科學家的守夜人：傳感器讓研究更安全

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

2025年8月24日凌晨1時許，神經科學家Tamara Stawicki被手機鈴聲驟然驚醒。簡短通話后，她立即起身，驅車趕往賓夕法尼亞州伊斯頓的拉斐特學院（Lafayette College）寂靜的停車場，然后神情堅定地走進一座莊嚴的教學樓，依然穿著她的睡衣。這一幕或許會令偶然經過的路人困惑不已。

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

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

盡管研究人員及其技術同事大致了解傳感器系統的功能，但在決定升級時仍需權衡諸多因素。例如，他們是否只打算一次性購買硬件與軟件，還是計劃持續訂閱相關服務？新系統能否與現有技術兼容，還是會彼此干擾？另外，維護與技術支持、數據安全與存儲需求、傳感器校準以確保精確度等問題，都是不可忽視的考量。

幾乎所有實驗室如今都已在樓宇管理系統中配備傳感器，用于監控和控制供暖、通風、空調、電力、照明及安保。研究人員所使用的遠程監控傳感器常被稱為環境監測系統，其中最常見的包括測量相對濕度、光照、房間占用情況、壓差及氣體濃度的設備。其他傳感器則可檢測運動、門的開關狀態、設備運行情況、是否有水泄漏或電池電量。

溫度傳感器是面向學術與產業實驗室的暢銷產品。位于芬蘭萬達市的測量設備公司Vaisala的技術戰略分析師Hannu Talvitie指出：“無論研究對象是物理材料、化學反應還是生物系統，其結果或行為幾乎都依賴于溫度，因此溫度測量設備是實驗室里最常見的傳感器。”

在部分實驗室中，傳感器數據仍需人工收集，但這一過程耗時且可能導致發現問題的那一刻為時已晚。越來越多的傳感器如今能夠通過有線或無線網絡自動傳輸信息至中央樞紐。軟件對數據進行分析，將其轉化為易于理解的可視化圖表，同時上傳至云端，使研究人員能夠通過手機應用或網頁訪問，并在必要時觸發緊急警報。

科學家使用這些系統的原因之一是避免設備故障帶來的災難性后果。“這意味著我可以放心睡覺。”阿姆斯特丹大學醫學中心（UMC）生殖醫學中心的臨床胚胎學家、阿姆斯特丹生殖與發育研究所所長Sebastiaan Mastenbroek表示。其臨床部門儲存約25萬份患者樣本并提供體外受精（IVF）服務，與研究設施相同均采用XiltriX公司提供的系統。這些系統包括監測冷凍保存精子、卵母細胞、胚胎及睪丸組織切片的溫度傳感器；監測胚胎與細胞培養箱內溫度、二氧化碳與氧氣水平的傳感器；以及設備運行與網絡連接狀況的監控。系統故障會自動觸發對實驗室工作人員的電話警報。

2018年4月某日凌晨1點半左右，因當地停電，Mastenbroek接到過一次此類警報并緊急趕往實驗室。他確保備用電源及時接入，使臨床與研究樣本維持在適宜的溫度。“很難想象現代的IVF設施沒有監測系統”他說，“對我而言，在研究實驗室安裝這樣的系統是必然的選擇。”

人工智能的前景

部分監測系統的功能已超越單純在緊急情況下發出警報。位于美國馬薩諸塞州劍橋的Elemental Machines軟件公司，希望在告知用戶問題發生的同時，使用人工智能分析歷史數據解釋其原因。公司創始人兼首席戰略與技術官Sridhar Iyengar表示：“我們會觀察導致凌晨兩點冷凍柜報警的溫度變化模式，以判斷究竟是有人頻繁開關門，還是壓縮機出現故障。這意味著你可以決定是繼續睡覺，還是必須趕去查看。”

類似的方法也可用于識別設備何時需要維護，或某項技術是否不適合特定任務。例如，Mastenbroek實驗室的監測系統曾記錄冰箱內為防止結冰而設定的溫度波動。這讓他意識到該設備并不適合儲存細胞培養基。Elemental Machines還基于傳感器數據為實驗室設備生成了所謂的“人工智能驅動健康評分”，以便在問題惡化之前發現潛在變化。

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

自動化的連續數據采集能夠幫助科學家更快理解研究失敗的原因。Weerdesteyn回憶，他在荷蘭奈梅亨拉德堡德大學攻讀碩士期間深刻體會到基礎數據左右科研成敗的重要性。他研究煙草植物中重復出現的一段核苷酸序列時，實驗突然中止了。最終花了約三個月的時間才發現，原因是同事曾忘記關上冷凍柜門，導致他用于PCR反應的催化劑失效。但到那時，他已沒有足夠時間，研究項目也未能產出成果。

