Citizen science: prøv dette hjemme

I november 2015 samlet flere hundre mennesker seg til et møte i Ben Avon, et nabolag på rundt 2000 mennesker som ligger langs Ohio-elven nordvest for Pittsburgh. Som med tidligere samlinger av denne typen, hadde innbyggerne lært det siste om en uvelkommen nabo.

Den naboen var Shenango Coke Works, et kullforedlingsanlegg som strenger seg over den ene enden av en øy rett overfor Ben Avon. Beboere hadde lenge mistenkt at utslippene fra anlegget forurenset jevnlig luften i en slik grad at det var fare for å bo der. De beskyldte den dårlige luften for astma, kvalme, hodepine og utallige andre sykdommer de og familiene deres hadde hatt. Men i det siste hadde de manglet definitive bevis utenom egne erfaringer.

Så, de fant noen.

Ikke lenge etter at møtet begynte, med en representant fra det amerikanske miljøvernbyrået som satt i første rekke, stod Carnegie Mellon University datamaskinforsker Randy Sargent opp og begynte å snelle seg gjennom tid-lapse-videoer fra kameraer han hadde hjulpet nabolaget til å peke mot Shenango. Ved å ta bilder hvert 5. sekund, 24 timer i døgnet, gjorde kameraene det lettere å gjøre det samfunnet hadde prøvd å gjøre gjennom årene: se på røyken.

Å skille giftige skyer fra ren damp er vanskelig virksomhet, så samfunnet vendte seg til Sargent, som jobber ut av CMUs CREATE Lab (Community Robotics, Education and Technology Empowerment). Han og kollega Yen-Chia Hsu utviklet en datasyn-algoritme for å plukke ut dårlige røyktyper på hvert bilde.

Den resulterende videoen ble sydd sammen fra hundrevis av rammer, og viste en løkketrommel av svarte, brune, blå og oransje skyer fra en måned. Sammen med føderale, lokale og samfunnssensordata samlet inn fra tilsvarende dager, syntes Ben Avons mistanker endelig å finne noe fotfeste: Shenango ga ut tillatelsesforstyrrende mengder giftige stoffer i luften fem av hver syvende dag.

Shenango-kanalen

En måned senere kunngjorde DTE Energy at den ville stenge Shenango-anlegget, med henvisning til et svakt stålmarked og mangel på kunder. I januar hadde anlegget bakt sin siste mengde kull, og det er nå planlagt til riving.

"De sa at det var økonomiske spørsmål, men jeg lurer på om tidslinjen endret seg på grunn av presset fra samfunnet, " sa Bea Dias, prosjektdirektør for CREATE Lab. "Algoritmen var et verktøy som ga stemmene deres mer vekt, et ekstra ben for å lage en sak. Men teknologien ville ikke fungert hvis den ikke hadde et aktivt samfunn å bruke den, folk til å sette den foran beslutningstakere konstant."

Dias 'gruppe er tiltalt for å ha direkte kontakt med lokalsamfunn for å gi dem maskinvare, programvare og andre løsninger for å løse deres bekymringer. Datasyn-algoritmen viste seg å være en spesielt kraftig realisering av dette mandatet. Men det er bare ett eksempel på et felt som har opplevd en fantastisk vekst de siste årene: høyteknologiske verktøy for innbyggervitenskap.

Passord med full tilgang

Selv om du ikke har en fabrikk som pumper ut dårlig luft i hagen din, kan det hende du fortsatt vil være involvert i en slags innbyggervitenskap - som er forskning utført av entusiastiske amatører, enten alene eller i samråd med profesjonelle forskere. Heldigvis for deg, er det noe for enhver smak.

Vil du hjelpe deg med å plukke gjennom terabyte med romteleskopdata for å finne eksoplaneter og kvasarer? Gå over til Zooniverse. Kanskje har du et laboratorieprosjekt i tankene, men du har ikke råd til utstyret. Ikke noe problem; skriv ut delene fra en blåkopi på Appropedias Open Source Lab.

