科学家的守夜人：传感器让研究更安全

Vaisala的一名员工手持一片正在公司洁净室中制造的晶圆，其上包含气体传感器组件。图片来源：Vaisala

2025年8月24日凌晨1时许，神经科学家Tamara Stawicki被手机铃声骤然惊醒。简短通话后，她立即起身，驱车赶往宾夕法尼亚州伊斯顿的拉斐特学院（Lafayette College）寂静的停车场，然后神情坚定地走进一座庄严的教学楼，依然穿着她的睡衣。这一幕或许会令偶然经过的路人困惑不已。

事实上，Stawicki此刻肩负着紧急任务：拯救实验室中约一千条斑马鱼（Danio rerio）的生命。这些鱼体侧排列的毛细胞与哺乳动物内耳的毛细胞高度相似，使其成为研究抗生素和化疗药物所致人类听力损伤的重要模型。当天实验室传感器检测到供暖系统因电力故障而停摆，校园安保随即通知了Stawicki。她必须争分夺秒救下这些鱼，从而维系她的研究。

Stawicki所使用的这类传感器已逐渐成为实验室的常见配置。实验室管理者在投资新技术时更可能选择升级现有系统而非尝试全新的。位于荷兰罗斯马伦的XiltriX公司首席商务官Han Weerdesteyn说：“二十年前，远程监控实验室还被视为一种奢侈，如今许多实验室已换上第二代或第三代系统。因此人们对于能够收集到哪些信息、能够怎样使用这些信息有了更深入的理解。”这家公司正是此类系统的供应商。

尽管研究人员及其技术同事大致了解传感器系统的功能，但在决定升级时仍需权衡诸多因素。例如，他们是否只打算一次性购买硬件与软件，还是计划持续订阅相关服务？新系统能否与现有技术兼容，还是会彼此干扰？另外，维护与技术支持、数据安全与存储需求、传感器校准以确保精确度等问题，都是不可忽视的考量。

几乎所有实验室如今都已在楼宇管理系统中配备传感器，用于监控和控制供暖、通风、空调、电力、照明及安保。研究人员所使用的远程监控传感器常被称为环境监测系统，其中最常见的包括测量相对湿度、光照、房间占用情况、压差及气体浓度的设备。其他传感器则可检测运动、门的开关状态、设备运行情况、是否有水泄漏或电池电量。

温度传感器是面向学术与产业实验室的畅销产品。位于芬兰万达市的测量设备公司Vaisala的技术战略分析师Hannu Talvitie指出：“无论研究对象是物理材料、化学反应还是生物系统，其结果或行为几乎都依赖于温度，因此温度测量设备是实验室里最常见的传感器。”

在部分实验室中，传感器数据仍需人工收集，但这一过程耗时且可能导致发现问题的那一刻为时已晚。越来越多的传感器如今能够通过有线或无线网络自动传输信息至中央枢纽。软件对数据进行分析，将其转化为易于理解的可视化图表，同时上传至云端，使研究人员能够通过手机应用或网页访问，并在必要时触发紧急警报。

科学家使用这些系统的原因之一是避免设备故障带来的灾难性后果。“这意味着我可以放心睡觉。”阿姆斯特丹大学医学中心（UMC）生殖医学中心的临床胚胎学家、阿姆斯特丹生殖与发育研究所所长Sebastiaan Mastenbroek表示。其临床部门储存约25万份患者样本并提供体外受精（IVF）服务，与研究设施相同均采用XiltriX公司提供的系统。这些系统包括监测冷冻保存精子、卵母细胞、胚胎及睾丸组织切片的温度传感器；监测胚胎与细胞培养箱内温度、二氧化碳与氧气水平的传感器；以及设备运行与网络连接状况的监控。系统故障会自动触发对实验室工作人员的电话警报。

2018年4月某日凌晨1点半左右，因当地停电，Mastenbroek接到过一次此类警报并紧急赶往实验室。他确保备用电源及时接入，使临床与研究样本维持在适宜的温度。“很难想象现代的IVF设施没有监测系统”他说，“对我而言，在研究实验室安装这样的系统是必然的选择。”

人工智能的前景

部分监测系统的功能已超越单纯在紧急情况下发出警报。位于美国马萨诸塞州剑桥的Elemental Machines软件公司，希望在告知用户问题发生的同时，使用人工智能分析历史数据解释其原因。公司创始人兼首席战略与技术官Sridhar Iyengar表示：“我们会观察导致凌晨两点冷冻柜报警的温度变化模式，以判断究竟是有人频繁开关门，还是压缩机出现故障。这意味着你可以决定是继续睡觉，还是必须赶去查看。”

类似的方法也可用于识别设备何时需要维护，或某项技术是否不适合特定任务。例如，Mastenbroek实验室的监测系统曾记录冰箱内为防止结冰而设定的温度波动。这让他意识到该设备并不适合储存细胞培养基。Elemental Machines还基于传感器数据为实验室设备生成了所谓的“人工智能驱动健康评分”，以便在问题恶化之前发现潜在变化。

