[论文解读] 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 3

一句话总结

本文倡导在科学研究中采用开源电子设备（如Arduino和Raspberry Pi），以提升定制化、可重复性和可及性。通过使研究人员能够设计、构建并共享低成本、开源的电子仪器，作者展示了开源电子设备如何使先进实验工具的获取更加民主化，降低成本，并在各学科领域促进创新。

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.

研究动机与目标

• 解决科学硬件缺乏开放获取的问题，以克服研究中可重复性和创新性受限的困境。
• 突出开源电子设备在推动跨学科实验科学进步方面的未被充分开发的潜力。
• 为研究人员提供实用指导和工具，以将其整合到工作流程中。
• 通过培训、创客中心和政策变革，推动机构和社区层面支持开源硬件。
• 倡导开放共享设计图、蓝图和方法论，以加速科学领域的集体创新。

提出的方法

• 对现有文献和开源电子设备在科学研究中应用的案例研究进行系统性综述。
• 分析Web of Science和PLOS数据库，绘制2010至2020年间开源电子设备使用情况的增长趋势与学科分布。
• 识别并整理关键开源电子平台（如Arduino、Raspberry Pi）及其与传感器、执行器和微控制器的兼容性。
• 开发面向初学者的“入门工具包”，提供原型设计、电路搭建和软件集成的分步指导。
• 推荐使用开源发布平台（如GitHub、Figshare、《开放硬件期刊》）以共享设计和方法论。
• 提出机构和资助机构的行动建议，例如支持硬件开发时间，并在资助申请中推广开源硬件。

实验结果

研究问题

• RQ1 开源电子设备在哪些方面能够提升科学实验的定制化、效率和可扩展性？
• RQ2 开源电子设备在哪些方面能够增强科学研究的透明度、可重复性和协作性？
• RQ3 为加速开源电子设备在科学领域的应用，需要哪些机构和社区层面的行动？
• RQ4 缺乏电子工程经验的研究人员应如何有效采用并为开源电子项目做出贡献？
• RQ5 开源硬件在多大程度上能够使科学创新摆脱资金限制？

主要发现

• 自2010年以来，开源电子设备的使用显著增长，2010至2020年间，有超过7,400篇会议论文和1,866篇科学论文提及“Arduino”或“Raspberry Pi”。
• 开源电子设备使研究人员能够构建低成本、可定制的仪器，从而提升数据质量和实验通量。
• 截至2020年1月，Raspberry Pi的出货量已超过3,700万台，表明其广泛可及性和强大的社区支持。
• 当开源硬件项目附带详细蓝图和文档时，其可重复性显著提高，同时降低了非工程师的参与门槛。
• 建立创客中心并将在电子工程培训融入职业发展计划的机构，能够加速创新和跨学科协作。
• 通过GitHub等平台和开放获取期刊共享设计，可增强透明度，促进社区反馈，并支持科学工具的长期可持续性。