[論文レビュー] Harnessing the Benefits of Open Electronics in Science

Michael Oellermann, Jolle W. Jolles+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Scientific Computing and Data Management参考文献 67被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、研究分野におけるカスタマイズ性、再現可能性、アクセス可能性を向上させるために、Arduino や Raspberry Pi などのオープンエレクトロニクスの採用を提唱している。研究者が低価格でオープンソースの電子機器を設計・構築・共有できるようにすることで、著者たちはオープンエレクトロニクスが、先進的な実験ツールへのアクセスを民主化し、コストを削減し、分野横断的なイノベーションを促進できることを示している。

ABSTRACT

Freely and openly shared low-cost electronic applications, known as open electronics, have sparked a new open-source movement, with much un-tapped potential to advance scientific research. Initially designed to appeal to electronic hobbyists, open electronics have formed a global community of "makers" and inventors and are increasingly used in science and industry. Here, we review the current benefits of open electronics for scientific research and guide academics to enter this emerging field. We discuss how electronic applications, from the experimental to the theoretical sciences, can help (I) individual researchers by increasing the customization, efficiency, and scalability of experiments, while improving data quantity and quality; (II) scientific institutions by improving access and maintenance of high-end technologies, visibility and interdisciplinary collaboration potential; and (III) the scientific community by improving transparency and reproducibility, helping decouple research capacity from funding, increasing innovation, and improving collaboration potential among researchers and the public. Open electronics are powerful tools to increase creativity, democratization, and reproducibility of research and thus offer practical solutions to overcome significant barriers in science.

研究の動機と目的

• 研究におけるオープンアクセスの科学的ハードウェアの欠如が、再現性やイノベーションの制限要因となっているのを是正すること。
• 多様な分野における実験科学の前進に向けた、オープンエレクトロニクスの潜在的利点を浮き彫りにすること。
• 研究者がワークフローにオープンエレクトロニクスを統合できるように、実用的なガイダンスとツールを提供すること。
• 教育機関やコミュニティレベルでの支援を促進するため、トレーニング、メイカーハブ、政策変更を通じてオープンハードウェアを推進すること。
• 設計図、図面、メソドロジーのオープン共有を提唱し、科学分野における集団的イノベーションを加速すること。

提案手法

• オープンエレクトロニクスが科学的研究に応用される分野における、既存の文献および事例研究の体系的レビュー。
• Web of Science および PLOS データベースの分析を通じて、2010年から2020年の間におけるオープンエレクトロニクスの使用の成長傾向と分野別分布をマッピングすること。
• 主なオープンエレクトロニクスプラットフォーム（例：Arduino、Raspberry Pi）の同定とキュレーション、およびセンサー、アクチュエータ、マイコン制御との相互運用性の分析。
• プロトタイピング、回路構築、ソフトウェア統合のステップバイステップガイドを備えた、初心者向けの「ベーシックツールキット」の開発。
• 設計図やメソドロジーの共有に適したオープンアクセスの出版プラットフォーム（例：GitHub、Figshare、Journal of Open Hardware）の推奨。
• 研究機関や資金提供機関による施策の提言、例えばハードウェア開発の時間的支援や、助成金申請書にオープンハードウェアを組み込むことの推進。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンエレクトロニクスは、科学的実験のカスタマイズ性、効率性、スケーラビリティをどのように向上させることができるか？
• RQ2 オープンエレクトロニクスは、科学的研究における透明性、再現性、共同作業をどのように高めることができるか？
• RQ3 オープンエレクトロニクスの科学分野への導入を加速するために、どのような機関的・コミュニティレベルの対応が必要か？
• RQ4 電子工学経験が限られた研究者が、どのようにしてオープンエレクトロニクスプロジェクトを効果的に採用し、貢献できるか？
• RQ5 オープンハードウェアは、資金制約から科学的イノベーションをどのように分離可能にするか？

主な発見

• 2010年から2020年の間に、『Arduino』または『Raspberry Pi』を含む論文が7,400件以上の国際会議プロシーディング、1,866件以上の科学的論文で引用された。
• オープンエレクトロニクスにより、低コストでカスタマイズ可能な計器を構築できるため、データ品質と実験のスループットが向上する。
• 2020年1月時点で、Raspberry Pi は3,700万台以上が販売されており、広範なアクセス可能性とコミュニティ支援の存在を示している。
• 詳細な図面とドキュメンテーションを併記したオープンハードウェアプロジェクトは、再現性を著しく向上させ、エンジニアでない研究者にとっての参入障壁を低減する。
• メイカーハブを設立し、キャリア開発プログラムに電子工学教育を統合する機関は、イノベーションと分野横断的協働を加速できる。
• GitHub やオープンアクセスジャーナルなどのプラットフォームを通じた設計図のオープン共有は、透明性を高め、コミュニティからのフィードバックを促進し、科学的ツールの長期的持続可能性を支援する。