Citizen science: probeer dit thuis

In november 2015 kwamen honderden mensen bijeen voor een ontmoeting in Ben Avon, een buurt van ongeveer 2000 mensen langs de Ohio-rivier ten noordwesten van Pittsburgh. Net als bij eerdere bijeenkomsten van dit soort, waren bewoners gekomen om het laatste nieuws over een ongewenste buur te leren kennen.

Die buurman was de Shenango Coke Works, een kolenverwerkingsfabriek aan het ene uiteinde van een eiland direct tegenover Ben Avon. Bewoners hadden al lang vermoed dat de uitstoot van de fabriek de lucht regelmatig zodanig vervuilde dat er een gevaar bestond. Ze gaven de slechte lucht de schuld van astma, misselijkheid, hoofdpijn en talloze andere ziektes die zij en hun families hadden opgelopen. Maar in het verleden hadden ze geen definitief bewijs, buiten hun eigen ervaringen.

Dus vonden ze er wat.

Niet lang nadat de vergadering begon, met een vertegenwoordiger van het US Environmental Protection Agency op de voorste rij, stond computerwetenschapper Randy Sargent van Carnegie Mellon University op en begon hij door time-lapse-video's te bladeren van camera's die hij de buurt had geholpen naar Shenango. Door elke 5 seconden, 24 uur per dag frames te maken, maakten de camera's het gemakkelijker om te doen wat de gemeenschap in de loop der jaren had geprobeerd te doen: kijk naar de rook.

Het onderscheiden van giftige wolken van louter stoom is een lastige zaak, dus de gemeenschap wendde zich tot Sargent, die werkt vanuit CMU's CREATE Lab (Community Robotics, Education en Technology Empowerment). Hij en collega Yen-Chia Hsu ontwikkelden een computervisie-algoritme om slechte rooktypen in elke foto te herkennen.

Samengevoegd uit honderden frames, toonde de resulterende video een lus van zwarte, bruine, blauwe en oranje wolken uit een enkele maand. In combinatie met federale, lokale en gemeenschapsensorgegevens verzameld van overeenkomstige dagen, leken de vermoedens van Ben Avon eindelijk enige voet te krijgen: Shenango bracht vijf van elke zeven dagen vergunningshoeveelheden giftige stoffen in de lucht.

Het Shenango-kanaal

Een maand later kondigde DTE Energy aan dat het zijn Shenango-fabriek zou sluiten, onder verwijzing naar een zwakke staalmarkt en een gebrek aan klanten. In januari had de plant zijn laatste lading kolen gebakken en is nu gepland voor sloop.

"Ze zeiden dat het economische kwesties waren, maar ik vraag me af of de tijdlijn is veranderd vanwege de druk van de gemeenschap, " zei Bea Dias, projectdirecteur voor CREATE Lab. "Het algoritme was een hulpmiddel dat hun stemmen meer gewicht gaf, een extra been om een ​​zaak te maken. Maar de technologie zou niet hebben gewerkt als het geen actieve gemeenschap had om het te gebruiken, mensen om het voor de besluitvormers voortdurend."

De groep van Dias is belast met directe contacten met gemeenschappen om hen hardware, software en andere oplossingen te bieden om hun zorgen aan te pakken. Het computervisie-algoritme bleek een bijzonder krachtige realisatie van dat mandaat. Maar het is slechts een voorbeeld op een gebied dat de afgelopen jaren verbazingwekkende groei heeft doorgemaakt: hightech tools voor burgerwetenschap.

All-Access Pass

Zelfs als je geen fabriek hebt die slechte lucht in je achtertuin pompt, wil je misschien toch betrokken raken bij een soort burgerwetenschap - dat is onderzoek dat wordt uitgevoerd door enthousiaste amateurs, alleen of in samenwerking met professionele wetenschappers. Gelukkig voor jou is er voor elk wat wils.

