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Jun 11, 2024

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In Entwicklungsländern ist es schwierig, die High-Tech-Ausrüstung zu bekommen und zu warten, die wir mit modernen Labors assoziieren. Aber könnte Open-Science-Hardware eine Lebensader sein? Rachel Brazil ermittelt

In Entwicklungsländern ist es schwierig, die High-Tech-Ausrüstung zu bekommen und zu warten, die wir mit modernen Labors assoziieren. Aber könnte Open-Science-Hardware eine Lebensader sein?Rachel Brasilienuntersucht

Wenn Sie ein modernes Physiklabor betreten, werden Sie alle Arten von High-Tech-Instrumenten sehen. Es gibt Spektrometer, Mikroskope, Oszilloskope und Diffraktometer, die alle Daten, Spektren und Bilder ausspucken. Abgesehen davon, dass sie teuer sind, besteht das Hauptproblem dieser „Black-Box“-Instrumente darin, dass sie nicht vollständig überprüft oder angepasst werden können. Wenn sie kaputt gehen, müssen Sie oft Techniker bezahlen, die sie reparieren.

Aber was wäre, wenn Sie Ihre eigene Ausrüstung herstellen könnten? Dies ist das Prinzip der Open-Science-Hardware-Bewegung, die es Menschen ermöglicht, Hardware für wissenschaftliche Zwecke herzustellen, zu modifizieren und zu teilen. Durch die gemeinsame Nutzung von Designplänen und den Einsatz von 3D-Druckern können Geräte schnell und kostengünstig hergestellt werden. Die Idee hat die Fantasie vieler Forscher beflügelt, aber für Wissenschaftler in Afrika und anderen Teilen der Entwicklungsländer ist Open-Science-Hardware eine Lebensader, die ihrer Lehre und Forschung zugute kommen könnte.

Der Trend zu Open-Source-Hardware begann Mitte der 2000er Jahre. Es entstand aus der „Maker-Bewegung“ in den USA, wo die DIY-Kultur mit der Hacker-Kultur verschmolz, in der Mitglieder der IT-Community gemeinsam Code modifizierten und entwickelten, um Softwaresysteme zu verbessern. Der Kern der Maker-Bewegung war die Philosophie, dass die Erleichterung der eigenen Herstellung von Dingen für den Einzelnen zu einer neuen Ära der Mikrofertigung führen und das Monopol der Massenfertigung beenden könnte. Das Gerät, das dies ermöglichte, war der 3D-Drucker, der für den Verbrauchermarkt immer preiswerter wurde. Dank Online-Depots wie Thingiverse könnten Menschen damit beginnen, Designs zu teilen und sie mithilfe des Lego-Polymers, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder aus Biomasse gewonnener Polymilchsäure (PLA) aus Kunststoff in 3D zu drucken.

Die Maker-Bewegung fand bald ihren Weg in die Wissenschaften, aber laut Jenny Molloy, einer frühen Befürworterin der offenen Wissenschaft und Forschungsstipendiatin an der Universität Cambridge, Großbritannien, war es nicht ganz so einfach, andere, nichtwissenschaftliche Dinge herzustellen. „[Allgemeine Hersteller] mussten sich in der Regel nicht mit der Qualitätssicherung, Einhaltung von Standards, Kalibrierung und Reproduzierbarkeit befassen, die in der Wissenschaft erforderlich sind“, sagt sie.

Auch für die Wissenschaft war das Open-Source-Konzept nicht ganz neu. In den 1990er Jahren entwarf Linus Torvalds an der Universität Helsinki, Finnland, das Linux-Betriebssystem, das einen zugrunde liegenden Quellcode bereitstellte, der von jedermann verwendet, geändert und verbreitet werden konnte. Mittlerweile wird es häufig in Servern, Software und Firmware verwendet, darunter Android-Smartphones, TiVo-Digitalvideorecorder und Satellitennavigationssysteme für Fahrzeuge. Sein Erfolg wird oft auf die gemeinschaftliche Open-Source-Entwicklung zurückgeführt, da sie eine schnelle Problemlösung ermöglicht.

