровавый лизун.
• Огнетушитель для дракона.
• Драконьи яйца.

В комплекте:

• Стакан мерный 250 мл – 2 шт.
• Стакан мерный 30 мл – 1 шт.
• Флакон стеклянный 50 мл – 1 шт.
• Блисетр – 2 шт.
• Наклейка на блистер – 2 шт.
• Пипетка Пастера – 2 шт.
• Мерная ложечка – 1 шт.
• Палочка для размешивания – 1 шт.
• Банка 0,24 л с крышкой – 1 шт.
• Перчатки одноразовые – 1 пара
• Чашка для выпаривания – 1 шт.
• Ультрафиолетовая ручка – 1 шт.
• Бумага для рисования светом – 1 шт.
• Картонная основа — 1 шт.
• Сухое горючее – 1 шт.
• Глюконат кальция – 5 шт.
• Шипучая таблетка – 1 шт.
• Уксусная кислота – 1 шт.
• Глицерин – 1 шт.
• Перекись водорода – 1 шт.
• Специальный раствор – 1 шт.
• Средство для мытья посуды – 1 шт.
• Масло подсолнечное – 1 шт.
• Поливиниловый спирт – 1 шт.
• Песок кварцевый – 1 шт.
• Крахмал – 1 шт.
• Краситель зелёный – 1 шт.
• Краситель красный – 1 шт.
• Соль морская – 1 шт.
• Тетраборат натрия – 1 шт.
• Натрий серноватистокислый – 1 шт.
• Краситель фосфоресцирующий – 1 шт.
• Калий марганцовокислый – 1 шт.
• Полиакрилат натрия тип «А» – 1 шт.
• Гидроперит – 1 шт.
• Кальций хлористый – 1 шт.
• Шарики Орбиз – 1 шт.
• Полиакрилат натрия тип «Б» – 1 шт.
• Калий йодистый – 1 шт.
• Полноцветная иллюстрированная инструкция– 1 шт.

Характеристики:

• 15 опытов в одном наборе
• Рекомендованный возраст от производителя: от 8 лет
• Срок годности 3 года
• Размер упаковки: 540х370х100 мм
• Масса 1900 грамм

Оборудование и наборы для экспериментов по природовению

На нашем сайте представлено более 5000 наименований учебного оборудования и пособий в обучающие центры и учреждения по всей стране. Мы имеем огромный опыт в поставках оборудования для лабораторий и хотим помочь вам оснастить ваше учреждение всем необходимым.

Уроки по окружающему миру помимо теоретической части, содержат много практических заданий. Такой комплексный подход, совместно с лекциями учителя и изучением учебного материала по книгам, способствует более эффективному усвоению учебной программы.

Если вы стремитесь оснастить школьный кабинет природоведения — смело обращайтесь в нашу компанию. Мы поможем вам оснастить ваше учебное заведение всем необходимым.

Все наборы, представленные у нас на сайте, производятся на специализированном оборудовании и с соблюдением производственных нормативов. Материалы в производстве используются только проверенные и качественные. Поэтому подобное лабораторное оборудование является долговечным и абсолютно безопасным.

Купить оборудование и наборы для экспериментов по окружающему миру вы можете у наших сотрудников. Для этого достаточно с ними созвониться и оформить заказ по телефону. Либо вы можете заказать приборы онлайн, выслав заявку электронной почтой. Заявки обрабатываются в кратчайшие сроки. Доставка товара осуществляется по всей территории России. Мы высылаем товар почтой или любой другой службой доставки на выбор клиента. Либо вы можете забрать товар самовывозом из нашего офиса.

Фильтр товаров

Сортировать по:

Мобильные лаборатории и оборудование для экспериментов

С помощью комплекта «Нанобокс»

ЛабДиск представляет собой мобильную естественно-научную лабораторию для изучения естественных наук в основной и старшей школе по физике, химии, биологии. В комплект ЛабДиск входят датчики, регистратор данных, дополнительное оборудование, справочно-методическое пособие.

Лаборатории в чемодане

Лаборатория в чемодане представляет собой компактные комплекты демонстрационного оборудования для проведения экспериментов по биологии, астрономии, географии, физике в старшей и средней школах. Ассортиментом представлены: набор для общего изучения физики, позволяющий провести 70 важнейших экспериментов по основным разделам науки, и наборы для изучения конкретных тем: оптика, оптическая скамья, геометрическая оптика с лазером, электрические цепи на магнитах, законы работы электрических цепей, фотоэлектричество, электростатика, электроника, механика, преобразование энергии, солнечная энергия, энергия ветра, источники электрической энергии, твердые тела, жидкости, газы, воздух, генератор газа, тепловые явления, солнечная батарея, центростремительные силы, равновесие, давление жидкостей, дистилляция.

На уроках биологии с помощью комплектов лабораторного оборудования можно провести эксперименты на темы: биологические микрообъемы, растения, сельскохозяйственные культуры, типы растений и почв, фильтрация воды, органы чувств. Для курсов географии и астрономии разработаны демонстрационные наборы «Теллурий» для изучения системы «Солнце-Земля-Луна», «Типы почв и растений», оборудование «Метеостанция».

Предусмотрено дополнительное оборудование для изучения естественных наук – цифровой микроскоп, универсальная узловая плата, монтажный набор, источник питания, генератор воздушного потока.

Представленные мобильные лаборатории абсолютно безопасны, соответствуют нормам, требованиям и стандартам ФГОС. Мы сотрудничаем с ведущими производителями. Осуществляем доставку товаров по всей территории РФ, включая Крым. Осуществить закупку мобильной лаборатории можно онлайн на сайте, по телефону или через портал поставщиков. Для образовательных учреждений и оптовых покупателей действует гибкая система скидок.

Инженеры НИТУ «МИСиС» оптимизируют новый детектор для экспериментов в CERN

Группа ученых НИТУ «МИСиС» в составе международного коллектива разрабатывает дизайн нового поколения специального детектора частиц высоких энергий — калориметра — для экспериментов на Большом адронном коллайдере в CERN. Новое устройство гораздо более устойчиво к воздействию высокой радиации, что позволит увеличить поток частиц в эксперименте LHCb и, в перспективе, получить новые знания о свойствах адронов с тяжёлыми кварками.

LHCb — эксперимент на Большом адронном коллайдере в CERN, основная цель которого — изучение физики B-мезонов и В-барионов, то есть частиц, содержащих тяжёлый b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). В этих частицах ярко проявляется интереснейшее и очень тонкое явление Природы — нарушение CP-симметрии. Благодаря этому нарушению картина распадов частиц и античастиц слегка различается, что может иметь отношение к объяснению загадки барионной асимметрии Вселенной — несмотря на то, что в принятой сегодня картине космологической эволюции материя и антиматерия равноправны, в современной Вселенной осталась только материя, значимых количеств антиматерии нет. Изучение процессов с CP-нарушением может пролить свет на эту проблему.

Группа материаловедов и инженеров НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ, а также из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, Женева, Швейцария) разработала прототип нового абсорбера частиц для калориметра следующего поколения. Его роль — эффективно поглощать частицы высоких энергий и формировать так называемый электромагнитный ливень, который образуется при взаимодействии частиц с веществом абсорбера. Сейчас эта часть детектора представляет собой ряд параллельно расположенных пластин из свинца, между которыми расположены сцинтиллирующие пластиковые «прослойки», сигнал с которых собирается оптическим волокном, проходящим через сердцевины пластин перпендикулярно им. Ввиду визуального сходства такой дизайн получил название «шашлык» — shashlik calorimeter.

В новом дизайне «сэндвич» из панелей заменяется на структуру значительного числа небольших «сот». Стенки состоят из вольфрама, а в ячейках находятся специальные сцинтиллирующие кристаллы на основе допированного граната. Этот дизайн получил название «спагетти-калориметр» — SPACAL. Можно показать, что такая структура способна функционировать при более высоких радиационных нагрузках.

«Создать такой прототип — уже само по себе довольно серьезная материаловедческая задача, — рассказывает одна из участниц проекта, доцент кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов НИТУ „МИСиС“, к.х.н Дарья Стрекалина. — Основа абсорбера произведена методом электроэрозионной резки вольфрамовых пластин, что не так просто, учитывая твердость и хрупкость вольфрама. Гранатовые кристаллы тяжело поддаются резке и не проводят электричество, поэтому к ним невозможно применить те же методы».

В настоящее время эксперимент LHCb, как и все другие эксперименты на Большом адронном коллайдере, остановлен на плановый технический ремонт, необходимый, в том числе, потому, что облучение интенсивными потоками частиц — неотъемлемая часть всех экспериментов —подвергает серьезной деградации материалы, из которых изготовлены детекторы. Этот период активно используется для оптимизации и улучшения деталей и узлов этих сложнейших устройств.

Созданный прототип в ноябре 2019 был протестирован на ускорителе в DESY (Гамбург, Германия), предварительные результаты теста показали возможность использования технологии в следующей фазе модернизации эксперимента LHCb.

Оптимизация адсорбера — лишь один из ряда совместных проектов НИТУ «МИСиС» и CERN. Например, для нового эксперимента SHiP на ускорителе SPS исследователи создают прототипы элементов магнитной системы активной мюонной защиты — ключевой подсистемы этого эксперимента, а также участвуют в моделировании гигантской стальной вакуумной камеры, где, как ожидается, будут распадаться новые «скрытые» частицы, поиск которых является главной целью эксперимента SHiP.

Учебные наборы для экспериментов по квантовой физике от Qutools (Германия)

29.06.2021

Представляем Вашему вниманию учебные наборы по квантовой физике от компании

Qutools (Германия) — компания основана в 2005 году тремя сотрудниками с докторской степенью из лаборатории квантовой физики Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Их целью было предоставление инструментов необходимых для Квантовой физики, отсюда и произошло название компании Qutools. Линейка продукции включает в себя: наборы для демонстрации квантовых эффектов в обучающих целях, время-разрешенные модули (Time-Tagger) и интерферометры.

Особенности:

• Источник одиночных и запутанных пар фотонов
• Автоматическая регулировка
• Гибкость экспериментов
• Детекторы одиночных фотонов
• Временное разрешение в пикосекундном диапазоне
• Универсальное использование
• Интуитивно понятная концепция управления
• Надежность и безопасность

• Перископ
• Поляризатор
• Зеркало 45°
• Делитель пучка
• Зеркало 90°
• Волновая пластина
• Стеклянный клин
• Двойная щель
• Камера
• Волоконный соединитель
• Туннельный эффект

quED — это современная система физических экспериментов по генерации и анализу поляризационно-запутанных пар фотонов. Конструкция системы объединяет последние достижения технологии квантовой оптики в простую и удобную систему для академических, исследовательских и прикладных целей. 

Установка отлично подходит для практической демонстрации физики запутывания в лабораторных занятиях студентов колледжей и университетов. Высокая производительность позволяет интегрировать его в современные научные эксперименты и коммерческие приложения. Также доступна полностью автоматизированная моторизованная версия.

Особенности:

• Генерация / анализ истинно поляризационно-запутанных пар фотонов
• Полноценная система для нарушения неравенств Белла (CHSH)
• Исследования квантовых явлений
• Простое использование
• Индивидуальная конфигурация
• Доступна автоматизированная моторизованная версия
• Доступна дополнительная оптика для контроля поляризации и анализа поляризации

• Два кремниевых лавинных фотодиода
• Четырехканальный счетчик со встроенной логикой совпадений
• Два поляризатора во вращающихся оптических креплениях
• Блок управления и считывания
• Устройства для юстировки, включая вспомогательный маломощный лазерный модуль
• Подключение к ПК

QuNV представляет собой установку для квантового зондирования алмазным магнитометром на основе азото-замещённой вакансии в алмазе (NV-центры). Этот квантовый алмазный магнитометр и эксперименты на его основе познакомят студентов с концепциями квантового зондирования. Конструкция quNV основана на последних достижениях научных исследований и демонстрирует квантовое зондирование в простой и удобной системе для лабораторных занятий студентов в колледжах и университетах.

Ядро quNV представляет собой HPHT-алмаз с азото-замещённой вакансии в алмазе (NV-центр). NV-центр может быть возбужден светом в зеленом спектре. Возбужденное состояние распадается обратно в основное состояние либо напрямую, либо через промежуточные полочные состояния с различной интенсивностью флуоресценции. Путь распада зависит от электронного спина NV-центра. Таким образом, спин электрона можно считывать оптически. Спином электрона можно дополнительно управлять с помощью микроволнового излучения. Применяя магнитное и электрическое поля, можно смещать энергетические уровни спинов. Следовательно, возможно огромное количество экспериментов и измерительных приложений.

Ключевые особенности:

• Зонд: HPHT Diamond
• Возбуждение: 520 нм, непрерывный диодный лазер
• Микроволновое излучение: ВЧ-генератор с частотой 4 ГГц
• Обнаружение: фотодиод, блок управления и считывания

• NV-центр флуоресценции
• Оптически обнаруженный магнитный резонанс (ODMR)
• Время релаксации спина
• Измерение магнитного пол

Вы можете получить любую дополнительную информацию о продукции и технологиях Qutools, обратившись к специалистам нашей компании

Возврат к списку

«Бургундия – не лучшее место для экспериментов»

Чем вы сейчас занимаетесь на винодельне?

С 2015 года я занимаюсь всем – от фермерских вопросов, виноделия, до продвижения и продажи вин. Сам Алекс (Алекс Гамбаль, основатель винодельни) с 2015 года работает над новым проектом в США, в Калифорнии. Это совсем небольшой проект, и пока вина они делают на другой винодельне. Виноград покупают у фермеров, и производят всего 20-30 бочек. Проект называется Gambel Work, поскольку его партнера зовут Peter Work. 

Чем вы занимались до этого? 

Раньше я работал в финансовой области. Я вообще из Луары, затем я учился в Париже, потом в Сиднее. Потом я решил сменить область работы, и поехал учиться в школу вина в Дижоне. После нее я поработал какое-то время на банк, в области управления винодельческих дел, всем, что связано с финансированием в области бизнеса вина и сельского хозяйства. Так я познакомился с Алексом, и вместе мы стали покупать вина для негоциантского бизнеса. 

Когда Алекс основал винодельню чуть больше 20 лет назад, покупать виноград и вино было проще, чем сейчас. Существовало около десяти крупных негоциантов, как Жадо, Друэн, и около 20-25 небольших. Но со временем мода на Бургундию росла, и стало появляться большое количество еще более мелких негоциантов, и сейчас эта цифра стремиться к 500. И теперь между нами всеми происходит борьба за виноград с одинаковых участков. Виноград мы покупаем, в основном, от тех людей, которые также и делают вино, и продают 20-30% своего винограда. Для больших негоциантов ситуация не особо изменилась, потому что у них заключены крупные контракты на 5 гектар и более.

Как вы перешли с покупки винограда к покупке виноградников? 

Впервые Алекс купил совсем небольшие участки в 2004 году, затем в 2008, а в 2011 мы заключили сделку по Batard-Montrachet, и к 2014 году мы приобрели 12 гектар. В том же году винодельня практически стала доменом. Мы также планируем расширять собственные земли, но мы будем более избирательными, поскольку достигли определенного размера. Сейчас мы производим около 80 000 бутылок в год. 

Самым большим рынком для вас являются США. Подстраивался ли стиль ваших вин под вкусы американцев? 

Я не думаю, что стиль вин как-то подстраивался. Не нужно также забывать, что мы делаем вина такими не только потому что нам самим нравится, но и потому, что они предназначены для употребления с едой. А то, что мы едим сейчас, сильно отличается от того, что ели двадцать лет назад. Сейчас очень много рыбных ресторанов, ресторанов с сырыми морепродуктами – такое практически не встречалось 20 лет назад. Эволюция вкусов влияет на эволюцию стилей вин. И безусловно, вина в Бургундии сейчас более свежие, чем они были 20 лет назад. 

Как в самом начале Алекса приняли в Бургундии местные, учитывая, что он приехал из США? 

Раньше в Бургундию приезжало меньше людей, и не было назойливости. Алекс приехал в Бургундию со своей семьей, а это всегда проще, сразу образуется какое-то сообщество через школу. 

Людям, которые теперь приезжают в Бургундию с разных частей света, с США, Новой Зеландии, сложнее начинать свой винный бизнес из-за невероятных цен на местные вина. Поэтому они делают либо небольшой негоциантский бизнес на стороне, либо работают на какой-то домен. Не факт, что в Бургундии вам даже помогут миллионы долларов – зачастую там просто нет вина. 

Многие называют характер бургундских виноделов чопорным или снобским, как бы вы его объяснили? Моя знакомая недавно была на ПроВайне, где подошла к виноделу из Бургундии с просьбой принять ее на винодельне и продегустировать вина. На это он ответил ей, что они не Диснейленд.   

Грубые люди есть везде 🙂 Но если по-честному, мне кажется, что Бургундия сильно изменилась за последние 20-30 лет – сами виноделы стали чаще путешествовать, и знакомство с другими культурами помогает расширить сознание. 

Большинство винодельческих компаний в Бургундии очень маленькие, и владельцам приходится заниматься практически всем. Не у всех есть помощники или «офисный» персонал. Помимо этого, Бургундия сейчас очень модная, и не у всех хватает вина просто на продажу, не говоря уже о дегустациях. 

Нужно адаптироваться к этому и пытаться делать столько дегустаций, сколько возможно, однако этим невозможно заниматься целыми днями. В Калифорнии дегустациями занимаются отдельные люди. Часто в Бургундии нельзя купить вино на винодельне, и тут получается противоречивая ситуация – если вы приглашаете людей на дегустацию, то они расстраиваются, что после нее нечего купить. 