Hva med litt DIY biologi? Lokale bioområder, for eksempel BioCurious i Santa Clara, California eller Baltimore Underground Science Space i Maryland, kan gi råd og hjelpe til med prosjekter som strekker seg fra DNA-ekstraksjon til utskrift av cellekulturer.

Å titte med prosjekter og skaffe innsamlingsdata er to av de viktigste yrkene innen innbyggervitenskap, og en viktig stimulans for det er myndiggjøring.

"Denne nylige æraen med føderal avregulering lyser søkelyset på manglene og manglene i tilsynet, og når vi ikke kan stole på myndigheters inngripen, må vi stole på oss selv, " sa Gretchen Gehrke, data- og talsmann for Public Lab. Men tilgang til nødvendige verktøy for å gjøre det arbeidet kan være en utfordring, la hun til.

"Access" betyr ofte bare å "gjøre ting billigere." Takket være de stadig stupende kostnadene for sensorer og mikrokontrollere, tilgang til satellittdata og andres vilje til å dele teknisk ekspertise, er nå sofistikerte verktøy som bare er tilgjengelige for institusjonelle forskere, i hendene på alle som ønsker dem.

(Foto: Andrew Thaler)

Tenk på Raspberry Pi-baserte spektrometer-design som blir arrangert av Public Labs fellessider. Spektrometre brukes til å bestemme informasjon om et objekt eller stoffer gjennom analysen av dens lysegenskaper. En kommersiell håndholdt versjon kjører omtrent $ 1500; en voluminøs arbeidshest er fem ganger det. Eller med litt veiledning kan du bygge en for deg selv for omtrent 70 dollar.

En annen pioner innen innbyggervitenskap er Andrew Thaler (bildet under), en forsker på dyphavet og marin økologikonsulent som startet oseanografi for alle på grunn av tilgangsbarrierer. Organisasjonens uttalte mål: "Styrke forskere, lærere og innbyggerforskere gjennom lave kostnader, åpen kildekode-maskinvare."

Hovedverktøyet Thaler arbeidet med å utvikle var en CTD, brukt i oseanografi for å måle konduktivitet (saltholdighet), temperatur og trykk. Det er et essensielt verktøy for å studere og forstå et vannmiljø - men hvis du vil ha et, gjør deg klar til å gaffle over $ 6000 til et minimum, opp til titusener.

(Foto: Andrew Thaler)

Med mye tålmodighet og samarbeid med venner og kolleger utviklet Thaler en CDT for $ 300. Den dyreste komponenten er selve sensoren, som kjører nesten $ 200. Likevel testet ved siden av en enhet som koster 200 ganger mer, returnerte Thaler's CTD data innen en 2 prosent feilmargin til den dyrere enheten.

"Det er et stadig mer relevant behov for å minne forskere på at de også er borgere, " sa Thaler. "Javisst, du har kanskje tilgang til et enormt forskningsstipend, og du kan kjøpe en kommersiell enhet på $ 60.000. Men det er en enorm barriere for innreise for samfunnsgrupper som ønsker å overvåke sine egne vassdrag. av billigere utstyr, blir mye mer vitenskap gjort."

Tilgang til overvåking og robotikkverktøy har hjulpet minst et marint samfunn å oppnå et hovedmål. I Mexico brukte flere fiskevær Open Open, den samme open source robotikkplattformen Thaler bruker i sine treningsprogrammer, for å gjennomføre undersøkelser av gassaggregasjoner fra Nassau. Grouperen er en nøkkelrevfisk så vel som en livsviktig kommersiell art, og samfunnet etablerte et beskyttet marint område for å beskytte den mot å bli utslettet av krypskyttere.

(Foto: Michelle Z. Donahue)

Forutsigelse av problemer

I Pittsburgh sluttet ikke CREATE Lab med Shenango. En annen del av oppgaven er å hjelpe lokalsamfunn å bygge videre på kunnskapen og verktøyene de får gjennom å jobbe med forskere fra CMU. Og Pittsburgh er som det er, fremdeles noe i grepet av sine arv fra stålalderen, er Shenango ikke det eneste som gjør en stank.