Könnte ein ähnlicher Ansatz also für das wissenschaftliche Hardware-Design funktionieren? Eine der ersten Organisationen, die dies testeten, war das CERN in der Schweiz. „Die meisten am CERN entworfenen Leiterplatten werden heute als offene Hardware hergestellt“, sagt Molloy. „Für sie ist es ein sehr pragmatischer Ansatz.“ Seit 2009 ermöglicht das offene Hardware-Repository (OHR) von CERN Entwicklern, Duplikate und Überprüfungsarbeiten zu vermeiden. Sie haben außerdem eine eigene Open-Hardware-Lizenz geschaffen, um einen rechtlichen Rahmen für diesen Technologieaustausch zu schaffen.

Ein weiterer Befürworter von Open-Source-Hardware ist Tom Baden, Neurowissenschaftler an der University of Sussex im Vereinigten Königreich, der sich 2012 nach dem Kauf eines 3D-Druckers engagierte. Er gibt zu, dass er „nicht wirklich einen Plan hatte“ und begann, Objekte mit aus dem Internet heruntergeladenen Designs zu drucken. Da er unbedingt seine eigenen Dinge entwerfen wollte, ließ er sich von einer einfachen Mikropipette inspirieren. „Ich dachte, ich könnte vielleicht die Grundidee übernehmen und eine etwas präzisere entwerfen“, erinnert sich Baden.

Anschließend richtete er die Website Open-Labware.net ein, um die Online-Reaktion auf seine Entwürfe zu testen. Es bietet mittlerweile zahlreiche Open-Science-Hardwaredesigns und Modifikationen bestehender Geräte an. Sehr beliebte Designs, wie zum Beispiel die Pipette, können rund 30.000 Mal heruntergeladen werden. „Teilen macht Freude“, sagt Baden.

Neben 3D-Druckern ist die weitere wichtige Entwicklung in der Open-Hardware-Community in den letzten Jahren das Aufkommen kostengünstiger, leistungsstarker Elektronik wie Arduino-Mikrocontroller, Raspberry Pi-Computer und kundenspezifischer integrierter Schaltkreise. Daher können die in Online-Repositories verfügbaren Designs von winzigen Zubehörteilen wie Pipetten bis hin zu komplexen Maschinen reichen. „Es gibt Forscher in der Physik, die nebenbei auch ganz schön komplizierte Maschinen bauen, zum Beispiel Rasterlasermikroskope“, sagt Baden. Ein beliebtes Design ist ein Polymerase-Kettenreaktions-Thermocycler (PCR), der in allen molekularbiologischen Labors zur DNA-Amplifikation verwendet wird. „Es kostet ein paar tausend Dollar, aber im Grunde handelt es sich nur um ein Heiz- und Kühlgerät mit Zeitschaltuhr. Sie können sich also vorstellen, dass es vom Konzept her recht einfach zu bauen ist“, fügt er hinzu.

Einige Geräte werden inzwischen in erster Linie für Bildungszwecke und nicht für Forschungszwecke gebaut. Dazu gehört ein Lego-basiertes, kostengünstiges Rasterkraftmikroskop (AFM), das 2013 von einer internationalen Studentengruppe im Rahmen der von Lego gesponserten LEGO2NANO-Veranstaltung gebaut wurde. Das Design bildet nun die Grundlage von OpenAFM – einem gemeinnützigen Start-up, das andere Schulen zum Bau dieser Geräte ermutigen soll.

Richard Bowman, ein Optikphysiker an der University of Bath, Großbritannien, hat ebenfalls ein Open-Source-Mikroskop namens OpenFlexure-Mikroskop entwickelt, das in Schulen eingesetzt werden könnte. Das 3D-gedruckte Lichtmikroskop verwendet eine modifizierte Webcam als Optik und verfügt über einen mechanischen Tisch, der eine Positionierung einer Probe und einer Linse im Submikrometerbereich ermöglicht. Bowmans Design wurde offen auf der Softwareentwicklungsplattform GitHub geteilt und kann auch leicht geändert und angepasst werden.