Как бы вы охарактеризовали стиль ваших вин?

Мы всегда стараемся делать вина, отражающие то место, откуда виноград – в этом вся история Бургундии. У нас всего два сорта винограда, а вина, тем не менее, очень разные. Это как раз потому, что виноград происходит с разных участков. И наша задача – подчеркнуть особенности этих участков. 

Да, ко всем нашим участкам мы применяем принципы разумной биодинамики. Мы не используем те препараты, которые не нужны нашей земле и виноградникам. Всегда нужно помнить базовую идею биодинамики – что в одном месте должны быть собраны виноградники, растения, зерновые, деревья, все находится в зависимости. Тот известный препарат, который делается из коровьего навоза, помещенного в рог, в основном покупается у компаний из Южной Америки. Но проблема в том, что микроорганизмы, присутствующие в составе почв Аргентины, Боливии или Чили сильно отличаются от тех, что есть в наших почвах. Поэтому я не вижу смысла использовать препараты такого происхождения. Винодельня может получить сертификат биодинамики, даже используя такие «заграничные» продукты. 

Возможны ли в Бургундии эксперименты?

Если говорить про виноделие, то Бургундия – не лучшее место для экспериментов. С другой стороны, в Риохе и Бордо не так давно начались определенные проблемы, поскольку в этих регионах есть как хорошо известные и зарабатывающие винодельни, так и огромное количество малоизвестных, кому сложно продавать свои вина. В таком случае действительно помогают инновации. Испания в последние 10 лет очень сильно изменилась, качество вина растет каждый год. Но такая ситуация везде, особенно в тех регионах, которые малоизвестны или традиционно производят недорогие вина – Божоле, Лангедок, Ла Манча и другие. 

Что вы можете сказать про наступающий сезон? 

Еще довольно рано говорить, однако мы немного обеспокоены тем, что сезон начался довольно рано. То, что сейчас называют глобальным потеплением, оно выражается, скорее, не в повышении температур, а в более ярких экстримах в температурах, нарушается плавность сезонов. В марте может быть тепло и приятно, а в апреле – заморозки и град. 

А про 2018?

Отличный сезон, как в качестве винограда, так и в его количестве. Мы начали сбор урожая в конце августа, и это довольно рано. Более ранний сбор случается все чаще – если посмотреть на последние десять лет, то в августе мы собирали пять раз. А раньше такое случалось за 50 лет. Сейчас один из ключевых вопросов – как продлить сезон для того, чтобы вызревал Пино Нуар. 

Для экспериментов с искусственным интеллектом создадут особый правовой режим

Документ размещён в базе законодательной деятельности Госдумы 7 февраля. Он рассчитан на проведение пятилетнего эксперимента (с июля этого года).

Авторы законопроекта – первый вице-спикер Госдумы Александр Жуков и член комитета Госдумы по законодательству и госстроительству Ирина Белых.

Мэрия Москвы, согласно документу, получит право определять условия и порядок разработки и внедрения элементов ИИ на территории столицы. Московское правительство также сможет определять условия обработки обезличенных персональных данных для нужд развития технологий.

При этом все соответствующие решения утратят силу вместе с окончанием эксперимента через пять лет.

Законопроект в прошлом году находился в стадии детальной проработки. Мы подготовили анализ и предложения. Для проработки необходимо подключить антимонопольную службу, чтобы защитить конкуренцию. Эксперимент без законодательной базы в сером поле неопределенности грозит рисками для инициаторов и участников.

Екатерина Ларенс, член комиссии по правовому обеспечению цифровой экономики московского отделения Ассоциации юристов России

Воспользоваться особым правовым режимом смогут фирмы и индивидуальные предприниматели, которые подадут заявку на включение их в соответствующий реестр. 

Совместное использование технологий искуственного интеллекта и больших данных позволит предложить гражданам услуги и сервисы лучшего качества, повысить их доступность, в целом улучшить  инфраструктуру города, говорит Алексей Нейман, исполнительный директор Ассоциации больших данных. В то же время, законопроект надо соотнести с действующими обязательными нормами, а также с законопроектами, которые уже готовятся в рамках плана мероприятий по цифровой экономике, в том числе с законопроектом об обезличивании данных, отмечает Нейман.

Как писал «Коммерсант», более гибкий правовой режим позволит внедрить новые технологии в сферах медицины, транспорта и распознавания лиц и речи. Ранее о необходимости развивать сферу ИИ неоднократно говорил Владимир Путин. Эксперимент в Москве должен помочь определить, какие новинки и изменения в правовом поле потребуются, чтобы подтолкнуть исследования искусственного интеллекта по всей стране.

Определение эксперимента Merriam-Webster

б : предварительная процедура или политика

c : операция или процедура, выполняемая в контролируемых условиях для обнаружения неизвестного эффекта или закона, для проверки или установления гипотезы или для иллюстрации известного закона.

экспериментировал; экспериментирование; эксперименты

Десять простых правил проведения экспериментов

Образец цитирования: Казич Т. (2015) Десять простых правил проведения экспериментов.PLoS Comput Biol 11 (10): e1004384. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004384

Опубликовано: 20 октября 2015 г.

Авторские права: © 2015 Тони Казич. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника

Финансирование: Я с благодарностью подтверждаю поддержку U.S. NSF (www.nsf.gov), MCB-1122130 и Исследовательский совет Университета Миссури. Спонсоры не принимали участия в подготовке этой рукописи.

Конкурирующие интересы: Автор заявил, что конкурирующих интересов не существует.

Каждому нужны экспериментальные данные, чтобы понять биологию. То, как и из чего были получены данные, определяет результаты эксперимента, определяет, как их можно воспроизвести, и обуславливает наш анализ и интерпретацию. Эти детали материалов, методов и анализов являются источником эксперимента.

Сегодня, как это было на протяжении сотен лет, экспериментальное происхождение записано в какой-либо лабораторной тетради. Но по мере того, как данные переносятся из головы экспериментатора и записной книжки к публикации, лабораторному серверу, архивной базе данных или облаку, эта важная информация теперь исчезает. Как и в случае с интерпретацией, наша способность воспроизводить результаты зависит от знания того, как они были получены другими. Лишенные непосредственного контекста, методологические идеи и информация, которые были совершенно прозрачны для экспериментатора (или вычислителя!), Становятся возможностями для подверженной ошибкам реконструкции другими, даже внутри той же группы [1–3].Эта реконструкция требует (повторного) личного общения, перечитывания записей в записной книжке, опроса собственной или коллективной памяти и изучения образцов. Ни один из этих методов не является надежным, и все они утомительны.

По мере того, как большие данные становятся реальностью, становится все более настоятельной необходимость инкапсулировать экспериментальное происхождение с данными. Но как вообще получить эту информацию из мозга и записных книжек? Это проблема сбора информации, а не форматов данных; лабораторной практики, а не поиска ресурсов; и из миллиона цветов экспериментального творчества, а не построения онтологий.Конечно, онтологии, совместимые грид-ресурсы и эффективный поиск важны и привлекательны, но в отсутствие экспериментального происхождения они биологически спорны.

Очевидным решением могут показаться стандарты для аннотации апостериорных данных биологами. Действительно, в нескольких предыдущих попытках были определены наборы «минимальных» метаданных об определенных типах высокопроизводительных экспериментов, начиная с минимальной информации, необходимой для экспериментов с микрочипами (критерии MIAME) [4]. Однако опыт показывает три фундаментальные проблемы с этим подходом.Во-первых, несмотря на энергичную поддержку со стороны компьютерных биологов, в большинстве депонированных наборов данных отсутствует такая аннотация [1]. Во-вторых, вселенная проведенных экспериментов, не говоря уже о возможных, намного превосходит стойкость даже самых серьезных комитетов по обнародованию определений и критериев. Как всегда, наука опережает номенклатуру.

Третья фундаментальная проблема даже более фундаментальна, чем усилия или изобретения. Многие биологи, склонные к экспериментам, слишком плохо оснащены и слишком заняты, чтобы производить электронные метаданные о происхождении практически в любой форме.Крупные экспериментальные консорциумы и предприятия с высокой производительностью часто действительно разрабатывают собственные системы происхождения, и эти и коммерческие системы доступны (например, см. [5,6]). Но небольшие группы также генерируют важные данные, часто с помощью самых разнообразных экспериментов, которые не соответствуют существующим пакетам, стандартам или онтологиям. Информация об их происхождении, как правило, фрагментирована, похоронена в бумажных и электронных записях и зависит от институциональной памяти группы. Провенанс особенно важен в этих контекстах, поскольку многие из этих экспериментов зародят гипотезы и предоставят материалы для последующих высокопроизводительных экспериментов, которые являются основой большей части современной вычислительной биологии.Хотя метаданные, как известно, трудно получить от экспериментаторов, в принципе их можно вычислить из соответствующих электронных записей происхождения. Первая трудность в этом предложении — «адекватные электронные записи происхождения». Как и в случае с другими формами домашнего хозяйства, происхождение легко превратиться в рутинную работу без стеклянной туфельки на конце.

Как мы можем упростить провенанс, чтобы он стал лучше для всех? Хитрость заключается в том, чтобы зафиксировать происхождение по мере планирования, проведения и анализа эксперимента.Чем проще, привычнее и полезнее экспериментальный захват, тем более рутинным он может стать. «Легкость» — это самая сложная цель проектирования, а создание общих систем — дело сложное и дорогое. Но что мы могли сделать днем ​​или за несколько дней? Я думаю, что ответ довольно много, при условии, что «мы» — это совместные усилия экспериментально и вычислительно склонных людей. Экспериментаторы должны неоднократно показывать, что они делают, объяснять, как они думают, и критически тестировать прототипы. Вычислительные специалисты должны неоднократно наблюдать за всеми актами экспериментов, прислушиваться к невысказанным предположениям и создавать прототипы наименее навязчивых, наиболее экспериментально эффективных подходов.Вместе они должны максимизировать простоту, гибкость, расширяемость и удовольствие.

Сбор экспериментальной записи в источнике в реальном времени во всех типах лабораторий сгладит путь к системам, которые автоматизируют сбор и объединяют его с извлечением происхождения и аннотацией наборов данных. Чтобы достичь инфраструктуры происхождения будущего, которая нужна каждому, нам нужно понять разнообразие реальной экспериментальной практики и начать решение самой сложной проблемы захвата происхождения.Небольшая порция альтруизма, направленная на очень быстрые, легкие и доступные для совместного использования улучшения, может немедленно помочь экспериментаторам, спровоцировать межгосударственное взаимодействие и способствовать более устойчивому сотрудничеству. Итак, в духе правил происхождения вычислительных экспериментов и данных приборов [7,8], я предлагаю десять простых правил для междисциплинарного сотрудничества по захвату происхождения. Порядок правил примерно соответствует рабочему процессу обсуждения, от первой ознакомительной чашки кофе до перехода к более масштабным схемам и большим данным.Хотя каждое правило немного отличается в распределении задач между экспериментаторами и вычислителями, все они требуют совместных усилий. Наша текущая практика описана во вставке 1.

Вставка 1. Наша практика на сегодняшний день

Как компьютерный биолог, который также занимался генетикой кукурузы в течение последних девяти лет, я имею честь непосредственно испытать на себе реальность моих коллег-экспериментаторов, наблюдая, насколько хорошо — или нет! — мои вычислительные идеи решают практические проблемы происхождения экспериментов. .Мы изучаем набор из ≈55 различных мутантов кукурузы, которые вызывают некротические или хлоротические поражения на ткани листьев [13,14]. Упаковываем отобранные семена для посадки; сажать в поле на исследовательских фермах или в горшках или лотках в теплице; многократно наблюдать не менее восьми различных фенотипов для каждого растения; опылять отобранными растениями; фотографировать листья in situ или ex situ; устно описать каждое мутантное семейство; собирать, лиофилизировать и замораживать образцы ткани листа для секвенирования ДНК; урожай и скорлупа опыленных колосьев; и подпилите кукурузу, чтобы ее было легко достать из холодильной камеры.Полевые данные собираются в форме изображений (стандартизированных или произвольных), таблиц электронных таблиц, аудиозаписей, свалок почасовых данных о погоде с местной записывающей станции и географических координат первой строки каждого поля.

Как мы применяем правила? Наша простая система происхождения для генетики кукурузы постепенно эволюционировала. Базовая система была разработана для первого урожая, и с коллегами по кукурузе было много споров о том, что и как они отслеживают их происхождение.Результат оказался очень универсальным и надежным, требующим лишь минимальных изменений, несмотря на меняющиеся обстоятельства каждой культуры и добавление других экспериментов, данных и типов объектов. Трудно количественно оценить надежность, но на данный момент система обработала примерно 5900 семейств кукурузы (4000 в активном использовании), 18000 изображений (включая дубликаты и тестовые снимки), 1000 образцов тканей и 430000 фактов (включая как первичные данные, так и обратные индексы). ). На протяжении многих лет мы добавляли эксперименты и экспериментальные протоколы, неоднократно меняли основное оборудование и на данный момент работали над проектом примерно с 20 студентами.Эти объемы малы по сравнению с объемами многих экспериментальных групп, особенно по кукурузе, но могут указывать на нашу экспериментальную среду.

Сердце нашей системы — уникальные идентификаторы. Каждый физический объект, который непосредственно участвует в производстве наших биологических материалов или для которого собираются данные, имеет уникальный идентификатор. Есть много типов объектов, и нам часто нужно знать, что делать быстро, поэтому мы используем мнемомические идентификаторы, которые различают каждый тип объекта и различают растения и их значение от оборудования.Стандартное оборудование поля и семенного отделения не отслеживается — степлеры, фартуки и лущилки взаимозаменяемы. Камеры и сканеры нет, поэтому у каждого есть отличительное название. Пока что объективы закреплены за камерами навсегда, а названия камер записываются как часть фотографических данных. Если бы мы поменяли линзы между камерами, было бы просто назвать линзы и их связи с камерами в системе происхождения, чтобы прошлые и настоящие данные были правильно аннотированы.

Каждое растение помечено прочной бумажной полосой со штрих-кодом и несколькими отрывными бирками, на каждой из которых напечатан идентификатор растения, штрих-код и сокращенный символический генотип.Идентификатор растения становится первичным ключом для всех табличных данных и семян этого растения, и это название растения в аудиоповествовании, связывающее генотипы, фенотипы, образцы и данные. Идентификаторы растений состоят из 15 символов и указывают год посадки, сезон, номер семейства, инбредный фон, если необходимо, а также номер ряда и номера растения для каждого растения. В идентификатор встроена избыточность, чтобы предотвратить потерю информации. Опыления помечаются отрывными бирками от растений, которые служат женскими и мужскими особями для данного скрещивания.Прикрепленные вместе к конверту с семенами, они идентифицируют очищенные семена для инвентаризации, извлечения и упаковки. Несколько человеко-дней, потраченных на маркировку тысяч растений каждой культуры, позволяют сэкономить много человеко-месяцев на сборе и проверке данных, управлении запасами и вычислениях.

Горшки, лотки, пакеты с семенами, колья, образцы тканей, коробки, рукава и пакеты с семенами — все получают уникальные шестизначные идентификационные штрих-коды с идентификаторами для каждого типа объекта, начинающимися с одной мнемической буквы.Все буквы, в том числе для инбредных линий, уникальны. Листья идентифицируются по относительной или абсолютной координате растения, в зависимости от эксперимента. Помимо идентификаторов листьев, автоматически генерируются все идентификаторы и их компоненты, что было извлечено на втором году полевых работ, когда идентификаторы для нескольких семей братьев и сестер были непреднамеренно дублированы.

Идентификаторы напечатаны крупным жирным шрифтом вместе с их одномерными штрих-кодами на этикетках или бирках.Ярлыки и теги создаются с помощью пользовательских сценариев и открытого кода [9,10,15,16]. Наша коллекция скриптов включает в себя код для создания отдельных тегов для замены тегов с изношенными, неразборчивыми штрих-кодами, тегов, спешно перепрофилированных с дочерних предприятий, и тегов с ретроспективно исправленными данными.

Каждое действие или датум , включающее объект со штрих-кодом, записывается путем сканирования штрих-кода в таблицу данных в электронной таблице либо в момент действия, либо вскоре после этого. Одновременный сбор данных — одна из наших лучших мер защиты от искаженных данных, позволяющая исправлять ошибки, пока объект или действие присутствуют немедленно.Это также помогает нам выявлять процедурные узкие места и операции, подверженные ошибкам, для улучшения процессов. Единственное исключение из правила одновременного сбора данных — это промежуточные формы данных, такие как фенотип возникающих повреждений или план опыления и фотографический план растения. Они хранятся на каждом растении в виде цветных бумажных скрученных лент, с датой и инициалами человека-счетчика, хранящимися на первом растении в ряду. (Мы записываем даты и счетчик каждого растения по мере необходимости, например, при определении начала фенотипов.Эти решения могут меняться по мере развития фенотипов и опытов, поэтому мы обычно фиксируем только окончательную оценку или намерение.

Большинство данных собирается путем сканирования штрих-кодов в электронную таблицу, работающую на планшете, с помощью Bluetooth-сканера размером со спичечный коробок. Типичные листья отобранных мутантных растений фотографируют для регистрации фенотипов и получения данных для их количественной характеристики. На других фотографиях сравниваются фенотипы среди семей и документируются сюрпризы.Аудиозаписи описаний полей, культур, семей и отдельных растений собираются в течение всего полевого сезона, ранее с помощью различных диктофонов, а теперь с помощью планшетов. Их транскрипция отстает, поэтому сейчас мы экспериментируем с программами преобразования речи в текст.