Wil je helpen bij het doorzoeken van terabytes aan ruimtetelescoopgegevens om exoplaneten en quasars te vinden? Ga naar Zooniverse. Misschien heeft u een laboratoriumproject in gedachten, maar kunt u de apparatuur niet betalen. Geen probleem; print de delen uit een blauwdruk op Appropedia's Open-source Lab.

Wat dacht je van wat doe-het-zelfbiologie? Lokale biospaces, zoals BioCurious in Santa Clara, Californië, of de Baltimore Underground Science Space in Maryland, kunnen adviseren en helpen bij projecten variërend van DNA-extractie tot drukcelculturen.

Knutselen aan projecten en crowd-sourcing-gegevens zijn twee van de belangrijkste bezigheden van de burgerwetenschap, en een belangrijke stimulans daarvoor is empowerment.

"Dit recente tijdperk van federale deregulering werpt een schijnwerper op de tekortkomingen en lacunes in het toezicht, en wanneer we niet op overheidsinterventie kunnen vertrouwen, moeten we op onszelf vertrouwen", zei Gretchen Gehrke, steward voor gegevens en belangenbehartiging bij Public Lab. Maar toegang tot de benodigde tools om dat werk te doen kan een uitdaging zijn, voegde ze eraan toe.

"Toegang" betekent vaak eenvoudig "dingen goedkoper maken". Dankzij de steeds dieper liggende kosten van sensoren en microcontrollers, toegang tot satellietgegevens en de bereidheid van anderen om technische expertise te delen, zijn geavanceerde tools die ooit alleen beschikbaar waren voor institutionele onderzoekers nu in handen van iedereen die ze wil.

(Foto: Andrew Thaler)

Overweeg de op Raspberry Pi gebaseerde spectrometerontwerpen gehost door de openbare pagina's van Public Lab. Spectrometers worden gebruikt om informatie over een object of stoffen te bepalen door de lichteigenschappen te analyseren. Een commerciële versie voor handheld draait rond de $ 1500; een omvangrijk laboratoriumwerkpaard is vijf keer dat. Of met een beetje begeleiding kun je er zelf een bouwen voor ongeveer $ 70.

Een andere pionier op het gebied van burgerwetenschappen is Andrew Thaler (hieronder afgebeeld), een diepzee-onderzoeker en consultant voor mariene ecologie die Oceanography for Everyone is gestart vanwege toegangsbeperkingen. Het verklaarde doel van de organisatie: "Onderzoekers, opvoeders en burgerwetenschappers empoweren door goedkope, open-source hardware."

Het belangrijkste hulpmiddel dat Thaler aan het ontwikkelen was, was een CTD, gebruikt in oceanografie om geleidbaarheid (zoutgehalte), temperatuur en druk te meten. Het is een essentieel hulpmiddel voor het bestuderen en begrijpen van een wateromgeving - maar als je er een wilt, bereid je dan voor op minimaal $ 6.000, tot tienduizenden.

(Foto: Andrew Thaler)

Met veel geduld en samenwerking met vrienden en collega's ontwikkelde Thaler een CDT voor $ 300. Het duurste onderdeel is de sensor zelf, die bijna $ 200 draait. Toch is Thaler's CTD, getest naast een apparaat dat 200 keer meer kostte, gegevens binnen een foutmarge van 2 procent van de duurdere eenheid.

"Er is een steeds relevantere behoefte om wetenschappers eraan te herinneren dat zij ook burgers zijn, " zei Thaler. "Natuurlijk, je hebt misschien toegang tot een enorme onderzoekssubsidie ​​en je kunt een commerciële eenheid van $ 60.000 kopen. Maar dat is een enorme toetredingsdrempel voor gemeenschapsgroepen die hun eigen waterwegen willen volgen. Als je ook programma's gaat steunen die hetzelfde stuk maken van apparatuur goedkoper, wordt er veel meer wetenschap gedaan."