„Die Idee, Hardware auf ähnliche Weise teilen zu können wie Software, gefiel mir wirklich“, sagt er. „Die einfachste Version [des OpenFlexure-Mikroskops] entspricht definitiv einem einfachen Schulmikroskop – es eignet sich gut zum Betrachten einzelner menschlicher Zellen.“ Aber für Bowman gibt es noch einen weiteren Reiz. „Ich kann ein paar Schalter im Design umlegen und etwas bekommen, das eine richtige Objektivlinse und andere Optiken verwendet, was bedeutet, dass die erzeugten Bilder mehr oder weniger den Arten von Mikroskopen entsprechen sollten, die in Krankenhäusern in Entwicklungsländern verwendet werden.“ ”

Bowmans Wunsch, etwas zu schaffen, das in Entwicklungsländern eingesetzt werden könnte, ist ein gemeinsames Thema unter Mitgliedern der Open-Science-Hardware-Community. „Die experimentelle Wissenschaft wird [in den Entwicklungsländern] wirklich dadurch gebremst, dass sie nicht in der Lage ist, Hardware zu bekommen, und wenn sie über Hardware verfügen, nicht in der Lage ist, sie zu warten und zu warten“, sagt Bowman. „So landet die Hardware schließlich auf einem Podest in der Ecke des Labors und wird nur zur Präsentation vor Besuchern verwendet, da es ihnen eigentlich unmöglich ist, sie am Laufen zu halten.“ Open-Science-Hardware könnte daher helfen, diese Probleme zu umgehen.

Im Jahr 2010 gründete Baden zusammen mit der Neurowissenschaftlerin Lucia Prieto-Godino, die heute am Crick Institute in London arbeitet, eine Wohltätigkeitsorganisation namens TReND in Africa (Teaching and Research in Neuroscience for Development). Es unterstützt die Neurowissenschaften (und oft auch andere Disziplinen) an afrikanischen Universitäten durch die Bereitstellung von Schulungen in Open-Science-Hardware.

André Maia Chagas, Projektleiter von TReND in Afrika, sieht die Aufgabe darin, lokales Fachwissen und Fähigkeiten zu entwickeln. „Wir zeigen den Leuten, dass sie mit sehr grundlegenden Kenntnissen in Elektronik und 3D-Druck ihre eigene Laborausrüstung bauen können. Deshalb haben wir versucht, den Leuten zu zeigen, dass das etwas ist, was jeder tun kann“, sagt Maia Chagas. Er tut dies, indem er lokale Workshops organisiert, darunter eine zweiwöchige Veranstaltung, die im Juli 2017 an der Universität von Ibadan, Nigeria, stattfand und bei der 50 Gruppenbewerbungen aus sieben verschiedenen Ländern eingereicht wurden. Am letzten Kurstag zerlegten die Teilnehmer die 3D-Drucker und jede Gruppe nahm einen mit nach Hause.

Mit seinem 3D-gedruckten Mikroskop verfolgt Bowman den DIY-Ansatz auch nach Afrika. Im Jahr 2015 war er Mitbegründer des gemeinnützigen Unternehmens WaterScope, dessen Ziel es ist, kostengünstige Methoden zur Prüfung der Wasserqualität in Entwicklungsländern bereitzustellen. Da das Mikroskop 3D-gedruckt ist, ist es günstig und kann von jedem gedruckt werden, sofern er über einen 3D-Drucker verfügt. WaterScope nutzte zunächst digitale Mikroskope zum Nachweis von Bakterien im Wasser, hat nun aber ein Projekt in Zusammenarbeit mit dem Ifakara Health Institute in Tansania zur Diagnose von Malaria hinzugefügt.

Die Mikroskope dienen dem Nachweis von Plasmodium-Parasiten in Blutproben. „Die Idee besteht darin, die Arbeit zu beschleunigen, indem einige der langweiligen Aufgaben automatisiert werden, damit sich der Techniker auf den schwierigen Teil konzentrieren kann, nämlich die Suche nach den eigentlichen Parasiten“, erklärt Bowman. Anstatt durch ein Okular zu blicken, kann der Techniker auf einen Bildschirm blicken und so die Automatisierung einführen. Das Mikroskop kann auch automatisch die gesamte Probe scannen. „Der Techniker kann es dann wie bei Google Maps durchsuchen und sich die Parasiten ansehen“, sagt Bowman.