Преобразование данных из электронной таблицы в базу данных использует семейство скриптов и модулей Perl, включая библиотеку регулярных выражений. Поскольку наш механизм сбора данных перешел со сканеров меню на iPad и электронные таблицы, и по мере того, как студенты приходили и уходили, характерные ошибки, возникающие во время сбора данных, изменились.Мы выгружаем данные в виде файлов csv и вручную проверяем эти файлы перед их обработкой и вставкой их данных в базу данных. Каждый студент просматривает собранные данные, и мы также проверяем данные друг друга. Мы также выполняем различные апостериорные проверки, в зависимости от операции — убеждаясь, что каждый ряд и каждый пакет учтены при посадке, что все зарегистрированные и незарегистрированные опыления собраны, что каждый початок, используемый при опылении, уникален и т. Д.

В вычислительном отношении наша система происхождения использует набор инструментов: декларативную базу данных для управления урожаем и данными, включая вычисления родословных; emacs org-mode для ноутбуков лаборатории; git и tar для архивирования данных и кода ASCII; и сценарии Perl для создания тегов и меток, создания таблиц в организационном режиме со встроенными, легко видимыми вычислениями, а также для преобразования данных из дампов электронных таблиц и организационных файлов в базу данных.Все типы файлов копируются на два физически разных RAID-массива. Экспериментальная система происхождения была разработана раньше нашей системы для вычислений и анализа, поэтому они взаимодействуют на нескольких уровнях, не образуя монолит.

Изображения, файлы, имена файлов и каталогов — все самоидентифицируемые. Наши изображения листьев включают ярлык со штрих-кодом от растения, отмеченный номером листа. (Эта практика неоднократно спасала данные от ошибок сканирования.) Все файлы ASCII начинаются со строки, которая включает полный путь к файлу.Файлы или приращения данных, создаваемые кодом, включают комментарии, определяющие имя производящего файла или функции, исходный файл для данных и временную метку производства. Имена файлов для аудиозаписей теперь описательны, поскольку мы собираем их с помощью планшета, а не диктофона. Имена в деревьях каталогов носят описательный характер; Имена камер и сканеров составляют часть дерева каталогов для первичного хранилища данных, помогая нам быстро находить данные, указанные в таблицах. Наша лабораторная записная книжка раньше представляла собой набор физических записных книжек и файлов ASCII.Недавно мы перешли на emacs org-mode, который упрощает управление проектами и их публикацию, а также письменные рассказы. Мы фотографируем доски, странности и бумагу, делая перекрестные ссылки на изображения в наших файлах организационного режима и сохраняя их в тех же каталогах, что и работа, на которую они ссылаются. Время от времени мы записываем разговоры, и они имеют перекрестные ссылки и сохраняются таким же образом.

Семантика данных и вычислений находится в именах предикатов и аргументов и комментариях в файлах, но более сложная семантика все еще существует в текстовых файлах или в моем мозгу.Наш следующий рубеж — это более легкое вычисление наших метаданных, начиная с экспериментальных изображений, предназначенных для публичного размещения. Текущие онтологии обозначают лишь небольшую часть того, что мы считаем важным, но это может измениться в будущем.

Правило 1. Идите боком и назад, чтобы двигаться вперед

Что сейчас отслеживают экспериментаторы, и какие физические предметы и идеи с этим взаимодействуют? Точно так же у многих материалов и методов есть история, которую очень важно зафиксировать: генетические родословные и препараты макромолекул являются примерами.Итак, обсудите каждую важную фазу жизни экспериментальной лаборатории и то, как эти фазы связаны с ее работой сегодня и завтра. Ретроспективно введенные данные затем присоединяются к согласованной структуре, а не накапливаются.

Правило 2. Улучшите акты экспериментирования

Никто добровольно не добавляет препятствий, поэтому изменения должны приносить чистую прибыль по всему экспериментальному рабочему процессу. Люди часто готовы пожертвовать несколькими человеко-днями, чтобы сэкономить человеко-месяцы, но выявление улучшений — это совместный труд реинжиниринга.Множественные взаимодействия и наблюдения за «одной и той же» экспериментальной задачей показывают способы, которыми изменяется работа, выявляя улучшения процесса и ограничивая гибкость дизайна.

Правило 3. Это должно быть лучше электронных таблиц

Таблицы распространены повсеместно, потому что они гибкие, хорошо понимаются большим сообществом (включая студентов), отлично подходят для создания прототипов экспериментального рабочего процесса и простого сбора данных. Эту комбинацию сложно превзойти! Тем не менее, небольшие нововведения в электронных таблицах могут значительно улучшить происхождение.Примеры включают реструктуризацию повторяющихся текстовых описаний в виде пунктов меню и предоставление дополнительных всплывающих окон с определениями терминов и методов лаборатории. Более обширные системы с дизайнерскими интерфейсами или серверной частью могут быть заслушаны, если экспериментальные рабочие процессы очень регулярны, но любая предлагаемая замена должна быть такой же простой и надежной, как электронная таблица для использования и обслуживания. Системы домашнего пивоварения без простейшего пути обслуживания умирают, как только аспирант, создавший их, уходит дальше.

Правило 4.Штрихкодируйте все, что важно, и держите метки актуальными

Каждый тип физического объекта или элемента данных должен иметь отличительный мнемомический идентификатор, который сообщает вам, что это такое, без использования справочного руководства или гаджета. Что следует запоминать и сколько информации следует включить в идентификатор для оптимального отслеживания, зависит от лаборатории, и при разработке хороших систем идентификаторов, устойчивых к изменениям, необходимо позаботиться о них. Мнемомические идентификаторы легче использовать в повседневном экспериментальном дискурсе, чем неприкрашенные целые числа, но могут потребовать большего обслуживания, особенно перед лицом неизбежных изменений.Когда в лаборатории имеется много различных типов физических объектов и контекст их взаимосвязей важен для понимания того, что делать (обычно довольно срочно), тогда мнемические идентификаторы могут оказаться большим подспорьем. Они также имеют то преимущество, что позволяют встраивать в идентификатор избыточную информацию. Когда объекты образуют относительно небольшое количество типов и отношения между ними еще неизвестны, тогда централизованно назначенное целое число может оказаться проще в долгосрочной перспективе. В любом случае крайне важно избегать включения каких-либо (часто подсознательных) биологических предположений или заключений в идентификатор.Точно так же со временем меняются системы хранения и организация коллекций. Вместо того, чтобы строить взаимозаменяемые отношения и выводы в идентификаторе, идентифицируйте кость и ящик, в котором она сегодня находится, по отдельности; сохранять закодированное место сбора кости в базе данных, пересматривая координаты места, когда данные Глобальной системы позиционирования (GPS) заменяются данными о солнечном свете; и выявить отношения между костями, собранными на одном и том же месте с помощью экспериментов.

Наспех импровизированные или недавно неадекватные идентификаторы — это факт жизни, и они не могут быть преобразованы в стандартную схему в течение некоторого времени.Если какая-либо часть идентификатора объекта изменяется в базе данных (на этом сайте больше костей, чем у нас символов в идентификаторе!), Напечатайте новый идентификатор и его штрих-код на этикетке и прикрепите его к объекту, чтобы оба новых и старые ярлыки можно читать по мере необходимости. Поддержание актуальности этикеток с неизбежными изменениями в базах данных предотвращает путаницу, возникающую при сканировании старых этикеток в новые схемы данных, сводя к минимуму ремонт.

Как только схема идентификаторов разработана, создавать хорошие этикетки становится легко.Доступны как программы с открытым исходным кодом, так и коммерческие программы для генерации штрих-кодов, и легко написать свои собственные [9,10]. Напечатайте идентификатор крупным жирным шрифтом рядом со штрих-кодом на прочной этикетке или бирке, чтобы можно было с первого взгляда рассказать всю историю. Существуют различные материалы, бирки и этикетки, которые являются водонепроницаемыми, хорошо впитывают чернила, не размазываются и выдерживают экстремальные температуры и влажность, поэтому на планшеты и пробирки можно наносить штрих-коды.

Правило 5. Сделайте все самоидентифицирующимся

Любой штрих-код может быть искажен при сканировании или попадет в неправильное место в электронной таблице.Просмотр физического артефакта или файла данных может решить эти проблемы, но только в том случае, если эти вещи самоидентифицируются. Самоидентификация может быть такой же простой, как описательные имена каталогов и файлов, включая имена файлов в качестве первой строки в текстовых файлах или фотографирование помеченного контейнера или стойки с пробирками. Хотя коллизии пространств имен могут происходить с описательными именами, они гораздо более разборчивы, чем случайные строки. Современная запись защищает от всех ошибок, кроме неправильной маркировки оригинала.

Правило 6.Используйте контроль версий и резервное копирование.

Электронные лабораторные записные книжки доступны как в версиях с открытым исходным кодом, так и в коммерческих, и некоторые из них могут достаточно хорошо вписаться в рабочий процесс группы, чтобы оправдать усилия и затраты на внедрение. Однако для многих может быть достаточно схемы каталогов с мнемоническими именами, электронных таблиц, текстовых файлов, контроля версий и массива RAID — и это является значительным улучшением. Контроль версий каталогов с данными и заметками ASCII — дешевый способ архивирования и отметки времени изменения, имитирующего электронные записные книжки, сохраняя при этом гибкость рабочего процесса.Он также обеспечивает максимальную защиту от жирных пальцев, усталости и забывчивости. Вызов сценариев экспорта и резервного копирования из задания cron или большого зеленого «архива сейчас»! Кнопка уменьшает контроль со стороны человека.

Правило 7. Автоматизируйте приклеивание поверх очистки

Обычно не стоит вкладывать средства в сложное исправление ошибок, выходящее за рамки существенного переформатирования. Многие ошибки уникальны и исчезают с практикой очистки данных. Очистка болезненна даже с макросами, но она учит минимизировать ошибки сбора, увеличивает внимание к экспериментальным деталям и создает еще одну возможность проверить скрытые существенные ошибки.Скорее автоматизируйте преобразование и архивирование данных и время от времени просматривайте характерные ошибки. Аналогичный принцип применяется к данным, генерируемым на объектах с высокой пропускной способностью. Если его менеджеры послушны, автоматизация передачи данных от объекта к конечному устройству хранения экономит время и сокращает количество ошибок.

Правило 8. Интегрируйте бумагу

Многие мозги, даже молодые, более свободно думают перед бумагой (или доской), чем с экранами. Сфотографируйте или отсканируйте их, сделав перекрестные ссылки на изображения в том, что группа использует для электронных записных книжек, и занесите их в соответствующие каталоги.Группы, которые используют лишь несколько видов стационарных устройств, могут извлечь выгоду из перехода на бумажные записные книжки с произвольными точками или сеткой и ручки для записи, но это может оказаться слишком ограничительным или дорогостоящим для других. Не забывайте о другой форме «бумаги», которая создается путем размышлений вслух, и фиксируйте это с помощью аудиозаписей. Все распространенные операционные системы смартфонов и планшетов запускают бесплатные приложения для записи голоса. Некоторые группы могут успешно использовать системы преобразования речи в текст для сбора данных.

Правило 9. Подготовка к извлечению метаданных

Заголовки полей электронной таблицы, атрибуты базы данных и текстовые примечания являются грубыми метаданными.Помещение их в базу данных, которая индексирует их местоположение, облегчит окончательное извлечение и позволит отслеживать другую информацию легче, чем рекурсивные greps. Советы не должны быть красивее текстового поля в форме, сценария, анализирующего файл CSV или Excel, или имен файлов PDF на страницах бумажной записной книжки, описывающих метод эксперимента [11]. Также доступны более сложные инструменты, которые встраивают коллекцию метаданных в шаблоны электронных таблиц [12]. Следите за повторяющимися фразами, которые являются хорошими кандидатами в метаданные.

Правило 10. Только биологи знают наверняка

Более сложная часть метаданных — обеспечить соответствие фактической и заявленной семантики данных. Об этом знает только экспериментатор, и периодическое обсуждение откроет важную подсознательную информацию. Отсюда следует, что определения терминов метаданных должны быть доступны в момент ввода. Поле для произвольной вставки текста позволяет фиксировать и анализировать возникающие потребности при более тесном сотрудничестве.

Следует ли использовать существующие стандарты, онтологии и метаданные (вставка 2)? Конечно, если эти соглашения стабильны, уловите то, что экспериментатор должен сказать, и экспериментатор согласится с семантикой соглашения.Онтологии в быстро меняющихся, нечетко определенные термины или странные группы традиционной номенклатуры не являются хорошими кандидатами для описания экспериментов. Затем особенно важно записать, как экспериментатор описывает эксперимент и его данные, и передать эту информацию онтологам, чтобы у них было больше возможностей для изучения, в то время как вы вместе используете их для определения новых метаданных. Поскольку сложные данные накапливаются в общедоступных ресурсах, эти ресурсы должны будут управлять миграцией онтологических терминов.На данный момент свободный текст кажется лучшим руководством для точной миграции, хотя и самым медленным.

Вставка 2. Взгляд на пейзаж

Пропасть разделяет практики во многих лабораториях и исследования семантики и происхождения данных и вычислений, систем рабочего процесса, электронных записных книжек и группового ПО. Помимо простых правил, масштабируемое преодоление разрыва потребует объединения сегодняшних достижений в гибкие, прозрачные и функционально совместимые экосистемы приложений, которые удовлетворяют потребности экспериментаторов, которые ощущают .Конечно, мы видели этот ландшафт и раньше: дальновидной системой, которая решала многие из этих проблем, была система сообщества червей начала 1990-х [17,18]. Возможно, следующий отрывочный список может стимулировать некоторое сотрудничество.

Метаданные и происхождение

В правилах я сделал акцент на приобретении происхождения, обошел стороной формализацию метаданных и проигнорировал сохранение и согласование происхождения [19–26]. Архивисты называют информацию о происхождении и семантике экспериментальных объектов, вычислений, наборов данных и анализируют «описательные метаданные» (содержание книги), отличая их от «административных метаданных», необходимых для использования ресурсов и управления ими (библиотечная запись книги).Однако многие желательные приложения будут прозрачно использовать оба понятия. Ранние успехи Дублинского ядра (административные метаданные), генной онтологии и файла макромолекулярной кристаллографической информации (mmCIF) (последние два, описательные метаданные) стимулировали идею о том, что метаданные будут естественным образом возникать из онтологий и обмениваться ими через Интернет [27– 29]. Результатом стал расцвет стандартов, обществ, онтологий и рабочих групп, каждая из которых была нацелена на определенный срез биологии. Большая часть этой работы теперь представлена ​​в аннотациях к базам данных, онтологиях и языках семантической паутины, а также в проектах, которые поддерживают и архивируют эти материалы [30–32].Тем не менее экспериментаторы рассматривают аннотации как данные, доступные только для чтения, и в основном не знают об остальной части инфраструктуры. Контрольный список методов Nature представляет собой интересное сочетание метаданных и информации о местоположении [33,34]. Это может дополнительно стимулировать работу по автоматическому извлечению научных описательных метаданных — и проверке результатов! — как это сейчас делается для библиографической административной информации [35-40]. Мы можем даже надеяться на день, когда наборы данных и вычисления будут иметь уникальные идентификаторы, скорее как DOI, что упростит построение цепочек происхождения в обоих смыслах.

Системы документооборота

Все больше и больше «мокрый стол» и вычислительная работа образуют единое целое, но современные системы рабочих процессов обращаются либо к части работы «мокрого стола», например, способности LabView соединять несколько инструментов и их данных, либо к вычислениям [41]. На данный момент связи между двумя сторонами в основном находятся в мозгу экспериментатора или в его или ее записных книжках. До сих пор исследования в основном касались важных технических деталей организации, отслеживания и управления данными, кодом, циклами и хранением [42–47].Предпринимаются героические усилия, чтобы стимулировать принятие условными сообществами пользователей каждой системы, но потребность в героизме предполагает, что мы должны более внимательно наблюдать за многими экспериментаторами, чтобы раскрыть их желания и сомнения.

Электронные записные книжки и групповое ПО

Кросс-грамотное программирование, ведение документации, управление проектами и текстовые редакторы. Их детище варьируется от бесплатного ipython notebook и emacs org-mode с открытым исходным кодом, предназначенного для отдельных исследователей, до коммерческих систем для групп, облачных редакторов, таких как Evernote и SimpleNote, до обработки групповых документов в вики, GoogleDocs или SharePoint. [48–51].Они сильно различаются в своей поддержке всех упомянутых желаний, равно как и потребности исследовательских групп в этих хороших вещах. Возможно, пришло время подумать о том, как открытые архитектуры могут формировать модульные, нишевые среды, которые также облегчат экспериментаторам путь к осмысленным вычислениям.

Благодарности

Я глубоко благодарен своим ученикам, которые проверили эти идеи в полевых условиях и в лабораторных условиях и заставили их неуклонно совершенствоваться, часто несмотря на трудности. Ни одна из этих работ не была бы возможна без моих коллег по кукурузе в Миссури и во всем мире, которые терпеливо обучали меня основам генетики кукурузы и их системам управления.Санда Эрделес, Дитлинд Герлофф, Дерек Келли, Джанет Келсо, Мак, Сьюзен Мелиа-Хэнкок, Хизер Мулейсон, Брайан Питтс, Мэри Шеффер, Энн Стэплтон, Винни и Уильям Уайз внесли много полезных советов и совершенно безупречны.

