“这下我晚上能睡个安稳觉了”：传感器如何帮科学家解决难题

2025年8月24日凌晨1点刚过，神经科学家塔玛拉·斯塔维茨基（Tamara Stawicki）被手机铃声惊醒。简短通话后，她起床驱车前往一个安静的停车场。当她穿着睡衣，目标明确地大步走进宾夕法尼亚州伊斯顿市拉斐特学院的一栋气派建筑时，不明就里的旁观者或许会好奇她要做什么。

实际上，斯塔维茨基肩负着拯救实验室约1000条斑马鱼的使命。斑马鱼侧腹的毛细胞排列与哺乳动物内耳的毛细胞相似，这使她能将其用作模型，研究某些抗生素和化疗药物导致的人类听力问题。传感器检测到实验室供暖系统因电力故障停止运行，校园安保因此打来电话，斯塔维茨基必须争分夺秒保护这些斑马鱼。

像斯塔维茨基实验室里的这种传感器如今已十分普遍。实验室管理者在技术上的投入，更多是升级现有系统，而非首次安装。荷兰罗斯马伦市XiltriX公司的首席商务官汉·韦尔德斯泰恩（Han Weerdesteyn）表示：“20年前，远程监控实验室被视为奢侈品，而现在许多实验室已在使用第二代或第三代系统，因此人们更清楚能收集哪些信息以及如何利用这些信息。”该公司销售此类系统。

尽管研究人员及其技术同事可能知道传感器系统能带来什么，但如果决定升级，仍有很多因素需要考虑。例如，他们是只想一次性购买硬件和软件，还是也想订阅持续的相关服务？新系统能否与已使用的其他技术集成，还是会相互干扰？还有维护、技术支持、数据安全、存储要求以及传感器校准以确保准确性等问题呢？

几乎所有实验室都已将传感器作为楼宇管理系统的一部分，用于监测和控制供暖、通风、空调、电力、照明和安全。研究人员用于远程跟踪实验进展的传感器有时被称为环境监测系统。其中应用最广泛的包括测量相对湿度、光照、房间占用情况、压差和气体量的传感器。其他传感器还能检测运动、门是否打开、设备是否开启、是否有水以及电池状态。

对于为学术和工业实验室提供设备的公司而言，温度传感器是畅销品。芬兰万塔市测量设备公司维萨拉（Vaisala）的技术策略师汉努·塔尔维蒂（Hannu Talvitie）说：“无论研究对象是物理材料、化学反应还是生物系统，其输出或行为通常都依赖温度，因此温度测量设备是实验室中最常见的传感器。”

然而，在一些实验室，传感器数据仍需手动收集，这既耗时又可能导致问题发现时已为时过晚。如今，越来越多的传感器通过有线或无线网络自动将信息传输到中央枢纽。软件对数据进行分析，将其转化为用户友好的图表、图形或仪表盘，并上传至云端，以便通过手机应用或网络平台访问，必要时还会触发紧急警报。

科学家使用这些系统的原因之一是避免灾难性的设备故障。“这让我能安心睡觉。”阿姆斯特丹大学医学中心（UMC）生殖医学中心的临床胚胎学家、阿姆斯特丹生殖与发育研究所所长塞巴斯蒂安·马斯滕布鲁克（Sebastiaan Mastenbroek）说。该临床科室存储约25万个患者样本并提供体外受精（IVF）服务，其研究设施均配备了XiltriX公司的系统。这些系统包括监测储存精子、卵母细胞、胚胎和睾丸组织活检样本的冰箱温度的传感器；监测胚胎和细胞培养 incubator 内的温度、二氧化碳和氧气水平的传感器；以及监测设备运行和网络连接的传感器。系统故障会自动致电实验室工作人员。

2018年4月的一天凌晨1点30分左右，马斯滕布鲁克收到了这样的警报，当时当地停电，他紧急前往实验室，确保备用电源到位，使临床和研究样本保持在适宜温度。“很难想象现代IVF设施没有监测系统。对我来说，在研究实验室安装一个也是理所当然的事。”他说。

人工智能崭露头角。一些监测系统不仅能在紧急情况下发出警报。马萨诸塞州剑桥市的软件公司Elemental Machines旨在利用人工智能分析历史数据，不仅告诉用户何时出现问题，还能解释原因。“我们会分析凌晨2点冰箱警报前的温度变化模式，告诉你是有人刚开了十次门又关上，还是压缩机出现故障。”Elemental Machines的创始人兼首席战略技术官斯里达尔·艾扬格（Sridhar Iyengar）说，“这意味着你知道是回去睡觉还是去看看。”

类似方法还可用于确定设备何时需要维护或技术是否适合特定任务。例如，马斯滕布鲁克实验室的监测系统记录到一台冰箱内为防止结冰而设定的温度峰值，这让他知道该冰箱不适合储存细胞培养基。Elemental Machines基于传感器数据为实验室设备生成所谓的“人工智能健康评分”，以便在问题恶化前发现变化。

使用传感器进行自动化连续数据收集，能帮助科学家更快理解研究出错的原因。韦尔德斯泰恩说，在荷兰奈梅亨拉德堡大学攻读硕士学位期间，他深刻体会到获取一些基本数据可能是科研成败的关键。他当时研究烟草植物中一种重复出现的核苷酸序列的作用，实验却突然无法进行。大约花了三个月才查明原因：一位同事忘了关冰箱门，导致他在聚合酶链式反应（PCR）中使用的催化剂失活。但那时他已没时间了，研究项目未能取得成果。

韦尔德斯泰恩说，这结束了他的科学家生涯，也启发他为他人提供监测系统。他说，实验室里没有传感器信息，你就无法了解正在发生的一切。“有了传感器，当出现问题时，你至少知道从哪里开始排查。回顾哪些参数发生了变化，有助于随着时间推移改进研究。”

韦尔德斯泰恩还表示，对于寻求私营部门合作伙伴（如制药公司）资助的实验室而言，安装可靠的监测系统可能还有经济收益。“能获取传感器数据意味着研究人员可以证明他们能产生高质量、一致的结果，因此更有可能获得行业资助。”

对于考虑投资基于传感器的监测系统或在不同系统间做选择的研究人员和实验室管理者来说，还有一些关键因素需要考虑。其中最重要的是确保生成的数据准确。“错误的数据比没有数据更糟。”塔尔维蒂说，“如果你想要可信的测量结果，可靠的设备及其定期校准至关重要。”