Skriv inn Smell Pittsburgh, en app som kom ut av CREATE Labs Shenango-arbeid. Fortsatt under utvikling og sett for seg som et verktøy som til slutt kan brukes i alle byer i nasjonen, lar appen beboere merke støtende miljølukt, som er logget inn i appen, så vel som rapportert til den lokale helseavdelingen. Etter logging viser appen et kart som viser andre luktrapporter fra samme dag og klokkeslett.

Mark Dixon, en Pittsburgh-basert dokumentar og industriell ingeniør, beskrev appen som en måte å motivere folk til å være engasjert i noe de ønsker å endre om miljøet sitt.

"Det er denne" ubehagens dal "som oppstår når du rapporterer om problemer og ingenting skjer, " sa Dixon. "Denne appen akselererer folk gjennom den dalen - og det første de ser er at de ikke er alene. Pluss at de virkelig kan se omfanget av problemet."

Dixon jobber for å bygge videre på brukervennligheten til appen. Ett prosjekt innebar å utvikle en algoritme som kombinerer Smell Pittsburgh-rapporter og National Weather Service-data for å prøve å forutsi kommende #Stinkburgh-dager, slik de er tagget på Twitter. Etter å ha oppnådd en suksessrate på omtrent 75 prosent i løpet av en 10-dagers testperiode, delte Dixon informasjonen sin med en gruppe lokale geeks, inkludert en Smell Pittsburgh-utvikler. Som et resultat kan muligheten til påliteligere forutsi dårlige luftsdager komme i fremtidige versjoner av appen.

Prediksjon er også ett mål for en annen type app, Mosquito Habitat Mapper. Appen ble lansert i juni 2017 av Institute for Global Environmental Strategies (IGES) i samarbeid med NASA, og har som mål å identifisere og eliminere farlig mygghabitat.

Appen er allerede testet i Barbuda, Peru og Chile, og trener apper til å identifisere mygglarver de finner, snappe et bilde og eliminere stående vann, og også logge tid, beliggenhet, dato og lokale miljøforhold inn i appens database. Til dags dato har prosjektet samlet rundt 1500 datapunkter - ennå ikke nok til å gi noen meningsfulle forutsigelser. Men håpet er at på lang sikt kan en akkumulering av bedre data fra bakken på steder der myggbåren sykdom er et alvorlig folkehelsespørsmål, bidra til å avgrense prediksjonsmodeller, som i dag er basert på vær- og klimadata samlet av satellitter.

"Det er mye vi ikke vet om hvordan mygg reagerer på mikroklima, " sier Rusty Low, seniorforsker ved IGES som ledet appens utvikling. "Vi ser etter underregionale, underårsaksverktøy som kan brukes av offentlige helsearbeidere og samfunn for å bedre forstå risikoen for sykdom."

I Baltimore kunne Johns Hopkins doktorgradsstudent Anna Scotts Weather Cubes også gi byplanleggere mer å jobbe med når det gjelder planlegging for sunne byer i en varmere fremtid. Scotts terninger, som ble en utvandring av hennes studier på byvarme, er utstyrt med arduino-baserte sensorer for å måle temperatur, fuktighet, ozon, nitrogendioksid, svoveldioksid og hydrogensulfid. Femti kuber er utplassert på 25 steder rundt i byen, og Scott håper å kunne legge ut flere av dem i sommer.

(Foto: Anna Scott)

Tidlig overvåkningsdata avdekket at et større antall små grønne områder, som lommeparker, kan være bedre for å senke temperaturer over hele byen enn flere store parker, ifølge Kristin Baja, en tidligere Baltimore klimapotensibilitetsplanlegger. Denne informasjonen kan forskyve oppfatningen av byens 16.000 ledige partier fra slagkraft til fordelaktig.