Ссылки

1. 1. Бегли К.Г., Эллис Л.М. (2012) Повышение стандартов доклинических исследований рака. Природа 483: 531–533. pmid: 22460880
2. 2. Блоу Н.С. (2014) Простой вопрос воспроизводимости. Биотехники 56: 8.pmid: 24592483
3. 3. Гариджо Д., Киннингс С., Се Л., Се Л., Чжан И и др. (2013) Количественная оценка воспроизводимости в вычислительной биологии: случай другого туберкулеза. PLoS One 8: e80278. pmid: 24312207
4. 4. ФГЭД (2015-настоящее время). МАЙАМ. Минимум информации об эксперименте с микрочипом. Общество данных функциональной геномики. http://fged.org/projects/miame/
5. 5. Санчес-Виледа Х., Шредер С., Полакко М., МакМаллен М., Хаверманн С. и др.(2003) Разработка интегрированной системы управления лабораторной информацией для проекта картирования кукурузы. Биоинформатика 19: 2022–2030. pmid: 14594706
6. 6. Эрнандес де Диего Р., Бойш-Чова Н., Гомес-Кабреро Д., Тегнер Дж., Абугессаиса И. и др. (2014) STATegra EMS: система управления экспериментами для сложных омических экспериментов следующего поколения. BMC Sys Biol 8 (Приложение 2): 59.
7. 7. Sandve GK, Nekrutenko A, Taylor J, Hovig E (2013) Десять простых правил для воспроизводимых вычислительных исследований.PLoS Computational Biology 9: e1003285. pmid: 24204232
8. 8. Гудман А., Пепе А., Блокер А.В., Боргман С.Л., Кранмер К. и др. (2014) 10 простых правил хранения научных данных. PLoS Computational Biology 10: e1003542. pmid: 24763340
9. 9. Рубини A (1999 – настоящее время) Штрих-код GNU. http://www.gnu.org/software/barcode/. Фонд свободного программного обеспечения.
10. 10. Казич Т. (2006 – настоящее время) Добро пожаловать на сайт maizelesions.org! http: //www.maizelesions.org /. Университет Миссури, Колумбия.
11. 11. Уилсон, Д. (2015-настоящее время) Таблица :: ParseExcel. http://search.cpan.org/~dougw/Spreadsheet-ParseExcel-0.65/lib/Spreadsheet/ParseExcel.pm
12. 12. Разработчики RightField (2008 – настоящее время) RightField. http://www.rightfield.org.uk.
13. 13. Neuffer MG, Calvert OH (1975) Имитирует доминирующее заболевание у кукурузы. J Наследственность 66: 265–270.
14. 14. Neuffer MG, Coe Edward H Jr, Wessler SR (1997) Мутанты кукурузы.Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор.
15. 15. Lamport L (1994) LaTeX: система подготовки документов. Reading MA: Addison-Wesley Publishing Co., второе издание.
16. 16. Artifex Software, Inc (с 1989 г. по настоящее время) Ghostscript. www.ghostscript.com: ghostscript.com.
17. 17. Schatz BR (1992) Создание электронной системы сообщества. J Managemt Info Sys 8: 87–107.
18. 18. Пул R (1993) Помимо баз данных и электронной почты.Наука 261: 841–843. pmid: 8346436
19. 19. Simmhan YL, Plale B, Gannon D (2005) Обзор происхождения данных в электронной науке. SIGMOD Rec 34: 31–36.
20. 20. Бунеман П., Дэвидсон С.Б. (2010) Источник данных — основа качества данных. Технический отчет, Пенсильванский университет, Филадельфия.
21. 21. Bowers S, McPhillips T, Ludäscher B, Cohern S, Davidson SB (2006) Модель происхождения данных, ориентированных на пользователя, в конвейерных научных рабочих процессах.В: International Provenance and Annotation Workshop (IPAW). Берлин: Springer Verlag. Lec . Примечания Comp . Sci . 4145: 133–147.
22. 22. Борн П.Е., Кларк Т., Дейл Р., де Ваард А., Герман И. и др. (2012 – настоящее время) Улучшение коммуникаций в области будущих исследований и электронных стипендий. http://www.force11.org/white_paper.
23. 23. Force11 (2014 – настоящее время) Force11. https://www.force11.org.
24. 24. Лебо Т., Саху С., МакГиннесс Д., Белхаджаме К., Чейни Дж. И др.(2013 – настоящее время) PROV-O: Онтология PROV. Рекомендация W3C от 30 апреля 2013 г. http://www.w3.org/TR/2013/REC-prov-o-20130430/. W3C.
25. 25. Данные в Insight Center (2014 – настоящее время) Данные в Insight Center. http://d2i.indiana.edu. Университет Индианы.
26. 26. Hedstrom M, Alter G, Kumar P, Inna K, McDonald RH и др. (2013) SEAD: интегрированная инфраструктура для поддержки управления данными в науке об устойчивости. В: Симпозиум по внедрению управления данными исследований CASC, 13–14 марта 2013 г., Арлингтон, Вирджиния.Арлингтон, Вирджиния: CASC, стр. http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.651719.
27. 27. Инициатива по метаданным Дублинского ядра (с 2014 г. по настоящее время) Инициатива по метаданным Дублинского ядра. Упрощение поиска информации. http://dublincore.org.
28. 28. Эшбернер М., Болл К.А., Блейк Дж. А., Ботштейн Д., Батлер Н. и др. (2000) Генная онтология: инструмент для объединения биологии. Nature Genet 25: 25–29. pmid: 10802651
29. 29. wwPDB, PDBx / mmCIF Dictionary Resources, Научно-исследовательское сотрудничество в области структурной биологии, 2015 г. — по настоящее время.http://mmcif.wwpdb.org/
30. 30. Пател-Шнайдер П.Ф., Хейс П., Хоррокс I (2004) Семантика языка веб-онтологий и абстрактный синтаксис OWL Раздел 5. RDF-совместимые модели. http://www.w3.org/TR/owl-semantics/rdfs.html. W3C.
31. 31. Национальный центр биомедицинской онтологии (2005) ОБО: открытые биомедицинские онтологии. http://obo.sourceforge.net/.
32. 32. Гобл С.А., Стивенс Р., Нг Джи, Беххофер С., Патон Н.В. и др. (2001) Прозрачный доступ к множеству источников биоинформатической информации.IBM Syst J 40: 532–552.
33. 33. Nature Publishing Group (2013) Контрольный список для статей по наукам о жизни. Природа 496: 398.
34. 34. Nature Publishing Group (2013) Контрольный список для статей по наукам о жизни. http://www.nature.com/authors/policies/checklist.pdf.
35. 35. Лин С., Нг Дж., Прадхан С., Шах Дж., Пьетробон Р. и др. (2010) Извлечение шаблонных и произвольных текстовых метаданных статей о клинических исследованиях с использованием условных случайных полей.В: Материалы второго семинара Лоухи NAACL HLT 2010 по интеллектуальному анализу текста и данных медицинских документов, Лос-Анджелес, июнь 2010 г. Лос-Анджелес: Ассоциация компьютерной лингвистики, стр. 90–95.
36. 36. Hespanha SR (2013 – настоящее время) Text Mining для онтологий (TMO). http://www.nceas.ucsb.edu/hespanha/srh/Projects/Entries/2013/2/22_text_mining_for_ontologies_%28TMO%29.html. NCEAS.
37. 37. Ржецкий А., Эванс Дж. А. (2011) Война миров онтологий: математика, компьютерный код или эсперанто? PLoS Computational Biology 7: e1002191.pmid: 21980276
38. 38. Бандровски А., Кашат Дж., Ли Й., Мюллер Х., Штернберг П. и др. (2012) Гибридный конвейер курирования человеческих и машинных ресурсов для Neuroscience Information Framework. База данных 2012: bas005. pmid: 22434839
39. 39. Функ С., Баумгартнер-младший, Гарсия Б., Родер С., Бада М. и др. (2014) Распознавание крупномасштабных биомедицинских концепций: оценка текущих автоматических аннотаторов и их параметров. BMC Bioinfo 15: 59
40. 40. Дутковски Дж., Крамер М., Сурма М.А., Балакришнан Р., Черри Дж. М. и др.(2013) Онтология генов, выведенная из молекулярных сетей. Nature Biotechnol 31: 38–45.
41. 41. National Instruments (2014 – настоящее время) Программное обеспечение для проектирования систем LabView. http://www.ni.com/labview/.
42. 42. iPlant Collaborative (2008 – настоящее время) iPlant Collaborative. Расширение возможностей новой биологии растений. http://iplantcollaborative.org/. Лаборатория Колд-Спринг-Харбор и Аризонский университет.
43. 43. Разработчики таверны (2007) Таверна. http: // таверна.sourceforge.net/?doc=download.html.
44. 44. myexperiment Разработчики (2014 – настоящее время) myexperiment. http://www.myexperiment.org/.
45. 45. Сотрудничество Кеплера (2007) Проект Кеплера. http://kepler-project.org.
46. 46. Разработчики LONI (2014 – настоящее время) LONI Pipeline. http://pipeline.loni.ucla.edu/.
47. 47. Разработчики DataONE (2014 – настоящее время) DataONE. Сеть наблюдения за данными для Земли. http://www.dataone.org/.
48. 48.Шульте Э., Дэвисон Д. (2011) Активные документы с организационным режимом. Comput Sci Eng 13: 66
49. 49. Перес Ф., Грейнджер Б.Е. (2007) ipython: система для интерактивных научных вычислений. Comput Sci Eng 9: 21–29.
50. 50. Команда разработчиков iPython (2014 – настоящее время) iPython Notebook. http://ipython.org/notebook.html.
51. 51. Джайлз Дж. (2012) Безбумажный подход: цифровая лаборатория. Природа 481: 430–431. pmid: 22281576

Как зарегистрироваться для экспериментов — Психология

Как зарегистрироваться для экспериментов

Чтобы просмотреть доступные эксперименты, откройте «Лист регистрации для участия в исследованиях» для текущего семестра (который находится на Google Диске и будет доступен вам по окончании периода добавления).Этот документ будет использоваться в качестве электронного регистрационного листа для ВСЕХ экспериментов, проверенных и одобренных отделом, и будет предоставлен членам класса после закрытия набора. На главной странице Moodle также есть ссылка на случай, если вы ее забудете.

Внизу документа есть несколько вкладок с названиями экспериментов. Щелкните вкладку, чтобы просмотреть эксперимент. Не все вкладки будут заполнены, а вкладки с общими названиями, такими как «Эксперимент 1», пусты и ждут добавления экспериментов.Когда исследование будет готово и активно ищется участников, название вкладки изменится на название исследования, и будут опубликованы инструкции по участию. Внимательно прочитайте информацию об эксперименте, внимательно ознакомившись с инструкциями по регистрации и любыми особыми требованиями, перечисленными исследователем. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Если вы заинтересованы в участии в этом исследовании, зарегистрируйтесь, как указано. Если в определенные дни указаны временные интервалы, добавьте свое имя или адрес электронной почты в свободное место, чтобы подписаться на исследование.

Пожалуйста, НЕ ДОБАВЛЯЙТЕ дополнительные временные интервалы, БЕЗ указаний исследователей, количество мест во многих исследованиях ограничено. Пожалуйста, не удаляйте других студентов, которые записались на исследование. Все изменения в документе отслеживаются по вашему логину и IP-адресу, и я смогу узнать, кто что и когда менял. В некоторых онлайн-исследованиях вас могут попросить щелкнуть ссылку, чтобы перейти к исследованию, или подписаться, чтобы получить ссылку по электронной почте, поэтому внимательно следите за инструкциями исследователей. Помните, что правила и политика академической чести также применимы к проведению исследований.

Обязательно завершите эксперимент, на который вы подписались: вы должны принять участие и заполнить электронную форму кредита на исследование, чтобы получить кредит. Если у вас есть какие-либо вопросы об эксперименте до или после участия, напишите исследователю по электронной почте.

Десять простых правил проведения экспериментов

Вставка 1. Наша практика до сих пор

Как компьютерный биолог, который также занимался генетикой кукурузы в течение последних девяти лет, я имею честь непосредственно испытать на себе реальность моих коллег-экспериментаторов, пока наблюдая, насколько хорошо — или нет! — мои вычислительные идеи решают практические проблемы происхождения экспериментов.Мы изучаем набор из ≈55 различных мутантов кукурузы, которые вызывают некротические или хлоротические поражения на ткани листьев [13,14]. Упаковываем отобранные семена для посадки; сажать в поле на исследовательских фермах или в горшках или лотках в теплице; многократно наблюдать не менее восьми различных фенотипов для каждого растения; опылять отобранными растениями; фотографировать листья in situ или ex situ; устно описать каждое мутантное семейство; собирать, лиофилизировать и замораживать образцы ткани листа для секвенирования ДНК; урожай и скорлупа опыленных колосьев; и подпилите кукурузу, чтобы ее было легко достать из холодильной камеры.Полевые данные собираются в форме изображений (стандартизированных или произвольных), таблиц электронных таблиц, аудиозаписей, свалок почасовых данных о погоде с местной записывающей станции и географических координат первой строки каждого поля.

Как мы применяем правила? Наша простая система происхождения для генетики кукурузы постепенно эволюционировала. Базовая система была разработана для первого урожая, и с коллегами по кукурузе было много споров о том, что и как они отслеживают их происхождение.Результат оказался очень универсальным и надежным, требующим лишь минимальных изменений, несмотря на меняющиеся обстоятельства каждой культуры и добавление других экспериментов, данных и типов объектов. Трудно количественно оценить надежность, но на данный момент система обработала примерно 5900 семейств кукурузы (4000 в активном использовании), 18000 изображений (включая дубликаты и тестовые снимки), 1000 образцов тканей и 430000 фактов (включая как первичные данные, так и обратные индексы). ). На протяжении многих лет мы добавляли эксперименты и экспериментальные протоколы, неоднократно меняли основное оборудование и на данный момент работали над проектом примерно с 20 студентами.Эти объемы малы по сравнению с объемами многих экспериментальных групп, особенно по кукурузе, но могут указывать на нашу экспериментальную среду.

Сердце нашей системы — уникальные идентификаторы. Каждый физический объект, который непосредственно участвует в производстве наших биологических материалов или для которого собираются данные, имеет уникальный идентификатор. Есть много типов объектов, и нам часто нужно знать, что делать быстро, поэтому мы используем мнемомические идентификаторы, которые различают каждый тип объекта и различают растения и их значение от оборудования.Стандартное оборудование поля и семенного отделения не отслеживается — степлеры, фартуки и лущилки взаимозаменяемы. Камеры и сканеры нет, поэтому у каждого есть отличительное название. Пока что объективы закреплены за камерами навсегда, а названия камер записываются как часть фотографических данных. Если бы мы поменяли линзы между камерами, было бы просто назвать линзы и их связи с камерами в системе происхождения, чтобы прошлые и настоящие данные были правильно аннотированы.

Каждое растение помечено прочной бумажной полосой со штрих-кодом и несколькими отрывными бирками, на каждой из которых напечатан идентификатор растения, штрих-код и сокращенный символический генотип.Идентификатор растения становится первичным ключом для всех табличных данных и семян этого растения, и это название растения в аудиоповествовании, связывающее генотипы, фенотипы, образцы и данные. Идентификаторы растений состоят из 15 символов и указывают год посадки, сезон, номер семейства, инбредный фон, если необходимо, а также номер ряда и номера растения для каждого растения. В идентификатор встроена избыточность, чтобы предотвратить потерю информации. Опыления помечаются отрывными бирками от растений, которые служат женскими и мужскими особями для данного скрещивания.Прикрепленные вместе к конверту с семенами, они идентифицируют очищенные семена для инвентаризации, извлечения и упаковки. Несколько человеко-дней, потраченных на маркировку тысяч растений каждой культуры, позволяют сэкономить много человеко-месяцев на сборе и проверке данных, управлении запасами и вычислениях.

Горшки, лотки, пакеты с семенами, колья, образцы тканей, коробки, рукава и пакеты с семенами — все получают уникальные шестизначные идентификационные штрих-коды с идентификаторами для каждого типа объектов, начинающимися с одной мнемической буквы.Все буквы, в том числе для инбредных линий, уникальны. Листья идентифицируются по относительной или абсолютной координате растения, в зависимости от эксперимента. Помимо идентификаторов листьев, автоматически генерируются все идентификаторы и их компоненты, что было извлечено на втором году полевых работ, когда идентификаторы для нескольких семей братьев и сестер были непреднамеренно дублированы.

Идентификаторы напечатаны крупным жирным шрифтом вместе с их одномерными штрих-кодами на этикетках или бирках.Ярлыки и теги создаются с помощью пользовательских сценариев и открытого кода [9,10,15,16]. Наша коллекция скриптов включает в себя код для создания отдельных тегов для замены тегов с изношенными, неразборчивыми штрих-кодами, тегов, спешно перепрофилированных с дочерних предприятий, и тегов с ретроспективно исправленными данными.

Каждое действие или датум , включающее объект со штрих-кодом, записывается путем сканирования штрих-кода в таблицу данных в электронной таблице либо в момент действия, либо вскоре после этого. Одновременный сбор данных — одна из наших лучших мер защиты от искаженных данных, позволяющая исправлять ошибки, пока объект или действие присутствуют немедленно.Это также помогает нам выявлять процедурные узкие места и операции, подверженные ошибкам, для улучшения процессов. Единственное исключение из правила одновременного сбора данных — это промежуточные формы данных, такие как фенотип возникающих повреждений или план опыления и фотографический план растения. Они хранятся на каждом растении в виде цветных бумажных скрученных лент, с датой и инициалами человека-счетчика, хранящимися на первом растении в ряду. (Мы записываем даты и счетчик каждого растения по мере необходимости, например, при определении начала фенотипов.Эти решения могут меняться по мере развития фенотипов и опытов, поэтому мы обычно фиксируем только окончательную оценку или намерение.

