[論文レビュー] The Thing With E.coli: Highlighting Opportunities and Challenges of Integrating Bacteria in IoT and HCI

Raphael Kim, Stefan Poslad|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、バイオナノモノのインターネット（IoBNT）における生きた「もの」としての*E. coli*の統合を提案し、細菌の行動と従来のIoTデバイスとの類似性をもとに、HCI分野における人間と細菌の新たな相互作用（HBI）を検討する。DIYバイオロジーとゲーム化を提唱することで、実験へのアクセス障壁を低減し、医療分野や環境モニタリングにおける画期的な可能性と、アクセス可能なバイオIoT研究ツールにおける基盤的欠落を浮き彫りにする。

ABSTRACT

With advances in nano- and biotechnology, bacteria are receiving increasing attention in scientific research as a potential substrate for Internet of Bio-Nano Things (IoBNT), which involve networking and communication through nanoscale and biological entities. Harnessing the special features of bacteria, including an ability to become autonomous - helped by an embedded, natural propeller motor - the microbes show promising array of application in healthcare and environmental health. In this paper, we briefly outline significant features of bacteria that allow analogies between them and traditional computerized IoT device to be made. We argue that such comparisons are critical in terms of helping researchers to explore human-bacteria interaction in the context of IoT and HCI. Furthermore, we highlight the current lack of tangible infrastructure for researchers in IoT and HCI to access and experiment with bacteria. As a potential solution, we propose to utilize the DIY biology movement and gamification techniques to leverage user engagement and introduction to bacteria.

研究の動機と目的

• バイオナノモノのインターネット（IoBNT）における生きたコンponentsとしての細菌、特に*E. coli*の可能性を検討すること。
• IoTおよびHCI分野の研究者が生物学的実験に取り組めるようにするための、実用的でアクセス可能なインfrastrucureの欠如を特定・解決すること。
• 細菌システムと従来のIoTデバイスとの類似性をもとに、人間と細菌の相互作用（HBI）の新たなモデルを提示すること。
• DIYバイオロジー運動とゲーム化技術を活用して、合成生物学分野におけるユーザー参加と教育を促進すること。
• IoTおよびHCI研究への生きた生物の統合における画期的な可能性と、体系的な課題を浮き彫りにすること。

提案手法

• 細菌の移動行動とIoTデバイスの接続性との類似性を描き、*E. coli* を自律的行動を示す「スマート」な生物学的センサーとして扱う。
• DIYバイオロジーラボとオープンソースのバイオツールの活用を提案し、細菌実験へのアクセスを民主化すること。
• 非専門家研究者や学生の参加を促進するため、ユーザー参加を高めるゲーム化戦略を適用する。
• *E. coli* を、その遺伝子がよく解明されており、フラグエルラムの駆動による移動性と、合成生物学分野での確立されたプロトコルがあるため、モデル生物として採用する。
• 従来の無機物IoTデバイスがネットワーク化・制御されるのと同様に、生物学的システムをIoBNTの枠組みの中で「もの」として再定義する。
• 既存のCHIワークショップフレームワークを活用し、制御された参加型の環境でHBI相互作用をプロトタイプ化・評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 *E. coli* を、従来のIoTデバイスと類似する「もの」として、バイオナノモノのインターネット（IoBNT）においてどのように概念化できるか。
• RQ2 IoBNTフレームワーク内での人間と細菌の相互作用（HBI）を可能にするために、主な技術的および倫理的課題は何か。
• RQ3 DIYバイオロジーとゲーム化技術は、HCIおよびIoT分野の研究者が生きた生物にアクセスするための障壁をどのように低減できるか。
• RQ4 バイオIoTおよびHBI分野におけるスケーラブルでアクセス可能な研究を支援するため、現在不足しているインfrastrucureとツールは何か。
• RQ5 生物が能動的かつネットワーク化されたエンティティとして扱われる場合、人間中心のシステムにおいてどのような新しい相互作用パラダイムが生じるか。

主な発見

• 本稿は、*E. coli* がフラグエルラム駆動による自律的移動性と環境への応答性といった固有の性質を有しており、バイオナノネットワークにおけるIoTデバイスと類似した適切なアナログとして適していると特定した。
• IoBNT分野への関心が高まる一方で、IoTおよびHCI分野の研究者が生きた生物学的システムを実験的に扱えるような、実用的でアクセス可能なインfrastrucureの欠落が顕著である。
• DIYバイオロジー運動は、高額な専門的ラボに依存しない細菌実験へのアクセスを民主化する有効な道筋を提供する。
• ゲーム化技術は、合成生物学およびHBI分野におけるユーザー参加を高め、非専門家向けの学習を促進するのに有効である。
• IoTおよびHCI研究への生物の統合には、生物学的ばらつき、成長サイクル、倫理的配慮を考慮した新しい設計原則が不可欠である。
• 著者らは、細菌をIoBNTエコシステム内の「もの」として再考することで、医療分野、環境モニタリング、人間中心のバイオシステム分野における新たな研究分野が開かれるべきだと結論づける。