Seine Gruppe erhielt kürzlich ein Stipendium des britischen Engineering and Physical Sciences Research Council für die Entwicklung eines maschinellen Lernansatzes zur Erkennung infizierter Zellen, so dass nur eine kleine, nicht identifizierte Gruppe für die Überprüfung durch den Techniker übrig bleibt. „Mein größter Traum ist es, dass Sie [unser Mikroskop] nicht nur in Krankenhäusern, sondern auch in relativ ländlichen Kliniken finden“, sagt Bowman. „Wir hoffen, dass die Hardware vor Ort hergestellt, gewartet und gewartet werden kann und dass sie so günstig ist, dass selbst solche Orte über ein automatisiertes Mikroskop verfügen können.“

Aber wie einfach oder machbar ist es für Wissenschaftler in Entwicklungsländern, diese Ansätze zu übernehmen? Ihab Riad, ein Physiker an der Universität von Khartum im Sudan, ist einer von einer wachsenden Zahl afrikanischer Wissenschaftler, die damit beginnen, ihre eigene Hardware zu bauen.

Nach seiner Doktorarbeit in Südafrika kehrte Riad in den Sudan zurück, stellte jedoch fest, dass es ihm unmöglich war, seine Forschung fortzusetzen. „Es ist nicht nur mein Problem, es ist das Problem so vieler meiner Kollegen, die überall in Europa promoviert haben“, erklärt er. „Ich konnte mit der Astronomie nichts anfangen. Zwei, drei Jahre lang war ich völlig frustriert.“ Besonders schwierig ist die Situation im Sudan aufgrund der anhaltenden Sanktionen der USA und Europas sowie eines Embargos, das den Kauf von Ausrüstung erschwert, selbst wenn die Ressourcen vorhanden sind.

Stattdessen konzentrierte er seine Bemühungen auf den Bau und die Konstruktion von Geräten für den Unterricht der 300 Physikstudenten an der Universität. „Viele Fakultäten für Physik sind darauf angewiesen, Geräte aus dem Ausland zu kaufen, was sehr teuer ist. Daher hoffe ich, dass ich zumindest für Studenten [experimentelle] Aufbauten erstellen kann, die anderen Benutzern zur Verfügung stehen“, sagt Riad. TReND in Afrika stellte Riad einen 3D-Drucker zur Verfügung und half ihm bei Bedarf bei der Beschaffung elektronischer Komponenten. Tatsächlich hat er für einen Kollegen aus der Biologie bereits eines von Badens Mikroskopen und einen Ultraschallsignalgenerator für Schallgeschwindigkeitsexperimente gebaut. Dazu nutzte er auch Open-Source-Mikrocontroller-Kits von Arduino und Open-Source-CAD-Software.

Ich weiß, wie ich die von mir gebaute Einheit reparieren und replizieren kann – das ist auch sehr wichtig

„Ich habe es geschafft, den Preis um 40 % niedriger zu halten, als wenn ich das Gerät in China gekauft hätte, geschweige denn in Europa, also macht es einen Unterschied“, sagt Riad. „Und ich weiß, wie ich die von mir gebaute Einheit reparieren und nachbilden kann – das ist auch sehr wichtig.“ Er versucht nun, Experimente zum Unterrichten von Mechanik und Dynamik zu bauen. „Es ist uns gelungen, zu einem vernünftigen Preis eine Luftkissenbahn zu bauen, und jetzt baue ich die Elektronik für eine Zeitschaltuhr.“

Der Drang nach mehr dieser Art von DIY-Builds wurde von der Global Open Science Hardware (GOSH)-Community aufgegriffen. Das erste „Treffen“ fand 2016 am CERN statt, bei dem die 60 Teilnehmer ein Manifest erarbeiteten. Ein weiteres Treffen fand im März 2017 in Santiago, Chile, mit 100 Teilnehmern aus Wissenschaft, Bildung und Nichtregierungsorganisationen statt.