Большая часть данных собирается путем сканирования штрих-кодов в электронную таблицу, работающую на планшете, с помощью bluetooth-сканера размером со спичечный коробок. Типичные листья отобранных мутантных растений фотографируют для регистрации фенотипов и получения данных для их количественной характеристики. На других фотографиях сравниваются фенотипы среди семей и документируются сюрпризы.Аудиозаписи описаний полей, культур, семей и отдельных растений собираются в течение всего полевого сезона, ранее с помощью различных диктофонов, а теперь с помощью планшетов. Их транскрипция отстает, поэтому сейчас мы экспериментируем с программами преобразования речи в текст.

Преобразование данных из электронной таблицы в базу данных использует семейство сценариев и модулей Perl, включая библиотеку регулярных выражений. Поскольку наш механизм сбора данных перешел со сканеров меню на iPad и электронные таблицы, и по мере того, как студенты приходили и уходили, характерные ошибки, возникающие во время сбора данных, изменились.Мы выгружаем данные в виде файлов csv и вручную проверяем эти файлы перед их обработкой и вставкой их данных в базу данных. Каждый студент просматривает собранные данные, и мы также проверяем данные друг друга. Мы также выполняем различные апостериорные проверки, в зависимости от операции — убеждаясь, что каждый ряд и каждый пакет учтены при посадке, что все зарегистрированные и незарегистрированные опыления собраны, что каждый початок, используемый при опылении, уникален и т. Д. В системе происхождения используется набор инструментов: декларативная база данных для управления урожаем и данными, включая расчеты родословных; emacs org-mode для ноутбуков лаборатории; git и tar для архивирования данных и кода ASCII; и сценарии Perl для создания тегов и меток, создания таблиц в организационном режиме со встроенными, легко видимыми вычислениями, а также для преобразования данных из дампов электронных таблиц и организационных файлов в базу данных.Все типы файлов копируются на два физически разных RAID-массива. Экспериментальная система происхождения была разработана раньше нашей системы для вычислений и анализа, поэтому они взаимодействуют на нескольких уровнях, не образуя монолит.

Изображения, файлы, имена файлов и каталогов — все самоидентифицируемые. Наши изображения листьев включают ярлык со штрих-кодом от растения, отмеченный номером листа. (Эта практика неоднократно спасала данные от ошибок сканирования.) Все файлы ASCII начинаются со строки, которая включает полный путь к файлу.Файлы или приращения данных, создаваемые кодом, включают комментарии, определяющие имя производящего файла или функции, исходный файл для данных и временную метку производства. Имена файлов для аудиозаписей теперь описательны, поскольку мы собираем их с помощью планшета, а не диктофона. Имена в деревьях каталогов носят описательный характер; Имена камер и сканеров составляют часть дерева каталогов для первичного хранилища данных, помогая нам быстро находить данные, указанные в таблицах. Наша лабораторная записная книжка раньше представляла собой набор физических записных книжек и файлов ASCII.Недавно мы перешли на emacs org-mode, который упрощает управление проектами и их публикацию, а также письменные рассказы. Мы фотографируем доски, странности и бумагу, делая перекрестные ссылки на изображения в наших файлах организационного режима и сохраняя их в тех же каталогах, что и работа, на которую они ссылаются. Время от времени мы записываем разговоры, и они имеют перекрестные ссылки и сохраняются таким же образом.

Семантика данных и вычислений находится в именах предикатов и аргументов и комментариях в файлах, но более сложная семантика все еще существует в текстовых файлах или в моем мозгу.Наш следующий рубеж — это более легкое вычисление наших метаданных, начиная с экспериментальных изображений, предназначенных для публичного размещения. Текущие онтологии обозначают лишь небольшую часть того, что мы считаем важным, но это может измениться в будущем.

Руководство по измерению и регистрации параметров окружающей среды для экспериментов в теплицах | Методы для растений

Из-за пространственных и временных колебаний окружающей среды теплицы все измерения следует проводить в максимально возможном количестве мест и как можно чаще, предпочтительно непрерывно.При использовании системы регистрации данных частота измерения может быть выше частоты записи. В этом случае важно сообщить, какой тип обработки использовался (например, интервалы сканирования и усреднения) для записи данных. Следует указать следующие точки: (1) расположение (а) датчика или точка (точки) отбора проб, без наддува или экранирования (рис. 3), (2) среднее и стандартное отклонение измерений и (3) метод и частота. калибровки датчика (таблица 2).

Блок датчиков с аспирацией, подвешенный по центру на открытом воздухе для регистрации параметров окружающей среды.Датчики расположены внутри коробки , в то время как воздух постоянно проходит через коробку . Необходимо указать тип и местоположение датчика (, поле ), а также частоту отбора проб и детали интеграции данных.

В таблице 2 перечислены два набора параметров. Минимальный набор включает рекомендуемый базовый набор параметров, которые следует измерять и регистрировать в ходе большинства экспериментов и сообщать в публикациях.Дополнительный набор включает параметры, которые могут быть измерены и сообщены при условии наличия соответствующих датчиков и параметров, соответствующих типу проводимого эксперимента. Он также включает в себя параметры, которые будут содержать метаданные (описывающие содержимое и контекст файлов сохраненных данных), хранящиеся у менеджеров объекта и доступные пользователям при необходимости.

Излучение

Измерения

Поскольку человеческий глаз является неточным датчиком для количественной оценки света, необходимы датчики для измерения радиационной среды внутри теплиц, которая постоянно колеблется из-за ежедневных и сезонных изменений солнечной высоты, степени облачности и т. Д. и тени от конструктивных элементов и подвесного оборудования [15, 16].Кроме того, поток и спектр излучения изменяются при измерении в разных местах в пределах растительного покрова. Если светопропускание в растительном покрове не является предметом исследования, PAR и его интегральная составляющая следует измерять в верхней части растительного покрова, при этом убедившись, что никакие части растительного покрова не затеняют датчик. Местоположение верхней части кроны растений следует указывать относительно неподвижного объекта в теплице (например, пола или нижней части дополнительных осветительных приборов).

Когда для выращивания сельскохозяйственных культур используется комбинация солнечного света и дополнительного света, важно определить количество общего света, обеспечиваемого каждым источником.Если этого не сделать, повторить эксперимент в аналогичных условиях практически невозможно. Солнечное излучение может быть изменено, поскольку оно проходит через материал облицовки теплицы и / или взаимодействует с растительным покровом. В результате могут происходить изменения в количестве УФ и / или соотношении R: FR, и их следует отслеживать и сообщать, когда они влияют на рост и / или развитие растений.

При проведении экспериментов по дополнительному или световому освещению исследователи должны осознавать влияние, которое эти методы обработки могут оказать в результате непреднамеренного попадания света на соседние секции теплицы.Возможно, потребуется использовать занавески для экранирования экспериментальных участков.

Дополнительные датчики внешнего излучения часто используются для сравнения радиационной среды внутри и снаружи теплицы. Это сравнение предоставляет информацию о передаче излучения через конструкцию теплицы. Внешнее излучение также может использоваться в качестве входных данных для стратегии борьбы с парниковым эффектом [15, 16].

Источники света

В дополнение к солнечному свету, типичные источники излучения парниковых газов включают: натриевые лампы высокого давления (HPS), галогениды металлов (MH), лампы накаливания (INC), люминесцентные (FL) лампы и светоизлучающие диоды (LED).Каждый источник излучения имеет свой собственный уникальный спектр излучения, который может приводить к уникальным реакциям растений [17]. Поэтому важно указать тип дополнительного источника излучения, который использовался, каков был его спектральный выход (особенно, когда он необычный) и смесь (%) по мощности любого смешанного источника. Также важно указать продолжительность периода дополнительного освещения.

Влияние на рост растений

Скорость фотосинтеза по определению зависит от количества фотосинтетически активной радиации (ФАР), поглощаемой пологом растения.При измерении PAR исследователи должны учитывать точку компенсации света (где чистая скорость фотосинтеза становится положительной) и уровень насыщения, связанный с условиями окружающей среды и исследуемыми видами растений [15, 17]. В большинстве случаев полезно указывать относительный вклад солнечного света и дополнительного света в достигнутый дневной интеграл света.

Влияние на развитие растений

Для многих видов растений, особенно декоративных, изменение продолжительности светового дня может вызвать физиологические реакции (например,г. инициирование цветка). Следовательно, важно указать длину установленного фотопериода, а также метод, использованный для реализации фотопериода (например, с затемняющей завесой или с дополнительным освещением). При увеличении естественной продолжительности светового дня или обеспечении ночного перерыва следует указывать источник света, его поток и спектр излучения, а также время начала и продолжительность периода освещения, особенно если он отличается от источника дополнительного света для роста.

Влияние на морфогенез растений

Для некоторых видов растений спектральные характеристики излучения могут влиять на морфологию (например,г. удлинение междоузлий, вращение цветка к солнцу). Когда эти морфологические изменения влияют на рост и развитие, соответствующие спектральные характеристики должны быть количественно определены и представлены в отчете.

Температура

Измерения

Температура воздуха в теплице определяется внешней температурой, входящей и исходящей радиацией, радиационной, кондуктивной и конвективной теплопередачей, связанной с конструкцией, а также работой системы отопления и охлаждения теплицы.Значительные пространственные и временные колебания могут быть результатом дневных или сезонных изменений внешних условий. Что касается измерений излучения, элементы конструкции могут создавать тени, которые могут (временно) влиять на измерения температуры. Кроме того, эти колебания могут быть результатом стратегии управления, используемой для поддержания условий в помещении, включая систему отопления, вентиляции и охлаждения, а также системы внутренней циркуляции воздуха, такие как горизонтальные вентиляторы или распределительные системы из перфорированных полиэтиленовых труб (полиэтиленовые трубы). .Во время вентиляции и охлаждения (особенно при использовании испарительной охлаждающей подушки или охлаждения туманом) обычно наблюдаются значительные температурные градиенты от входа воздуха к выходу. Сведение к минимуму этих градиентов требует понимания схем воздушного потока, возникающих в результате работы системы вентиляции и / или дополнительной внутренней рециркуляции воздуха. В результате необходимы непрерывные измерения, желательно в нескольких местах, чтобы оценить средние температурные условия, в которых находятся растения.Если можно контролировать только одно место измерения, следует внимательно выбирать наиболее подходящее место для размещения датчика (обычно рядом с пологом в центре зоны выращивания).

Поддержание оптимальной температуры корневой зоны может иметь решающее значение для своевременного и / или максимального производства многих видов растений. Для этих видов растений температуру корневой зоны следует измерять и регистрировать по крайней мере в одном, но предпочтительно в нескольких репрезентативных местах. Можно ожидать вертикальных градиентов температуры, которые обычно более значительны, когда растения выращивают на полу, независимо от того, отапливается этот пол или нет.Для гидропонных систем следует указывать температуру (рециркулирующего) питательного раствора.

Влияние на рост растений

Скорость химических реакций обычно увеличивается с температурой. Внутри растений большинство химических реакций, включая фотосинтез, осуществляется ферментами. Следовательно, скорость реакции часто снижается выше оптимальной, поскольку высокие температуры повреждают ферменты. Многие растения производят составы для защиты от высоких и низких температур. С другой стороны, у некоторых видов растений экстремальные температуры могут привести к аномальным морфологическим характеристикам.В некоторых случаях полезно записывать не только среднюю температуру и стандартное отклонение, но также максимальные и минимальные значения, которым подвергались растения. Для выращивания полевых культур (например, кукурузы — Zea mays L.) в теплицах следует указать расчет единиц тепла для сельскохозяйственных культур (градусо-дни и соответствующая базовая температура).

Влияние на развитие растений

Для многих видов растений, особенно декоративных, изменения температуры могут вызывать физиологические реакции (например,г. инициирование цветка). Для этих видов растений важно указать максимальную температуру, зафиксированную в течение светового периода и в ночное время.

Газы (включая водяной пар)

Водяной пар (H

№ Описание Водяной пар — это газовая фаза воды, которая может образовываться при испарении или кипении воды или при сублимации льда. Водяной пар будет конденсироваться на другой поверхности только тогда, когда эта поверхность холоднее, чем температура точки росы, или когда равновесие водяного пара в воздухе было превышено.Когда водяной пар конденсируется на поверхности, на этой поверхности происходит чистое нагревание. Когда водяной пар испаряется с поверхности, на этой поверхности и / или в окружающем воздухе происходит чистое охлаждение. Конденсация водяного пара на поверхности растений должна быть сведена к минимуму, чтобы не увеличивать количество болезней и вредителей. У растений потеря воды из устьиц за счет испарения и диффузии называется транспирацией. Следует избегать чрезмерного испарения, так как это может вызвать увядание.

Измерения Концентрации водяного пара обычно измеряются в воздухе внутри и вокруг растительного покрова.Количество водяного пара, присутствующего в воздухе теплицы, можно выразить по-разному: хотя относительная влажность является функцией температуры и, следовательно, является менее желательным параметром для отчетности, это параметр, который чаще всего используется для выражения содержания влаги в воздухе теплицы. . Многие культуры хорошо растут при относительной влажности от 50 до 80%. Оптимальные значения дефицита давления пара (VPD) для большинства видов растений находятся в диапазоне от 0,8 до 1,0 кПа. Небольшие значения VPD указывают на влажные условия, затрудняющие транспирацию растений.Большие значения VPD указывают на засушливые условия, в результате чего растения подвержены увяданию. Хотя многие исследователи сообщают об относительной влажности, наблюдаемой и / или поддерживаемой во время их экспериментов в теплицах, более целесообразно использовать VPD из-за его независимости от температуры и поскольку она является движущей силой транспирации.

Двуокись углерода (CO

Описание CO ₂ — это следовой газ, содержащий примерно 0.040% (по объему) атмосферы Земли. CO ₂ токсичен для человека при более высоких концентрациях: 1% может вызвать сонливость, более 5% опасен. Во время фотосинтеза растения, водоросли и цианобактерии поглощают углекислый газ, солнечный свет и воду с образованием углеводов и кислорода в качестве отходов. Во время (темнового) дыхания растения обращают этот процесс вспять, поглощая кислород и выделяя углекислый газ. В теплицах концентрация CO ₂ может стать ограничивающим фактором для фотосинтеза в условиях высокой освещенности, что требует соответствующей вентиляции или активного обогащения.

Измерения Концентрации углекислого газа обычно измеряются в воздухе внутри или вокруг растительного покрова. Когда требуется подробная информация о фотосинтезе и / или дыхании, необходимы непрерывные измерения. Поскольку для точных измерений CO ₂ требуется дорогостоящее оборудование, на один датчик можно подавать пробы воздуха из разных мест и / или разных секций теплицы. Эти пробы воздуха могут быть последовательно поданы к датчику с помощью блока обработки газа (секвенсора).Показания могут быть сохранены с помощью систем сбора данных (регистраторов данных). Калибровку сенсора можно выполнить с помощью тщательно подготовленных калибровочных газов. Рекомендуется выполнять калибровку не менее чем при двух концентрациях: одна на нижнем конце диапазона измерения, а вторая — на верхнем. В зависимости от типа датчика колебания температуры (например, из-за колебания воздействия солнечного излучения) могут влиять на измерения. В этом случае датчики должны быть защищены от таких колебаний.

Кислород (O

Описание В растворах питательных веществ для растений концентрация растворенного кислорода может быть важным показателем способности корней дышать. Аналогичным образом, в среде для укоренения пористость (объемная доля порового пространства) используется как индикатор наличия O ₂ в корневой зоне.

Измерения Концентрация кислорода в воздухе теплицы не часто вызывает беспокойство и поэтому почти никогда не измеряется.Когда растения выращивают в среде для укоренения, доступность кислорода к корням часто оценивают путем определения объемной доли порового пространства среды. В питательных растворах доступный для корней кислород оценивается путем измерения концентрации растворенного кислорода. Измерение концентрации растворенного кислорода зависит от температуры питательного раствора: чем теплее раствор, тем меньше в нем кислорода. Таким образом, когда температура питательного раствора не контролируется, необходимы частые измерения.Концентрация растворенного кислорода, находящаяся в равновесии с концентрацией кислорода в воздухе над раствором, называется концентрацией насыщения.

Влияние газообразных загрязнителей на рост и развитие растений

Сообщается, что различные газообразные загрязнители, некоторые в очень малых количествах, оказывают негативное воздействие на рост и развитие растений, особенно в контролируемой среде, когда скорость вентиляции ограничена. Многие пластмассы, краски, герметики, клеи и т. Д. Со временем выделяют химические соединения, которые могут привести к кумулятивным эффектам.Химические вещества, используемые в теплицах и вокруг них, также могут выделять вредные соединения. Высокие температуры, вызванные солнечным излучением или неэффективным преобразованием энергии (например, в электрических компонентах), могут увеличить выброс газообразных загрязнителей (например, NO _x , SO _x ). Некоторые виды растений очень чувствительны к газообразному этилену, известному растительному гормону, который выделяется, например, из-за неправильно работающих систем отопления для сжигания. Люди, выдыхающие CO ₂ , могут значительно увеличить концентрацию CO ₂ в окружающей среде, особенно в небольших помещениях.Наиболее эффективная стратегия снижения воздействия газообразных загрязнителей — это минимизация использования материалов, выделяющих (летучие) химические вещества, и поддержание адекватной скорости вентиляции. Для точных измерений (небольших) количеств газообразных загрязнителей может потребоваться дорогостоящее оборудование (например, газовый хроматограф).

Жидкая вода

Технические характеристики

Содержание воды в среде для укоренения может быть выражено через объем, массу, заполненное поровое пространство, матричный (матричный) потенциал или водный потенциал.Перенос и удержание воды в среде выращивания или в почве важны для количественной оценки.