I Baltimore Turner Station-området er Larry Bannerman vertskap for to av Scotts terninger. Hans overveiende afroamerikanske samfunn har erfaring med å kjempe mot lokale forurensere og agitere for beskyttelse. Han sa at han er glad for å ha et ekstra kort i kortstokken, hvis han skulle trenge det.

"Vi får et krystallklart bilde av hva som er i luften vår, " sa han. "Den kunnskapen i lommen vår vil være den største eiendelen hvis vi trenger å gjøre noen endringer."

En utsikt fra verdensrommet

Etter John Amos 'syn, vil innbyggerne bidra til å være nøkkelen til å takle et problem som ofte er hans sinn: å gjøre store mengder visuelle data mer brukbare.

Den ideelle ideen han grunnla, SkyTruth, brukte satellittbilderanalyser for å vise at Deepwater Horizon oljeutslipp i 2010 var større enn BPs offentlig uttalte anslag. Selv om gruppen fortsetter å bruke menneskelige øyne for å overvåke satellittbilder for miljøkonsekvenser fra søl, overflateutvinning og annen industriell virksomhet, jobber SkyTruth for tiden med å legge kunstig intelligens, maskinlæring og big data inn i blandingen.

SkyTruth Alerts er en tjeneste brukere kan registrere seg for å bli varslet om visse miljøendringer i et bestemt område - si en ny gassboretillatelse, brudd på tillatelsen eller rapporten om et kjemisk søl eller naturgasslekkasje. Opprinnelig utviklet som et eget verktøy, skrapes varslene for øyeblikket fra kystvakten og rapporteringsnettsteder for statlig miljøavdeling. Rundt 3000 mennesker er nåværende brukere av dette verktøyet.

Utviklingen av tjenesten tar sikte på å inkludere flere og flere datakilder og verktøy, og bruke AI og maskinlæringssystemer for å sammenligne nye satellittbilder ved siden av historiske bilder. Med slike referanser kan analyse oppdage endringer allerede før de rapporteres gjennom offisielle kanaler.

Den hellige gral er å tillate brukere å dele sine egne observasjoner og varsler, og dermed skape en rekke samfunn med felles bekymringer.

Faktisk resulterte publikumsdata fra SkyTruth-brukere for et eget prosjekt, FrackFinder, i flere studier som presset Maryland til å forby fracking i 2017. Johns Hopkins folkehelseforsker Brian Schwartz så på flere helsemessige implikasjoner av å bo i nærheten av frackingbrønner, inkludert astma og for tidlig fødselstall. Selv om han trakk på mange datakilder for studiene, var det "ingen alternativer" til typen data som SkyTruth-brukere bidro med, sa han.

"Vi møtte folkevalgte flere ganger og presenterte funnene våre og svarte på alle spørsmålene deres, " sa Schwartz. "Noen av dem ble rapportert, i avisfortellinger og andre steder, for å ha sagt at 'Johns Hopkins helseundersøkelser' endelig overtalte dem til å stemme for forbudet. Dette er studiene våre."

Kraften til lokal menneskelig observasjon på bakken, kombinert med dataknusende evner til cloud computing, gjør det mulig å se potensielle problemer utfolde seg i sanntid, bemerket Amos.

"Det handler ikke bare om ting som allerede har skjedd, men også ting som skjer i miljøet før vet noe om det, for å bli gjort oppmerksom på at det skjer noe som vi bør være oppmerksom på, " sa Amos. "For meg er det en teknologidrevet, gressrødende revitalisering av miljøisme."

Og interessen for å utnytte ny teknologi for å bare være nysgjerrig vil bare vokse herfra, la CREATE Labs Dias til.

"Denne typen teknologier skal ikke bare være i laboratorier eller i høyere utdannede rom, " sa hun. "De skal være tilgjengelige for hverdagslige mennesker, for å skape og ikke bare forbruke. Og tanken er at når folk først er flytende i teknologi, at de kan ta hverdagslige ting fra sokkelen og hacke noe sammen som fungerer for dem."