Toegang tot monitoring- en robotica-hulpmiddelen heeft ten minste één maritieme gemeenschap geholpen een belangrijk doel te bereiken. In Mexico gebruikten verschillende vissersdorpen Open ROV, hetzelfde open-source robotica-platform dat Thaler gebruikt in zijn trainingsprogramma's, om enquêtes uit te voeren naar samenzweringsaggregaties van Nassau. De tandbaars is een zeer belangrijke rifvis, evenals een uiterst belangrijke commerciële soort, en de gemeenschap heeft een beschermd zeegebied ingesteld om te voorkomen dat het wordt weggevaagd door stropers.

(Foto: Michelle Z. Donahue)

Problemen voorspellen

In Pittsburgh stopte CREATE Lab niet met Shenango. Een ander punt van haar missie is om gemeenschappen te helpen voort te bouwen op de kennis en hulpmiddelen die ze verwerven door samen te werken met CMU-wetenschappers. En Pittsburgh is zoals het is, nog steeds enigszins in de greep van zijn nalatenschappen uit de staaltijd, Shenango is niet het enige dat stinkt.

Voer Smell Pittsburgh in, een app die voortkwam uit het Shenango-werk van CREATE Lab. De app is nog in ontwikkeling en wordt beschouwd als een hulpmiddel dat uiteindelijk in elke stad in de natie kan worden gebruikt. Met deze app kunnen bewoners aanstootgevende omgevingsgeuren taggen, die in de app worden vastgelegd en aan de lokale gezondheidsafdeling worden gemeld. Na het inloggen geeft de app een kaart weer met eventuele andere geurrapporten van dezelfde dag en tijd.

Mark Dixon, een in Pittsburgh gevestigde documentaires en industrieel ingenieur, beschreef de app als een manier om mensen te motiveren zich bezig te houden met iets dat ze graag willen veranderen aan hun omgeving.

"Er is deze 'vallei van malaise' die optreedt wanneer u problemen meldt en er niets gebeurt, " zei Dixon. "Deze app versnelt mensen door die vallei - en het eerste wat ze zien is dat ze niet alleen zijn. Bovendien kunnen ze echt de omvang van het probleem zien."

Dixon werkt aan het bouwen aan de bruikbaarheid van de app. Eén project betrof de ontwikkeling van een algoritme dat Smell Pittsburgh-rapporten en National Weather Service-gegevens combineert om te proberen de komende #Stinkburgh-dagen te voorspellen, aangezien ze op Twitter zijn getagd. Na het behalen van een succespercentage van ongeveer 75 procent gedurende een testperiode van 10 dagen, deelde Dixon zijn informatie met een groep lokale data-nerds, waaronder een ontwikkelaar van Smell Pittsburgh. Als gevolg hiervan kan in toekomstige versies van de app de mogelijkheid om betrouwbaardere dagen met slechte lucht betrouwbaarder te voorspellen, worden aangeboden.

Voorspelling is ook een doel van een ander soort app, de Mosquito Habitat Mapper. De app is in juni 2017 gelanceerd door het Institute for Global Environmental Strategies (IGES) in samenwerking met NASA en heeft als doel gevaarlijke habitat voor muggen te identificeren en te elimineren.

De app is al getest in Barbuda, Peru en Chili en leidt mensen op om de muggenlarven die ze vinden te identificeren, een foto te maken en stilstaand water te verwijderen, en om tijd, locatie, datum en lokale omgevingscondities in de database van de app te registreren. Tot op heden heeft het project ongeveer 1500 gegevenspunten verzameld - nog niet genoeg om zinvolle voorspellingen te doen. Maar de hoop is dat een opeenstapeling van betere gegevens uit de grond op plaatsen waar door muggen overgedragen ziekten een ernstig probleem voor de volksgezondheid is, kan helpen voorspellingsmodellen te verfijnen, die momenteel zijn gebaseerd op weer- en klimaatgegevens die zijn verzameld door satellieten.