Состав поливной воды, включая pH, щелочность, электропроводность, общее количество растворенных твердых веществ или соленость, может иметь огромное влияние на рост растений. Источник воды может повлиять на состав / содержание воды и, как следствие, на рост растений. Кроме того, температура воды может влиять на рост растений, а также на растворенные в воде газы, например содержание растворенного кислорода.

Измерения

В системах беспочвенного культивирования, например гидропоника, измерение свойств воды обычно не вызывает затруднений. В почвенных системах культивирования можно использовать так называемый проточный метод для оценки характеристик водной фракции корневой среды. В каждом случае предполагается, что характеристики воды во всей системе одинаковы. Это предположение может быть или не быть разумным.

Следует записать электрическую проводимость (См ⁻¹ ) и pH, а также источник воды, например.г. грунтовые воды, речная / ручная вода, очищенная вода (например, питьевая вода от местной водопроводной компании), деионизированная / дистиллированная вода, дождевая вода, собранная с крыши, в том числе включает ли она оборотную воду из теплицы (например, конденсат).

При контроле содержания влаги в почве или водного потенциала почвы следует сообщать подробные сведения о контрольном интервале и точности [пропорции (%) времени, в течение которого контрольный параметр оставался в пределах контрольного интервала] контроля.

Следует записывать температуру воды для полива (особенно если она меняется в течение дня).Частота измерения должна отражать вероятность отклонения. Следует указать скорость подачи поливной воды на квадратный метр / горшок, частоту (время) и стратегию полива. Следует сообщить о судьбе поливной воды, т. Е. О том, может ли избыток стечь или он будет рециркулирован.

Влияние на рост растений

Вода — самый крупный компонент растений, обычно составляющий 70–95% от массы свежего растения и обеспечивающий форму и жесткость за счет положительного тургорного давления.Тургорное давление также приводит к удлинению клеток. Вода — это транспортная среда для перемещения питательных веществ из почвы в растения. Испарение воды из устьиц обеспечивает охлаждение и предотвращает перегрев листьев. Количество доступной воды может повлиять на начало цветков, вегетативный рост и размер плодов / листьев.

Влияние на развитие растений

Уменьшение содержания воды в растении на 10% может сильно повлиять на рост растений. Недостаток воды может снизить жесткость растений, уменьшить разрастание листьев и привести к необратимому повреждению тканей растения.

Питательные вещества

Описание

Для правильного роста и развития растениям необходимы неорганические питательные вещества (удобрения) [18, 19]. Типичное содержание в растениях в процентах от сухой массы для C, H и O составляет приблизительно 41, 6 и 42% соответственно. Все остальные важные питательные вещества (оставшиеся 11%) обычно поступают в среду для укоренения, поэтому они могут поглощаться корнями. Эти важные питательные вещества делятся на две группы: макро (или основные) и микро (или второстепенные) питательные вещества в зависимости от количества, необходимого для растения.Макроэлементы включают N, P, K, Ca, Mg и S. Микроэлементы включают Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl, Co и Ni, и некоторые из них требуются только в очень малых количествах. суммы. Когда питательные вещества вводятся (дозируются) как часть ирригационной системы, их необходимо растворять в воде в виде ионов (за некоторыми исключениями, например, мочевина и борная кислота). Когда питательные вещества поставляются в твердой форме (например, в виде удобрений с медленным высвобождением, которые вводятся в среду для укоренения или помещаются поверх нее), их необходимо растворить, прежде чем они будут поглощены корнями.В некоторых случаях для подачи питательных веществ используются опрыскивание листьев.

Для внесения жидких питательных веществ, чтобы обеспечить смесь питательных веществ с правильными концентрациями, химические соединения с известным составом могут быть растворены в воде. Эти соединения коммерчески доступны в определенных составах и часто включают полный состав питательного состава. Химические вещества можно смешивать и растворять в концентрированном исходном растворе, но некоторые смеси могут вызывать осаждение (делая эти питательные вещества недоступными для растений).Этого можно избежать, используя два резервуара для хранения, каждый из которых содержит разную смесь соединений, не образующую осадка.

pH водной фракции корневой среды влияет на доступность питательных веществ для усвоения растением. Следовательно, pH обычно контролируется регулярно и регулируется в относительно узком диапазоне (например, ± 0,2).

Измерения

Состав, дозировка и частота внесения питательных веществ должны регистрироваться в начале эксперимента и в любое время при корректировке норм.Рекомендуемые измерения водной фракции корневой среды описаны ранее в разделе «Вода». Когда это имеет отношение к исследованию, следует сообщать результаты анализов питательных веществ, а также методы, использованные для анализа образцов. Результаты анализа тканей растений можно использовать для проверки / корректировки внесения питательных веществ.

Влияние на рост и развитие растений

Когда растения не получают необходимых уровней питательных веществ, могут появиться специфические симптомы дефицита или токсичности [19].Эти симптомы специфичны для растений и часто коррелируют с уровнем дефицита или токсичности. Эти симптомы включают, помимо прочего, обесцвечивание, появление пятен, мертвых тканей, аномального развития и задержки роста. Роль различных питательных веществ в росте и развитии растений широко изучена, но еще не всегда полностью изучена.

Структура теплицы, система выращивания и система / стратегия экологического контроля

Радиация

Конструкция Конструкция теплицы и ее ориентация (обычно выражаемая как ориентация гребня относительно севера) оказывают значительное влияние на пропускание солнечной радиации [15, 20].В частности, они определяют размер, форму и движение теней по области выращивания. Из структурных элементов материал остекления будет иметь наиболее значительное влияние на поток излучения и спектральное распределение, достигающее растительного покрова. Следовательно, необходимо указать ориентацию теплицы и особенности конструкции, включая тип материала для остекления и то, был ли добавлен затеняющий состав. Обратите внимание, что скопление пыли или грязи на стекле может снизить пропускание света, но эту проблему можно свести к минимуму путем периодической очистки.Поскольку физические свойства некоторых облицовочных материалов могут изменяться со временем, рекомендуется сообщать о возрасте материала и его общем состоянии. В тех случаях, когда существуют долгосрочные данные, может быть полезно указать средний коэффициент пропускания излучения как долю (%) внешнего излучения.

Система выращивания Пространственная однородность излучения, исходящего от дополнительных систем освещения, меньше, чем у солнечного излучения. Исследователи должны количественно оценить и сообщить об этой однородности, чтобы можно было оценить ее влияние на рост и развитие растений [15, 16].Дизайн и управление системой выращивания также могут влиять на радиационную среду: дизайн и расположение поверхности для выращивания (например, скамейки, пол и характеристики их поверхности), наличие верхнего оборудования и / или растительного материала, а также количество повторных интервалов или перемещений во время эксперимента.

Система контроля окружающей среды Работа дополнительной системы освещения и / или затемнения будет иметь значительное влияние на радиационную среду.Следовательно, следует сообщать операционные процедуры и стратегии контроля. Следует также указывать проектные характеристики, но предпочтительно измеренные величины (например, поток излучения, степень затенения).

Температура

Конструкция Конструкция теплицы, в частности тип облицовочного материала (стекло, жесткий пластик или пленка), будет иметь значительное влияние на ее теплопередачу [5, 20]. Поэтому следует указать тип материала для облицовки теплицы.Поскольку физические свойства некоторых облицовочных материалов меняются со временем, рекомендуется сообщать о возрасте материала и его общем состоянии.

Системы отопления, вентиляции и охлаждения В зависимости от типа исследования и полезности данных для других областей исследования может быть полезно сообщить о типе системы отопления, ее максимальной мощности и реализованной стратегии управления. Кроме того, следует сообщить информацию о дополнительных мерах, реализованных для улучшения распределения энергии, таких как перфорированные полиэтиленовые трубы или вентиляторы с горизонтальным потоком воздуха.Типичные варианты обогрева теплицы включают принудительную подачу воздуха (например, обогреватели, воздушные печи), горячее водоснабжение (например, теплый пол и / или периметр и верхняя лучистая труба) и инфракрасные системы. Типичные варианты вентиляции включают естественную (с использованием боковых стенок и / или отверстий в крыше) и механическую (с использованием электрических вентиляторов и боковых отверстий) системы. Типичные (испарительные) системы охлаждения включают системы с вентилятором и туманом высокого давления.

Система выращивания Чтобы обеспечить однородную среду для выращивания растений, важно оценить распределение и изменчивость температуры.Необходимо указать количество и мощность (при определенном статическом давлении) всех вентиляторов. Также следует указать направление воздушного потока, чтобы оценить, могут ли присутствовать температурные градиенты. Несмотря на увеличенный воздушный поток для улучшения равномерности распределения температуры по всей теплице, система возделывания культур (особенно высоких культур) может иметь значительный эффект. Плотный навес может значительно уменьшить движение воздуха, а сильная транспирация растений может (локально) снизить температуру воздуха (преобразование явного тепла в скрытое).Эти факторы следует принимать во внимание и обсуждать при измерении и сообщении температуры воздуха в теплицах.

Система контроля окружающей среды Для экономии энергии и снижения частоты дыхания растений во многих теплицах используются разные заданные значения температуры в течение дня (фотопериод) и ночи [15, 16]. Эти температурные различия также можно использовать для контроля определенных стадий роста, например удлинение стебля.Определенные температурные режимы также могут использоваться для яровизации некоторых видов растений (что приводит к индукции прорастания или цветения). Для поддержания температуры в теплице можно применять различные стратегии контроля. Каждая система управления и стратегия используют свой метод (алгоритм управления) для достижения желаемого результата, что приводит к различным пространственным и временным распределениям температуры. Некоторые стратегии контроля преднамеренно позволяют температуре колебаться в зависимости от внешних условий при условии, что может быть достигнута некоторая среднесуточная температура.Из-за влияния различных систем и стратегий управления необходимо сообщать соответствующую информацию о системах и алгоритмах управления. Во всех случаях важно сообщать измеренные значения, а не заданные значения (рис. 4).

Системы экологического контроля теплиц разнообразны, и часто алгоритмы управления зависят от конкретного размера, структуры, ориентации и местоположения помещения. Следует сообщать соответствующую информацию о системе.

Газы (включая водяной пар)

Конструкция Герметичность (герметичность) тепличной конструкции влияет на концентрацию газа и водяного пара внутри. Внешние ветровые условия в сочетании с негерметичной конструкцией теплицы могут иметь дополнительное влияние на концентрацию газа и водяного пара. Герметичность конструкции теплицы можно оценить путем визуального осмотра на предмет утечек или трещин, с помощью методов выявления воздушного потока или изменений концентрации преднамеренно выпущенных индикаторных газов.Холодные поверхности остекления могут привести к конденсации (и, следовательно, к осушению), но образующиеся капли воды могут повредить молодые растения при падении вместо попадания в систему сбора.

Система выращивания Система выращивания (например, конструкции скамейки, допускающие или не допускающие вертикальное движение воздуха), а также объем и плотность растительного покрова могут иметь значительное влияние на распределение и равномерность концентрации газов в теплице.Системы распределения воздуха (например, вентиляторы с горизонтальным потоком воздуха или системы распределения из многотрубных труб) могут помочь распределить воздух и, таким образом, улучшить его однородность. Однако однородность распределения газа и водяного пара следует оценивать в пространстве и во времени, чтобы гарантировать, что указанные значения репрезентативны для условий, в которых находились все растения во время экспериментов.

Системы обогащения / удаления — водяной пар Водяной пар может быть добавлен или удален из окружающей среды теплицы с помощью увлажнителей или осушителей соответственно.Увлажнители производят капли воды различного размера в зависимости от их конструкции и режима работы. В идеале размер капель должен быть минимальным, чтобы ускорить испарение без смачивания тканей растений. Циркуляция воздуха часто используется для улучшения распределения увлажненного воздуха. Обратите внимание, что испарительное охлаждение с использованием системы подушек и вентилятора или системы тумана высокого давления увлажняет, а также охлаждает воздух теплицы. Осушение с использованием холодильного цикла для удаления водяного пара является энергоемким и, следовательно, дорогостоящим подходом.Вместо этого теплицы можно осушать, используя стратегию нагрева и вентиляции: нагретый воздух может удерживать больше влаги, которая затем удаляется с помощью вентиляции. Хотя для стратегии вентиляции и обогрева требуется энергия, преимущества могут перевешивать затраты.

Системы обогащения / удаления — диоксид углерода Обогащение диоксидом углерода может быть выполнено путем подачи (чистого) газа CO ₂ в зону выращивания. Газ CO ₂ может быть получен из различных источников: из испаренной жидкости CO ₂ , хранящейся в охлаждаемом контейнере под давлением рядом с парниковой площадкой, или в результате сжигания природного газа и выпуска (очищенных) выхлопных газов внутри теплицы.Равномерное распределение часто достигается путем распределения газа через небольшие надувные полиэтиленовые трубки, которые имеют небольшие отверстия по длине трубок. Типичные целевые концентрации обогащения в 2–4 раза превышают нормальную концентрацию в окружающей среде (примерно 750–1 500 мкмоль моль ^–1 ). Часто обогащение CO ₂ приостанавливается, когда пространство для выращивания необходимо проветривать для поддержания заданной температуры. Тем не менее, обогащение до определенной минимальной скорости вентиляции все же может быть полезным и привести к увеличению роста растений.

Системы обогащения / удаления — кислород Повышение концентрации растворенного кислорода в питательном растворе может быть достигнуто путем пропускания через раствор воздуха или чистого газообразного кислорода (например, с помощью воздушных камней). При использовании воздуха максимально достижимая концентрация растворенного кислорода по определению является концентрацией насыщенного кислорода (зависит от температуры). При использовании чистого газообразного кислорода максимально достижимая концентрация кислорода примерно в пять раз превышает концентрацию насыщения (поскольку воздух содержит примерно 21% кислорода).Не было продемонстрировано, получают ли растения выгоду от перенасыщенной концентрации растворенного кислорода в питательном растворе, но использование (под давлением) чистого кислорода обычно не требует дополнительной энергии для перемещения газа. При использовании воздуха часто используются компрессоры, и в этом случае необходимо следить за тем, чтобы газ не был загрязнен частицами смазки, которые случайно вышли из механических компонентов компрессора.

Жидкая вода

Система выращивания При поливе нескольких горшков или больших площадей следует указать ожидаемые или измеренные отклонения в поливе, а также следует указывать, является ли полив чрезмерным или пока почвы или горшки не будут заполнены полем или даже останутся стоять в воде.Следует указать указание на ожидаемую однородность или причины, по которым следует ожидать хорошей однородности. Выбор системы полива может повлиять на рост и развитие растений, особенно потому, что некоторые системы могут увеличивать риск заболевания из-за влажной листвы (например, системы верхнего опрыскивания).

Система управления окружающей средой Подробная информация о системе управления, например, если она эксплуатируется Необходимо указать датчик воды / дождя, датчик влажности листьев, тензиометр, датчик проводимости почвы, лизиметр или массу горшка.Следует сообщить о стратегии полива, т.е. определяется ли она программой на основе входного сигнала датчика, рассчитана ли она по времени, зависит от интеграла света или ее время и частота регулируются вручную.

Системы орошения Необходимо указать тип системы орошения, частоту и время (продолжительность и время суток) полива. Тип и детали могут включать:

• Ручной (с помощью насадки / палочки или шланга): на поверхность, в блюдце, полив, когда блюдце высохнет, когда поверхность почвы высохнет, полив для стекания.

• Капельная система: Тип и производитель эмиттера, расход и рабочее давление, количество на бак, с компенсацией давления.

• Шланг для подземного орошения / слива: Тип и производитель, глубина, расположение, расход за метр.

• Верхний распылитель: Тип и производитель, форма распыления, расход.

• Скамья наводнения (прилив): производитель (если применимо), периодичность наводнения, время пребывания (период затопления и на какой глубине).

• Влажный стол: тип мокрой поверхности (тип песка и пористость), капиллярное покрытие (тип и водоудерживающая способность), способ поддержания уровня воды, детали любого покрытия для уменьшения крутизны испарения.

• Система гидропоники или питательной пленки (NFT): Подробная информация о системе должна включать среду для выращивания, скорость потока, наклон, насыщение кислородом, если это необходимо.

• Системы запотевания корней: подробные сведения о системе, объемы воды, размер корневой оболочки, размер используемых капель, периодичность запотевания и, если да, его частота.

• Лизиметр с весами: Детали системы, растения поливают до массы, автоматически или вручную для поддержания водного потенциала почвы.

Подробная информация об оросительной системе должна включать расчетную подачу воды на одно применение на горшок или квадратный метр, в зависимости от ситуации, в день. В гидропонных системах можно регистрировать объемы потока воды над корнями растений.Следует указать объем или долю (%) количества оборотной воды.

Питание

Система выращивания Способ доставки и место выброса питательных веществ в корневую среду могут влиять на распределение питательных веществ и рост корней. Например, нисходящий (например, орошение над землей) или восходящий (например, прилив и отлив) будет влиять на движение воды и питательных веществ через питательную среду и может привести к образованию зон с более высокими или более низкими концентрациями питательных веществ.Тип используемой среды для выращивания может влиять на доступность питательных веществ для усвоения растениями (например, определенные питательные вещества будут связываться с частицами глины, делая их менее доступными для растений). Системы гидропоники обычно проектируются так, чтобы исключить возможность того, что доступность воды и / или питательных веществ станет ограничивающей скорость. При выращивании в горшках исследователи должны помнить, что размер, форма, материал и даже цвет поверхности могут влиять на состояние корневой зоны, и это следует учитывать при измерении и составлении отчетов о реакции растений.