传感器帮助Tamara Stawicki避免了鱼群损失。图片来源：Amy Badillo

自动化的连续数据采集能够帮助科学家更快理解研究失败的原因。Weerdesteyn回忆，他在荷兰奈梅亨拉德堡德大学攻读硕士期间深刻体会到基础数据左右科研成败的重要性。他研究烟草植物中重复出现的一段核苷酸序列时，实验突然中止了。最终花了约三个月的时间才发现，原因是同事曾忘记关上冷冻柜门，导致他用于PCR反应的催化剂失效。但到那时，他已没有足够时间，研究项目也未能产出成果。

Weerdesteyn表示，这段经历终结了他作为科学家的职业生涯，却也启发了他为他人提供监测系统的想法。他指出，没有传感器信息，研究人员对实验室内的情况几乎一无所知；而有了传感器，当问题出现时，至少能知道从哪里开始排查。能够回溯查看哪些参数发生了变化，也有助于使研究在长期过程中不断得到改进。

对于寻求私营部门资助（如制药公司）的实验室而言，安装可靠的监测系统还可能带来经济上的益处。Weerdesteyn解释道：“拥有传感器数据意味着研究人员能够证明自己可以产出高质量且一致的结果，因此更有可能获得产业界的资助。”

研究人员与实验室管理者在考虑是否投资传感器监测系统或在不同系统之间做抉择时，还有一些关键问题需要关注。其中最重要的便是确保数据的准确性。Talvitie强调：“错误的数据比没有数据更糟糕。如果希望获得可信的测量结果，可靠的设备和定期校准是必不可少的。”

校准的过程涉及将传感器的准确性与经过认证的设备进行比对，这可以由实验室人员或外部服务提供商完成。传感器也可以在购买时预先校准。例如，总部位于美国犹他州盐湖城的监测系统供应商Monnit为客户提供由美国国家标准与技术研究院（NIST）认证的校准证书。该公司执行副总裁Nick Mecham表示：“几乎所有客户都会选择这一服务。校准在医疗研究等领域尤为重要，因为这些领域对温度偏差的容忍度极低。”

此外，计划安装监测传感器的人还需考虑它是否与现有设备兼容，以及能否满足长期需求。Weerdesteyn指出：“如果你在网上花20美元买一个廉价设备，它可能会释放电磁辐射或无线电波干扰其他设备，而且结果可能不准确。”Talvitie补充说：“研究人员应当考虑目标系统的可扩展性，以确保它能够适应未来的研究扩展计划。”

当系统出错时

研究人员与技术支持人员是否具备修复监测系统和传感器故障的技能，也是一个重要考量。Weerdesteyn指出，对XiltriX公司提供的技术服务的需求正在增长。“过去，首席研究员们往往接受过完整的科学训练，具备基本的传感器技术知识；而如今，他们更多被培养为依靠机器来告诉他们实验室状况的操作员。”

传感器能够生成海量数据，因此数据的存储位置及保存时长都需要仔细规划。支持监测系统的软件，以及通过应用程序或网络平台呈现数据的功能也需要定期更新以确保整体数据安全。

由XiltriX公司生产的低温控制器，用于测量布鲁塞尔IVF冷冻库内的温度和液体水平。图片来源：Han Weerdesteyn

这些因素将帮助研究人员和实验室管理者决定是一次性购买设备，还是订阅相关服务。Talvitie表示：“这实际上取决于研究人员的需求。大型研究机构或公司往往购买大量传感器和系统，因此更需要、会订阅更多服务；而规模较小的实验室通常只进行一次性投资。”

监测设备及支持服务的价格也不可避免地影响决策。Mastenbroek指出，他所在的UMC使用的XiltriX系统及相关服务每年花费超过4万欧元（约4.65万美元），“对我们来说这不是问题，因为临床需要。但对一些研究实验室而言，这一成本可能偏高。”

相比之下，Stawicki的需求更为简朴。去年夏天的供暖问题同时触发了她实验室的两套监测系统。德国西门子公司生产的温度传感器发出了电话警报，唤醒了她。同时，实验室的Monnit系统也通过短信和电子邮件发出了提醒。该系统由七个传感器组成，用于监测温度、检测漏水和光照水平。如今购买这一套Monnit系统大约需要1000美元，并需支付每年70美元的订阅费。事实证明，这笔投资物有所值：Stawicki及时赶到实验室，打开空间加热器，避免了斑马鱼因过冷而受损。“如果没有监测系统，我们发现问题会更晚。那时动物可能已经长时间暴露在有害温度下。”她说。

原文作者：NicFleming

本文收录在近期发布的《自然》增刊《自然聚焦-传感器》中。该期自然聚焦介绍了那些塑造全球智慧城市和我们赖以发展的科学的各类设备，同时也展望未来即将到来的创新。

自然聚焦 - 传感器

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