Laut Baden hat Open-Science-Hardware den größten Einfluss in Asien, was auf die hohe Zahl von Zugriffen aus Indien auf die Online-Open-Science-Depots hinweist. Auch Afrika ist auf dem Vormarsch. Eine Auswahl von Teilnehmern des jüngsten Africa Open Science and Hardware Summit, der im April in Kumasi, Ghana, stattfand, verdeutlicht die Bandbreite der DIY-Aktivitäten, die bereits stattfinden: Der Netzwerkingenieur Stanley Osajeh aus Nigeria baut günstigere DIY-Smart-Energiezähler; Christonsia Mushi, Kreativitätstrainerin am Twende Innovation Center in Tansania, nutzt Open-Source-Hardware, um Selbstvertrauen und Fähigkeiten bei Schülern zu entwickeln; und Rea Nkhumise, ein Ingenieur am Square Kilometre Array-Teleskop in Südafrika, baut eine DIY-Bandbibliothek für die immense Menge an Bilddaten, die das Teleskop sammelt – er geht davon aus, dass das Unternehmen dadurch mindestens 120.000 US-Dollar einsparen wird.

Es gibt jedoch immer noch Hindernisse und eine große Herausforderung in Afrika besteht darin, Vertrauen zu entwickeln. „Schon den Leuten zu zeigen, wie einfach es sein kann, einige dieser Techniken in ihren Laboren zu etablieren, kann einen großen Unterschied machen“, sagt Baden. Riad stimmt zu: „Bei einem unserer Experimente ist der Name der ‚Universität von Khartum‘ auf die Platine gedruckt, und wann immer die Studenten ihn sehen, sind sie begeistert, dass es sich um etwas handelt, das vor Ort hergestellt wurde.“ Für einen Schüler ist es auch sehr lehrreich, wenn man ihm sagt, dass die Dinge, die er benutzt, keine Blackboxes sind – wir wissen, wie es geht, und irgendwann können Sie auch wissen, wie es geht.“

Doch 3D-Drucker sind in Afrika immer noch spärlich und in manchen Ländern ist es nicht einfach, den für den 3D-Druck benötigten Plastikmüll zu finden oder zu verarbeiten. Hier können Organisationen wie die Wohltätigkeitsorganisation TechforTrade helfen: Sie versucht, eine 3D-Druck-Infrastruktur aufzubauen, bei der Müllsammler den für die Wiederverwertung benötigten Plastikmüll zu 3D-Drucker-Filamenten einsammeln.

Insgesamt ist Open-Science-Hardware heute eine beträchtliche, wenn auch Nischenaktivität, die hauptsächlich von begeisterten Wissenschaftlern in der entwickelten Welt vorangetrieben wird. Dadurch konnten sie maßgeschneiderte Geräte herstellen und kleine Accessoires bequem drucken. Die Probleme dieser Forscher hängen damit zusammen, den richtigen Weg zu finden, Designer zu lizenzieren, zu dokumentieren und zu belohnen. Neue Zeitschriften wie Hardware X, die 2016 eingeführt wurden, befassen sich mit diesen Themen.

Aber in den Entwicklungsländern und insbesondere in Afrika könnte Open-Science-Hardware einen echten Unterschied für den wissenschaftlichen Fortschritt machen. Obwohl sich die Zahl der von Forschern in Afrika veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten in den letzten 20 Jahren fast verdoppelt hat, machen sie immer noch weniger als 3 % aller Veröffentlichungen aus, obwohl Afrika 15 % der Weltbevölkerung ausmacht. Laut Teilnehmern des jüngsten Ghana-Treffens braucht die Open-Science-Hardware-Bewegung mehr Unterstützung, damit sie in Afrika wirklich gedeihen kann. „Die Argumente für die Entwicklung und Nutzung offener Hardware müssen auf staatlicher Ebene vorgebracht werden“, sagt Molloy. Und damit das gelingt, müssen Wissenschaft und Grundlagenforschung auf dem Kontinent stärker in den Vordergrund rücken.