Система контроля окружающей среды Необходимо сообщить подробную информацию о системе контроля содержания питательных веществ (если она используется). Когда данные доступны, следует указать скорость поглощения питательных веществ. Температура корневой зоны влияет на скорость поглощения питательных веществ корнями, поэтому для некоторых видов сельскохозяйственных культур она контролируется более тщательно. В некоторых случаях активно контролируется температура корневой зоны.

Системы распределения Внесение жидких удобрений может быть включено в систему орошения (в этом случае эти системы иногда называют системами фертигации).В большинстве случаев небольшие объемы концентрированных питательных растворов вводятся в оросительный поток со скоростью, обеспечивающей правильное дозирование питательных веществ. Таким образом можно вводить комбинации питательных веществ или отдельные питательные вещества, в зависимости от конструкции и сложности системы доставки питательных веществ. Впрыск может быть пассивным (например, с использованием системы Вентури) или активным (например, с использованием нагнетательного насоса). Правильное перемешивание необходимо для обеспечения равномерного распределения питательных веществ по всей системе выращивания.Адекватное снабжение питательными веществами среды укоренения имеет решающее значение, поскольку поглощение питательных веществ корнями приведет к градиенту, который может привести к истощению регионов.

Имплантируемая система регистрации и стимуляции периферических нервов для экспериментов на свободно движущихся животных

Системная архитектура системы WINeRS-8 для использования в системе EnerCage-HC2 с беспроводным питанием

Упрощенная схематическая диаграмма всей системы, Включая EnerCage-HC2 в качестве стационарного устройства и систему WINeRS-8 в качестве мобильного устройства, имплантированного в тело испытуемого, представлено на рис.2 (и рис. S1). На этом рисунке также показаны потоки беспроводной мощности и передачи данных. В EnerCage-HC2 усилитель мощности (PA) управляет катушкой Tx, L ₁ , для генерации электромагнитного несущего сигнала на частоте 13,56 МГц, которая является диапазоном, одобренным Федеральной комиссией по связи (FCC) для промышленных и научных целей. , и медицинские (ISM) приложения. Микроконтроллер (CC2540) регулирует выходную мощность PA через преобразователь постоянного тока в постоянный, который управляет напряжением питания PA (VDD_PA) в зависимости от величины мощности, принятой мобильным устройством.Этот механизм с обратной связью регулирует мощность, получаемую имплантатом, на желаемом уровне. PA также может модулировать носитель питания для отправки данных с ПК на имплант (нисходящий канал) через тот же индуктивный канал с 4 катушками, который питает имплантат, для которого OOK-PPM адаптирован из-за его простоты и надежности для установки CCS. параметры. В дополнение к приводной катушке, L, , ₁ , система EnerCage-HC2 имеет четыре перекрывающихся резонатора: L ₂₁ — L ₂₄ , обернутых вокруг стандартной домашней клетки ²⁴ .Во время эксперимента камера Microsoft Kinect фиксирует движения животных на экспериментальной арене с помощью цветной камеры Red-Green-Blue (RGB, 2D) и инфракрасной (IR, 3D) камеры глубины и передает необработанные данные на ПК для автоматическое отслеживание животных и распознавание поведения с использованием нескольких функций, извлекаемых из цветных 2D и 3D изображений в реальном времени ³⁷ .

Упрощенная схематическая диаграмма всей системы, которая обеспечивает беспроводное питание и передачу данных между системой WINeRS-8 с 32-канальной записью и 4-канальной стимуляцией, имплантированной небольшому животному, свободно ведущему себя в EnerCage-HC2. умная домашняя клетка с беспроводным питанием.Врезка: полнофункциональный прототип с игрушечной крысой.

Чтобы сделать имплант как можно более компактным, система WINeRS-8 реализована на микросхеме (SoC) в виде специализированной интегральной схемы (ASIC) с несколькими внешними компонентами, как показано на рис. 2. Несущая мощность 13,56 МГц собирает L ₄ C ₄ -бак, выпрямляется и регулируется тремя регуляторами с малым падением напряжения (LDO), которые обеспечивают низкий аналог ( V _DDA = 1 В), низкий цифровой ( В _DDL = 1 В) и высокий аналоговый / цифровой ( В _DDH = 2 В) для остальной части SoC.Восстановление тактовой частоты извлекает опорный тактовый сигнал из несущей мощности 13,56 МГц, а демодулятор OOK-PPM восстанавливает входящий поток битов данных, который модулируется на несущей мощности, чтобы установить стимуляцию WINeRS-8 и другие регулируемые параметры. Метод адаптивного усреднения в 32-канальном аналоговом интерфейсе (AFE) использует аналоговый мультиплексор (MUX) от 32 до n для дальнейшего снижения шума путем усреднения нескольких каналов для приложения записи периферических нервов, и каждого из них с низким уровнем шума. Усилитель (МШУ) имеет структуру со связью по постоянному току, которая поддерживает высокое входное сопротивление порядка 61 МОм на частоте 1 кГц ³⁸ .Каждые два LNA совместно используют 10-битный АЦП последовательного приближения 50 кГц / с для оцифровки, что дает 25 кГц / с на канал. Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) генерирует несущую информацию 433 МГц из опорных часов 13,56 МГц. Оцифрованные пакеты необработанных данных объединяются с 13-битной преамбулой через блок преобразования параллельного в последовательный (P2S) и управляют PA, который модулирует несущую данных 433 МГц со скоростью 9 Мбит / с с 176-битными пакетами данных для генерации сигнал OOK восходящей линии связи, который, в свою очередь, управляет небольшой антенной Tx через согласующую схему.Этот носитель данных OOK с частотой 433 МГц улавливается за пределами домашней клетки парой программно-определяемых радиоприемников (SDR) (Rx), которые предназначены для создания надежного канала передачи данных по радиочастоте против свободно движущихся животных внутри домашней клетки во время эксперимента.

Возможность записи и стимуляции с обратной связью

Метод адаптивного усреднения ³⁸ , схематически показанный на рис. 3a, снижает приведенный к входу шум путем объединения м -каналов как,

$$ {v} _ {ni \ _rms, AFE, m} = \ frac {{v} _ {ni \ _rms, AFE, 1}} {\ sqrt {m}} $$

(1)

, где м равно 32 / n , n = 2 , 4 ,… 32 и V _{ni_rms, AFE, 1} — приведенный к входу шум каждого канала AFE.На рисунке 3b сравнивается предварительно записанный импульсный сигнал, который включает ослабленные выбросы ~ 30 мкВ _pp , добавленные к синусоидальным помехам 4 Гц, представляющим большой сигнал электромиографии (ЭМГ). Метод адаптивного усреднения может увеличить отношение сигнал / шум (SNR) и отфильтровать эмулированный сигнал ЭМГ. Этот механизм обеспечивает гибкий и более высокий SNR при записи периферических нервов, в которых сила сигнала обычно определяется границей раздела электрод-ткань.

( a ) Упрощенная схематическая диаграмма 32-канального AFE с методом адаптивного усреднения для записи периферических нервов, ( b ) предварительно записанный импульсный сигнал (вверху) и результирующий выходной сигнал AFE (внизу) с изменением переходного шума от м = 16 до м = 1 для сравнения SNR, ( c ) схематическая диаграмма 4-канального двухфазного CCS для одновременной регистрации и стимуляции периферических нервов и ( d ) in- situ эксперимент по двухфазной стимуляции и отклонению артефактов стимула с использованием эквивалентной модели ткани Рэндлса ³⁹ .

На рисунке 3c показана блок-схема двухфазной CCS с регулируемыми параметрами стимуляции. Для повышения соответствия напряжения в пределах источника питания 2 В ( В _DDH ) принята двухфазная топология. Контроллер синхронизации использует V _DDL для экономии энергии. В общей сложности 30 бит используются для определения параметров стимуляции, включая: Pol (1 бит) = полярность (положительная / отрицательная), f _стим (5 бит) = частота стимуляции (13–414 Гц), T _p (5 бит) = ширина стимула (9.5–304 мкс), T _d (5 бит) = задержка стимула (9,5–304 мкс), I _Stim (5 бит) = амплитуда стимула (60–1860 мкА), Канал (2 бита) = канал активной стимуляции (от 1 до 4), N (4 бит) = количество импульсов стимула (1– 16), и CB (3-битный) = балансировка заряда. Импульс балансировки заряда ( CB ) может использоваться для удаления остаточного заряда в ткани, если положительный и отрицательный импульсы стимуляции не идеально сбалансированы.Эти параметры предоставляются блоком WINeRS Stimulator Control , который следует за демодулятором OOK-PPM, как показано на рис. 2. 1-битный сигнал флага стимуляции, Flag , генерируется блоком управления для синхронизации стимуляции. импульсы с сигналом отклонения стимульного артефакта, AR . Импульс AR используется в AFE для предотвращения насыщения LNA из-за большого стимулирующего тока и позволяет возобновить функцию записи сразу после последнего импульса стимуляции, как показано на рис.3d. Эти кривые показывают стимуляцию на месте и отклонение артефактов стимула с использованием эквивалентной модели Рэндлса ³⁹ . Поскольку сгенерированный сигнал AR поддерживает канал AFE при опорном напряжении во время стимуляции, выходной сигнал AFE показывает возможность возобновления записи в течение 0,2 мс после стимуляции без насыщения, как показано с использованием синусоидального сигнала на рис. 3d.

Передача данных по нисходящему каналу с низким энергопотреблением

Одной из важных особенностей WINeRS-8 является телеметрия по нисходящему каналу для управления регулируемыми параметрами имплантата в реальном времени.Данные по нисходящей линии связи инициируются из графического пользовательского интерфейса (GUI), работающего на ПК, и позволяют пользователю устанавливать параметры, такие как усиление и пропускная способность AFE, передаваемая мощность RF и вышеупомянутые 30-битные параметры стимуляции. Поскольку для телеметрии данных по нисходящему каналу не требуется высокая скорость передачи данных, связь ближнего поля в системе EnerCage-HC2 оказалась наиболее подходящим методом.

Хотя амплитудная манипуляция (ASK) является наиболее популярным методом из-за ее простой схемы модуляции и демодуляции и низкого энергопотребления ⁴⁰ , синхронизация между сигналами данных и тактов делает ASK чувствительным к индуктивной связи, k ₂₃ на рис. .2, изменение из-за движений животных в клетке и существующего шума в амплитуде энергоносителя. Поэтому мы объединили PPM с OOK, чтобы иметь возможность восстанавливать часы и синхронизированные данные, которые необходимы для надежной связи ⁴¹ . На рис. 4a команды управления в ПК преобразуются в соответствующие импульсы PPM ( Tx_PPM ) через MCU (CC2540). Считыватель RFID (TRF7960) генерирует сигнал несущей мощности, модулированный PPM-OOK, f _p = 13.56 МГц, который используется как для беспроводного питания, так и для передачи данных по нисходящей линии связи. Полученный энергоноситель на приемнике L ₄ C ₄ — бак, В _{змеевик} , фильтруется детектором огибающей, а импульсы OOK восстанавливаются с помощью обнаружения порога по сравнению с V _REF1 . Восстановленные импульсы OOK, S _OOK , многократно заряжает и разряжает конденсатор интегрирования, C, , ₇ , в зависимости от задержки между отдельными импульсами OOK, в то время как синхронизированные часы данных, FWD CK , извлекаются из фронтов импульсов OOK.Когда V _PPM при C ₇ идет выше V _REF2 , выход компаратора, S _PPD устанавливается в «1», и восстановленные данные, FWD Data , распознаются как «1», будучи синхронизированными с FWD CK , как показано на фиг. 4b.

( a ) Блок-схема передачи данных по нисходящему каналу OOK-PPM между системами EnerCage-HC2 (Tx) и WINeRS-8 (Rx) через индуктивную связь с 4 катушками и ( b ) концептуальная формы сигналов данных нисходящей линии связи в различных узлах блок-схемы.

FWD Data сдвигается в буфере данных, который состоит из 47 триггеров D-типа (DFF), для обнаружения преамбулы Rec / RF или преамбулы стимуляции в двух отдельных детекторах преамбулы. Преамбула стимуляции имеет 15 бит, а преамбула Rec / RF — 12 бит. Как показано на рис. 4b (и рис. S2), если сдвинутые данные FWD , D ₀ -D ₁₁ совпадают с предопределенной 12-битной преамбулой Rec / RF, CK _{REC Флаг} запускается, и следующие данные, D ₁₂ -D ₄₆ , фиксируются для управления записью и блоками RF Tx.Точно так же, если D ₀ –D ₁₄ совпадают с предопределенной 15-битной преамбулой стимуляции, CK _{Stim Флаг} запускается для активации блока стимуляции с заданными параметрами стимуляции в следующих битах данных, которые были показаны на фиг. 3c.

Широкополосная передача данных по восходящей линии связи для записи необработанных нейронных сигналов

В литературе большинство высокопроизводительных беспроводных нейронных интерфейсов сосредоточено на широкополосной передаче данных по радиочастоте, которые обычно относятся к имплантируемой стороне Tx системы.Однако полная беспроводная система сбора данных также требует широкополосной приемной антенны (антенн), внешнего радиочастотного интерфейса, высокоскоростного интерфейса ПК, постобработки, хранения и визуализации данных в графическом интерфейсе пользователя, особенно если система должна работать в режиме реального времени. ¹⁴ . На рисунке 5a показана блок-схема блока передачи данных от 32-канальной матрицы микроэлектродов (MEA) к ПК через OOK Tx 433 МГц в SoC WINeRS-8. Нейронный сигнал из каждого канала имеет полосу пропускания 10 кГц, а АЦП SAR оцифровывает выходной сигнал LNA со скоростью 25 кГц / с.Напряжение выпрямителя также измеряется со скоростью 5 kS / s для контроля состояния индуктивного питания и замыкания контура передачи энергии. 176-битные пакетные данные доставляются в OOK PA со скоростью 9,04 МГц для модуляции несущей РЧ данных 433 МГц, генерируемой ФАПЧ. Радиочастотный сигнал от WINeRS-8 Tx улавливается двумя приемными антеннами, размещенными за пределами домашней клетки, чтобы расширить беспроводное покрытие экспериментальной арены и устранить любые слепые зоны, вызванные направленностью антенны Tx. Принятые сигналы усиливаются / фильтруются независимо через пару параллельных интерфейсов SDR RF, которые также оцифровывают и отправляют их на ПК через отдельные USB-порты, где специальный алгоритм, реализованный в GNU Radio ⁴² и графическом интерфейсе C ++, выполняет постобработку. и демодуляция входящего потока РЧ-данных из SDR, соответственно, для отображения восстановленных нейронных сигналов на экране ПК в реальном времени и сохранения их на жестком диске.

( a ) Блок-схема передачи данных восходящего канала от 32-канального MEA к ПК через 433 МГц OOK Tx в WINeRS-8 SoC и ( b ) блок-схема внешнего двойного SDR Rx для расширенного охвата экспериментальной арены и устранения слепых пятен.

Блок-схема двойного SDR WINeRS-8 Rx показана на рис. 5b. Два BladeRF SDR (Nuand LLC, Рочестер, Нью-Йорк) используются в WINeRS-8 Rx, которые покрывают радиочастотный спектр от 300 МГц до 3,8 ГГц и оснащены полнодуплексным, 12-битным АЦП с частотой дискретизации 40 Мвыб / с и программируемыми в полевых условиях логика вентильной матрицы (FPGA) ⁴³ .Фильтр скользящего среднего (M = 2k) сравнивает среднюю мощность принятого сигнала от отдельных антенн Rx и решает, какой SDR Rx имеет лучшее отношение сигнал / шум (SNR). Данные из данных SDR Rx с более высоким SNR демодулируются и отправляются в программное обеспечение GUI. Этот метод можно легко распространить на несколько приемников SDR для обеспечения надежного восстановления широкополосных радиочастотных данных на более крупных экспериментальных площадках без каких-либо слепых зон.

Прототипы системы WINeRS-8

WINeRS-8 SoC спроектирован и реализован по стандартной 130-нм КМОП-технологии и занимает 5 × 4.4 мм ² , как показано на рис. 6а. Чтобы проверить функциональность системы WINeRS-8 in vivo и сравнить формы ее использования, были сконструированы два прототипа, один — обычный подголовник (рис. 1a), а другой — имплант (рис. 1b), как показано. на фиг. 6b, c, соответственно, и используется для взаимодействия с седалищным нервом в модели крысы на животных. Оба прототипа WINeRS-8 были оснащены суперконденсаторами емкостью 0,21 F в качестве буферов, питающих SoC, когда принимаемая мощность была временно прервана определенными движениями животного-объекта.Каждое устройство имеет катушки L ₃ и L ₄ , оптимизированные для максимальной эффективности передачи мощности (PTE) внутри EnerCage-HC2 ²⁴ . Был также построен третий прототип, в котором суперконденсатор был заменен батареей емкостью 100 мАч, что позволило проводить эксперимент вне EnerCage-HC2. Вместо нисходящего канала OOK-PPM для настройки параметров в этой версии использовался COTS MCU (CC2541) со встроенным беспроводным каналом Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) (рис.S3). Для передачи радиочастотных данных Tx использовалась монопольная антенна, которую можно обернуть вокруг имплантата. Блок интегральной схемы управления питанием (PMIC) SoC WINeRS-8 в этом прототипе был сокращен для уменьшения ширины прототипа. Полученный имплант WINeRS-8 имел размеры 3 × 1,5 × 0,5 см ³ и весил 2,8 г, включая суперкап. Номинальная потребляемая мощность устройства 18,9 мВт.

( a ) Фотография штампа, ( b ) headstage и ( c ) прототипы имплантата SoC WINeRS-8 с индуктивным питанием для in vivo экспериментов с участием свободно ведущих животных в пределах Система EnerCage-HC2.