Weerdesteyn表示，這段經歷終結了他作為科學家的職業生涯，卻也啟發了他為他人提供監測系統的想法。他指出，沒有傳感器信息，研究人員對實驗室內的情況幾乎一無所知；而有了傳感器，當問題出現時，至少能知道從哪里開始排查。能夠回溯查看哪些參數發生了變化，也有助于使研究在長期過程中不斷得到改進。

對于尋求私營部門資助（如制藥公司）的實驗室而言，安裝可靠的監測系統還可能帶來經濟上的益處。Weerdesteyn解釋道：“擁有傳感器數據意味著研究人員能夠證明自己可以產出高質量且一致的結果，因此更有可能獲得產業界的資助。”

研究人員與實驗室管理者在考慮是否投資傳感器監測系統或在不同系統之間做抉擇時，還有一些關鍵問題需要關注。其中最重要的便是確保數據的準確性。Talvitie強調：“錯誤的數據比沒有數據更糟糕。如果希望獲得可信的測量結果，可靠的設備和定期校準是必不可少的。”

校準的過程涉及將傳感器的準確性與經過認證的設備進行比對，這可以由實驗室人員或外部服務提供商完成。傳感器也可以在購買時預先校準。例如，總部位于美國猶他州鹽湖城的監測系統供應商Monnit為客戶提供由美國國家標準與技術研究院（NIST）認證的校準證書。該公司執行副總裁Nick Mecham表示：“幾乎所有客戶都會選擇這一服務。校準在醫療研究等領域尤為重要，因為這些領域對溫度偏差的容忍度極低。”

此外，計劃安裝監測傳感器的人還需考慮它是否與現有設備兼容，以及能否滿足長期需求。Weerdesteyn指出：“如果你在網上花20美元買一個廉價設備，它可能會釋放電磁輻射或無線電波干擾其他設備，而且結果可能不準確。”Talvitie補充說：“研究人員應當考慮目標系統的可擴展性，以確保它能夠適應未來的研究擴展計劃。”

當系統出錯時

研究人員與技術支持人員是否具備修復監測系統和傳感器故障的技能，也是一個重要考量。Weerdesteyn指出，對XiltriX公司提供的技術服務的需求正在增長。“過去，首席研究員們往往接受過完整的科學訓練，具備基本的傳感器技術知識；而如今，他們更多被培養為依靠機器來告訴他們實驗室狀況的操作員。”

傳感器能夠生成海量數據，因此數據的存儲位置及保存時長都需要仔細規劃。支持監測系統的軟件，以及通過應用程序或網絡平臺呈現數據的功能也需要定期更新以確保整體數據安全。

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

這些因素將幫助研究人員和實驗室管理者決定是一次性購買設備，還是訂閱相關服務。Talvitie表示：“這實際上取決于研究人員的需求。大型研究機構或公司往往購買大量傳感器和系統，因此更需要、會訂閱更多服務；而規模較小的實驗室通常只進行一次性投資。”

監測設備及支持服務的價格也不可避免地影響決策。Mastenbroek指出，他所在的UMC使用的XiltriX系統及相關服務每年花費超過4萬歐元（約4.65萬美元），“對我們來說這不是問題，因為臨床需要。但對一些研究實驗室而言，這一成本可能偏高。”

相比之下，Stawicki的需求更為簡樸。去年夏天的供暖問題同時觸發了她實驗室的兩套監測系統。德國西門子公司生產的溫度傳感器發出了電話警報，喚醒了她。同時，實驗室的Monnit系統也通過短信和電子郵件發出了提醒。該系統由七個傳感器組成，用于監測溫度、檢測漏水和光照水平。如今購買這一套Monnit系統大約需要1000美元，并需支付每年70美元的訂閱費。事實證明，這筆投資物有所值：Stawicki及時趕到實驗室，打開空間加熱器，避免了斑馬魚因過冷而受損。“如果沒有監測系統，我們發現問題會更晚。那時動物可能已經長時間暴露在有害溫度下。”她說。

原文作者：NicFleming

本文收錄在近期發布的《自然》增刊《自然聚焦-傳感器》中。該期自然聚焦介紹了那些塑造全球智慧城市和我們賴以發展的科學的各類設備，同時也展望未來即將到來的創新。

自然聚焦 - 傳感器

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