[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出将 *E. coli* 细菌作为生物纳米物联网络（IoBNT）中的活体'实体'，通过将细菌行为与传统物联网设备进行类比，探索人-细菌交互（HBI）在人机交互（HCI）领域的新可能。文章倡导采用DIY生物学和游戏化方法以降低实验门槛，强调在医疗保健和环境监测领域所蕴含的变革性机遇，同时指出了在可及的生物物联网研究工具方面存在的关键基础设施缺口。

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.

研究动机与目标

• 探索利用细菌（特别是 *E. coli*）作为生物纳米物联网络（IoBNT）中活体组件的潜力。
• 识别并解决物联网（IoT）和人机交互（HCI）研究人员在实验生物实体时缺乏实体化、可及性基础设施的问题。
• 通过将细菌系统与传统物联网设备进行类比，为新型人-细菌交互（HBI）模型提供参考。
• 通过DIY生物学运动和游戏化技术，促进合成生物学领域的用户参与与教育。
• 强调在将活体生物整合进物联网和HCI研究过程中所面临的变革性机遇与系统性挑战。

提出的方法

• 通过类比细菌的运动性与物联网设备的连接性，将 *E. coli* 视为具备自主行为的‘智能’生物传感器。
• 提出利用DIY生物学实验室和开源生物工具，以实现细菌实验的民主化。
• 应用游戏化策略以提升用户参与度，并降低非专业研究人员与学生参与的门槛。
• 选择 *E. coli* 作为模式生物，因其基因特性明确、可通过鞭毛马达实现运动性，且在合成生物学中已有成熟实验协议。
• 将生物系统重新定义为IoBNT范式中的‘实体’，类似于静态物联网设备的联网与控制方式。
• 借助现有的CHI研讨会框架，在受控的、参与式环境中原型化并评估HBI交互。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将 *E. coli* 概念化为生物纳米物联网络中的‘实体’，使其类比于传统物联网设备？
• RQ2 在IoBNT框架内实现人-细菌交互（HBI）所面临的关键技术与伦理挑战是什么？
• RQ3 DIY生物学和游戏化技术如何降低HCI与物联网研究人员实验活体生物的门槛？
• RQ4 当前缺少哪些基础设施与工具，以支持生物物联网与HBI研究的可扩展性与可及性？
• RQ5 当细菌被视为人类中心系统中主动的、联网的实体时，会涌现出哪些新型交互范式？

主要发现

• 本文指出，*E. coli* 具备内在特性——如通过鞭毛马达实现的自主运动性及对环境的响应能力——使其成为生物纳米网络中物联网设备的可行类比。
• 尽管IoBNT兴趣日益增长，但物联网与HCI研究人员在实验活体生物系统时，仍存在显著的可及性、实体化基础设施缺口。
• DIY生物学运动为实现细菌实验的民主化提供了切实可行的路径，减少了对高成本、专业实验室的依赖。
• 游戏化技术可增强用户参与度，并促进合成生物学与HBI的学习，尤其对非专业受众而言。
• 将细菌整合进物联网与HCI研究需要新的设计原则，以兼顾生物变异性、生长周期及伦理考量。
• 作者得出结论：将细菌重新构想为IoBNT生态系统中的‘实体’，将为医疗保健、环境监测及以人为本的生物系统研究开辟新的研究路径。