После проверки версии WINeRS-8, установленной на головной сцене, версия имплантата была имплантирована отдельным животным и зарегистрированы вызванные потенциалы действия соединения для проверки возможностей записи и стимуляции системы WINeRS-8. Были использованы два разных типа МЭБ: МЭБ манжеты для стимуляции и МЭА проникающего микропровода для регистрации, как показано на рис. 7. Электроды манжеты для 2-канальной биполярной стимуляции размещаются на расстоянии 1-2 см от проникающей регистрирующей МЭБ и дистальнее относительно. к спинному мозгу.Проникающий МЭБ состоит из трех слоев глубиной 0,2 мм, 0,7 мм и 1,2 мм, учитывая типичную толщину эпиневрия и периневрия в нерве. Поскольку эти записывающие электроды все еще находятся в контакте с проникающими аксонами, их записи становятся сильно коррелированными. Проникающие электроды MEA и двухфазные манжеты на седалищном нерве были соединены с пучками микропроводов толщиной 75 мкм (Stablohm 800 A, California Fine Wire).

Изображение седалищного нерва крысы со стимулирующим и регистрирующим электродами.32-канальный проникающий электрод МЭБ и 2-канальный биполярный манжетный электрод подключаются к имплантату WINeRS-8 с помощью микропровода.

Следующие экспериментов in vivo и были проведены для проверки функциональности WINeRS-8 SoC для взаимодействия с периферическими нервами, как показано на рис. 1. В экспериментах in vivo использовались пять самок крыс Lewis, когда они достигли 12 лет. недельного возраста и не менее 220 г веса. Все эксперименты проводятся с предварительного одобрения Институционального комитета по уходу и использованию животных (IACUC) Техасского университета в долине Рио-Гранде и Технологического института Джорджии.

1. 1.

   Запись и стимуляция с использованием комбинации двух коммерческих головных блоков с батарейным питанием, беспроводного записывающего блока w-32 и главного блока стимулятора S2W (TBSI, Дарем, Северная Каролина), как показано на рис. 8a.

   Рис. 8

   С питанием от батареи in vivo Экспериментальная установка. ( a ) Коммерческие подголовники для записи / стимуляции и ( b ) подголовники WINeRS-8, используемые вне домашней клетки для измерения вызванных сложных сигналов от седалищного нерва крысы во время передвижения на беговой дорожке.

2. 2.

   Запись и стимуляция на беговой дорожке с питанием от аккумуляторной батареи WINeRS-8, как показано на рис. 8b.

3. 3.

   Запись и стимуляция внутри системы EnerCage-HC2 с использованием индуктивного блока управления WINeRS-8, как показано на рис.9b.

   Рис. 9

   ( a ) Экспериментальная установка in vivo с индуктивным питанием для головного блока WINeRS-8 и версий имплантата. На вставках показаны изображения, снятые камерой Kinect. Записанный вызванный потенциал действия соединения от седалищного нерва после стимуляции, который показан справа с использованием: ( b ) Headstage WINeRS-8 и ( c ) имплантата WINeR-8.

4. 4.

   Запись и стимуляция внутри системы EnerCage-HC2 с использованием имплантата WINeRS-8 с индуктивным питанием, как показано на рис. 9c.

Экспериментальные установки in vivo, коммерческих демонстрационных столов с батарейным питанием и головных блоков WINeRS-8 показаны на рис. 8a, b, соответственно, вместе с измеренными вызванными сложными сигналами от седалищного нерва крысы. Во время эксперимента параметры стимуляции были изменены для наблюдения за влиянием на поведение крысы на беговой дорожке при наблюдении за записанным вызванным сигналом.В этом эксперименте импульсы стимуляции периодически подаются на электроды манжеты для записи вызванных сигналов от записывающих электродов, пока животное ходит по беговой дорожке. Измеренные формы сигналов были синхронизированы с видеозаписями с помощью внешней камеры в качестве замены функции камеры Kinect в системе EnerCage-HC2. Когда крыса демонстрировала различимую поведенческую реакцию на каждую стимуляцию, вызванный сигнал можно было наблюдать через 5–10 мс после артефакта стимула как в коммерческой системе, так и в головной стадии WINeRS-8, учитывая скорость проведения седалищного нерва при его повреждении после хирургическая имплантация (5 ~ 20 м / с) ^44,45 .Благодаря возможности подавления артефактов стимула системы WINeRS-8, описанной выше, зарегистрированный артефакт стимула примерно в 3,3 раза меньше, чем коммерческая комбинация headstage.

Экспериментальная установка для индукционного блока питания WINeRS-8 и имплантата внутри системы EnerCage-HC2 показана на рис. 9a. Имплант WINeRS-8 на рис. 6c был имплантирован в брюшную полость крысы, а стимулирующий и регистрирующий электроды были напрямую соединены с имплантатом с помощью жгута микропровода, изолированного полиимидом в месте соединения.С другой стороны, подголовник WINeRS-8 был установлен на голове крысы с помощью 32-контактного разъема Omnetics (Nano Strip Connector, A79022-001, Omnetics, MN), который был закреплен на черепе крысы с помощью крепежных винтов из нержавеющей стали ( 00-96 × 1/16, Plastic One, VA) и стоматологический цемент. Длинный пучок микропроводов соединял разъем Omnetics на голове с электродами седалищного нерва под кожей на спине крысы. Во время эксперимента камера Kinect, установленная поверх EnerCage-HC2 (см. Рис.9a) предоставляет информацию об автоматическом слежении за животными с использованием изображений с двухмерных цветных и трехмерных камер ³⁷ . В эксперименте на головной сцене, показанном на рис. 9b, параметры стимуляции I _Stim = 480 мкА, T _P = 95 мкс, T _d = 9,5 мкс, f _Stim = 130 Гц и N = 4 применяли для измерения вызванных сложных сигналов после стимуляции, наблюдая за изменениями в поведении животных.В эксперименте с имплантатом аналогичная реакция наблюдалась у крысы с параметрами стимуляции I _Stim = 420 мкА, T _P = 95 мкс, T _d = 9,5 мкс, f _Stim = 130 Гц и N = 2 с аналогичными паттернами вызванных составных сигналов после стимуляции. Во время эксперимента параметры стимуляции были изменены для наблюдения за реакцией животного и изменениями вызванных сигналов от нерва (дополнительный фильм 1).Эти результаты in vivo продемонстрировали, что имплант WINeRS-8 может поддерживать функциональные эксперименты с одновременной записью и стимуляцией, при этом он полностью совместим с системой EnerCage-HC2. Камера Kinect также отслеживает движения и поведение животных ³⁷ , вызванные стимуляцией в реальном времени (дополнительный ролик 3).

Напоминание о рандомизированных контролируемых экспериментах

Чтобы принимать разумные решения на работе, нам нужны данные. Откуда берутся эти данные и как мы их анализируем, зависит от множества факторов — например, от того, что мы пытаемся сделать с результатами, насколько точными нам нужны результаты и какой у нас бюджет.Есть спектр экспериментов, которые менеджеры могут проводить, от быстрых, неформальных, до экспериментальных, полевых и лабораторных. Одним из наиболее структурированных экспериментов является рандомизированный контролируемый эксперимент .

Чтобы лучше понять, что такое рандомизированный контролируемый эксперимент и как его используют компании, я поговорил с Томом Редманом, автором книги Data Driven: Profiting from Your Most Important Business Asset . Он также консультирует организации по их данным и программам качества данных.

Когда люди слышат этот термин, они чаще всего думают о клинических испытаниях, в которых одной группе дают лечение, а другой — плацебо, но фармацевтические компании и ученые-медики не единственные, кто использует подобные эксперименты. Эти эксперименты могут проводить все виды предприятий, и они не обязательно должны быть дорогостоящими или трудоемкими — их просто нужно «контролировать» и включать в себя элемент «рандомизации».”

Начнем со слова эксперимент . «Эксперимент — это запланированная деятельность, цель которой — узнать что-то об окружающем мире», — объясняет Редман. Он приводит в пример двухлетних детей, которые постоянно проводят эксперименты: «Они думают:« Если я закричу, прибежит мама ». Они собирают данные о мире, и пока они не контролируются, они это делают. целенаправленно ».

Вот пример, связанный с бизнесом. Допустим, вы занимаетесь бурением нефтяных скважин и у вас есть новое буровое долото, управляемое программой искусственного интеллекта, которая регулирует давление и скорость, с которой вы поворачиваете долото.Вы хотите знать, как это новое, более дорогое сверло сравнивается с долото, которое вы используете в настоящее время, поэтому вы проводите эксперимент, сравнивая существующее сверло с новым. Вы выбираете 30 скважин и пробуриваете 15 из них старым долотом и 15 — новым. Это ваш эксперимент, и интересующей вас переменной может быть то, насколько эффективно вы пробурили скважину.

Обратите внимание, что количество лунок здесь довольно мало по сравнению с экспериментом, например, где вы показываете 1000 потенциальных клиентов новую маркетинговую кампанию.Чем больше размер вашей выборки, тем выше вероятность получения статистически значимых результатов. Но вы также должны реалистично оценивать стоимость вашего эксперимента, и, учитывая, что бурение нефтяной скважины стоит миллионы долларов, вы, вероятно, проведете этот эксперимент на меньшем количестве скважин.

В эксперименте интересующая переменная называется зависимой переменной (обратите внимание, что у вас может быть несколько зависимых переменных, но для простоты здесь я буду ссылаться на одну зависимую переменную).Но есть также множество из независимых переменных — факторов, которые, как вы подозреваете, влияют на вашу зависимую переменную. «Обычно в эксперименте вы пытаетесь узнать что-то об одной или, в лучшем случае, нескольких независимых переменных, но многие другие факторы могут мешать», — говорит Редман. Вы хотите знать, какое бурение лучше, но другие факторы, такие как размер скважины, ее глубина и то, что вы копаете, также повлияют на эффективность бурения скважины и усложнят вашу оценку нового сверла.Точно так же в клиническом исследовании существует множество других факторов, таких как возраст пациента, общее состояние здоровья, режимы физических упражнений и артериальное давление, которые могут затруднить определение того, действительно ли результаты эксперимента могут быть связаны с наркотик, а не какой-то другой фактор.

Здесь и появляется слово «контролируемый». Этот термин может сбивать с толку, потому что статистики используют его для описания более чем одного понятия. Как шутит Редман: «Предоставьте статистикам запутывать совершенно простую концепцию!» Первое значение — «изолировать влияние одной (или нескольких) переменных», — поясняет Редман.«Контролируемый» в этом смысле означает введение ограничений, чтобы определенные переменные не влияли на результат вашего эксперимента. Таким образом, в клинических испытаниях лекарств вы можете быть обеспокоены тем, что диета участников повлияет на эффективность лекарства. Вы «контролируете» это, сажая всех пациентов на одну и ту же диету на время эксперимента. Точно так же в эксперименте по бурению вы можете быть уверены, что учитываете «ожидаемую твердость породы», поэтому вы можете создать 15 пар скважин в зависимости от того, насколько сложно, по вашему мнению, будет их бурение.Это позволит контролировать ожидаемую твердость. Вы также можете убедиться, что используете буровое оборудование и бригады, чтобы контролировать влияние этих факторов на эксперимент.

Дополнительная литература

Многие рандомизированные контролируемые эксперименты проводятся в лаборатории, потому что «легче контролировать вещи в лабораторных условиях», — говорит Редман. Но насколько известно Редману, «лаборатории бурения скважин» не существует, поэтому вы делаете все, что в ваших силах. Например, вы, вероятно, сможете лучше контролировать твердость породы, установив две установки на расстоянии 50 футов друг от друга в одном месте и выкопав сухие колодцы.Это даст вам более надежный результат с точки зрения того, как новые и старые сверла будут работать в схожих условиях, но это также будет стоить вам больших денег, и вы не заработаете на этом никаких денег. Таким образом, вы должны решить, сколько контроля стоит затрат.

Второе значение слова «контроль» относится к группам, которые вы изучаете — контрольной группе и группе лечения. Здесь контроль означает текущий способ действий (например, старый бит), а лечение означает новый способ действий (например, старый бит).г., новый бит). Это важно, потому что, чтобы судить о результатах вашего эксперимента, вы должны спросить «по сравнению с чем?» Вы не просто начинаете бурение с новым сверлом и решаете, что «так лучше». Вы должны сравнить это с контрольной группой — в данном случае с 15 лунками, которые вы копаете старым долотом, что является вашим исходным уровнем.

Аналогичным образом, при тестировании нового препарата вам необходимо учитывать «эффект плацебо», когда людям становится лучше просто потому, что они думают, что их лечат, поэтому вы относитесь к своей контрольной группе точно так же, как и к группе лечения, а вы ищите улучшения в экспериментальной группе по сравнению с контрольной группой.

Но какие лунки или люди попадают в контрольную группу, а какие — в экспериментальную? И кто в первую очередь попадает в эксперимент? Вот где на помощь приходит рандомизация . Чтобы свести на нет влияние переменных, о которых вы не знаете (например, режим сна пациента в клиническом исследовании), вы случайным образом относите субъектов к контрольной группе или группе лечения. С вашими парами лунок выше вы случайно выберете, может быть, даже подбросив монетку, которая получит новое сверло в каждой паре.Это то, что Редман называет «устранением скрытой предвзятости эксперимента». В конце концов, если все здоровые пациенты получат лечение, а затем поправятся, вы ничего не доказали. Или, если вы случайно пробурите 15 самых простых скважин с новым долотом, вы не знаете, лучше ли оно.

Рандомизация (наряду с большим размером выборки) дает вам уверенность в том, что любой результат, который вы получаете, на самом деле вызван интересующей независимой переменной — в случае фармацевтики, эффектом лекарства — и, следовательно, его можно «обобщить за пределами эксперимента. По словам Редмана.

Если такая сортировка участников звучит как A / B-тестирование, это потому, что они похожи. A / B может быть рандомизированным контролируемым экспериментом при условии, что вы контролируете факторы и рандомизированные субъекты, но не все рандомизированные контролируемые эксперименты являются тестами A / B.

Итак, давайте все вместе. По словам Редмана: «Вся идея состоит в том, чтобы изолировать независимые переменные, которые вас интересуют. Рандомизированный контролируемый эксперимент — это эксперимент, в котором вы контролируете, чтобы учесть факторы, о которых вы знаете, а затем рандомизируете, чтобы учесть те, о которых вы не знаете.”

«Не оставляйте экспериментальный дизайн на усмотрение аналитиков данных», — говорит Редман. Менеджеру важно знать и понимать процесс, чтобы вы могли лучше сотрудничать: вы делитесь своими знаниями и опытом, а аналитик — своим опытом сбора и анализа данных.

Вот основные шаги:

1. Определите, какая зависимая переменная вас интересует (помните, что их может быть несколько).В нашем примере с нефтяной скважиной это скорость или эффективность бурения скважины.
2. Определите, какая популяция представляет интерес. Вы заинтересованы в том, чтобы понять, работает ли новое долото во всех ваших скважинах или только в определенных типах скважин?
3. Спросите себя: что мы пытаемся сделать с помощью этого эксперимента? Что такое нулевая гипотеза — соломенный человек, которого вы пытаетесь опровергнуть? Какая альтернативная гипотеза? Ваша нулевая гипотеза в этом случае может быть такой: «Между двумя битами нет разницы.Ваша альтернативная гипотеза может быть такой: «Новое сверло быстрее».
4. Подумайте обо всех факторах, которые могут испортить ваш эксперимент — например, если буровые коронки прикреплены к разным типам машин или используются в определенных типах скважин.
5. Напишите протокол исследования, в котором описывается процесс проведения эксперимента. Как вы собираетесь встроить элементы управления? Насколько большой размер выборки вам нужен? Как вы собираетесь отбирать скважины? Как вы собираетесь настроить рандомизацию?
6. Когда у вас есть протокол, Редман предлагает вам провести небольшой эксперимент, чтобы проверить, будет ли работать изложенный вами процесс.«Причина проведения пилотного исследования заключается в том, что вы, скорее всего, упадете на задницу, и когда это называется пилотным исследованием, вам будет не так больно», — шутит он. В эксперименте, подобном эксперименту с буровым долотом, вы можете пропустить пилотный проект из-за затрат и времени на бурение скважины.
7. Измените протокол на основе того, что вы узнали в ходе пилотного исследования.
8. Проведите эксперимент, как можно точнее следуя протоколу.
9. Анализируйте результаты, ища как запланированные результаты, так и не забывая о неожиданных.

После того, как вы проанализировали результаты (и, вероятно, проверили, являются ли они статистически значимыми), вы применяете их на практике. Здесь, конечно же, резина попадает в путь. То, что вы обнаружите в лабораторном эксперименте, не всегда может применяться в полевых условиях. Как говорит Редман: «Вы не зарабатываете деньги в лаборатории. Вы зарабатываете деньги в реальном мире. Так что быстро уходите из лаборатории ».

Редман говорит, что одна из самых больших ошибок компаний заключается в том, что они просто не проводят достаточного количества экспериментов — не только рандомизированных контролируемых экспериментов, но и более неформальных, менее дорогостоящих и трудоемких.«Ожидается, что менеджеры знают ответы. Чтобы менеджер сказал: «Я не уверен, что знаю, давай проведем эксперимент», требуется определенная изощренность и понимание того, как управлять этими вещами ». Но без экспериментов нельзя быть уверенным в правильности своих догадок.

Даже менеджеры, которые готовы призывать к экспериментам, часто недостаточно тщательно планируют эксперимент. Редман говорит, что важно выполнить все шаги, описанные выше, но чаще всего менеджеры делают несколько начальных шагов — выясняют интересующую переменную и, возможно, совокупность, — а затем переходят к проведению эксперимента.