"Er is veel dat we niet weten over hoe muggen reageren op microklimaten, " zei Rusty Low, een senior wetenschapper bij IGES die de ontwikkeling van de app leidde. "We zijn op zoek naar subregionale, seizoensgebonden hulpmiddelen die door gezondheidswerkers en gemeenschappen kunnen worden gebruikt om hun risico op ziekten beter te begrijpen."

In Baltimore kon de Weather Cubes van promovendus Anna Scott van Hopkins ook stadsplanners meer laten samenwerken met het plannen van gezonde steden in een warmere toekomst. De kubussen van Scott, die zijn voortgekomen uit haar studies over stedelijke hitte, zijn uitgerust met op Arduino gebaseerde sensoren om temperatuur, vochtigheid, ozon, stikstofdioxide, zwaveldioxide en waterstofsulfide te meten. Vijftig kubussen worden op 25 locaties in de stad ingezet en Scott hoopt er deze zomer meer te kunnen blussen.

(Foto: Anna Scott)

Vroege monitoringgegevens onthulden dat een groter aantal kleine groene ruimtes, zoals pocketparken, beter zou kunnen zijn voor het verlagen van de temperaturen in de stad dan verschillende grote parken, volgens Kristin Baja, een voormalige planner voor klimaatbestendigheid in Baltimore. Die informatie zou de perceptie van de 16.000 lege kavels van de stad kunnen verschuiven van ziekte naar heilzaam.

In de wijk Turner Station in Baltimore, biedt Larry Bannerman twee kubussen van Scott. Zijn overwegend Afro-Amerikaanse gemeenschap heeft ervaring met het vechten tegen lokale vervuilers en agitatie voor bescherming. Hij zei dat hij blij is om een ​​extra kaart in zijn stapel te hebben, mocht hij die nodig hebben.

"We zullen een glashelder beeld hebben van wat er in onze lucht is", zei hij. "Die kennis op zak zal onze grootste troef zijn als we enkele wijzigingen moeten aanbrengen."

Een blik vanuit de ruimte

Volgens John Amos zullen burgerbijdragers de sleutel zijn tot het aanpakken van een probleem waar hij vaak aan denkt: enorme hoeveelheden visuele gegevens bruikbaarder maken.

De non-profit die hij oprichtte, SkyTruth, gebruikte satellietbeeldenanalyse om aan te tonen dat de olieramp in Deepwater Horizon in 2010 groter was dan de openbaar gemaakte schattingen van BP. Hoewel de groep menselijke ogen blijft gebruiken om satellietbeelden te controleren op milieueffecten van morsen, oppervlaktemijnbouw en andere industriële activiteiten, werkt SkyTruth momenteel aan het toevoegen van kunstmatige intelligentie, machine learning en big data aan de mix.

SkyTruth Alerts is een service waarvoor gebruikers zich kunnen aanmelden om op de hoogte te worden gesteld van bepaalde milieuveranderingen in een bepaald gebied, bijvoorbeeld een nieuwe vergunning voor gasboringen, een schending van een vergunning of het melden van een chemische lekkage of aardgaslek. Aanvankelijk ontwikkeld als een intern hulpmiddel, worden de waarschuwingen momenteel verwijderd van de kustwacht en rapportagesites van de staat en het milieu. Ongeveer 3.000 mensen zijn huidige gebruikers van deze tool.

De evolutie van de service is erop gericht om steeds meer gegevensbronnen en hulpmiddelen op te nemen en AI en machine learning-systemen te gebruiken om nieuwe satellietbeelden naast historische beelden te vergelijken. Met dat soort referenties kan analyse veranderingen detecteren, zelfs voordat ze via officiële kanalen worden gemeld.

De heilige graal is om gebruikers toe te staan ​​hun eigen observaties en waarschuwingen te delen, waardoor een reeks gemeenschappen met gedeelde zorgen worden gecreëerd.

Feiten afkomstig van crowd-sourced door gebruikers van SkyTruth voor een afzonderlijk project, FrackFinder, hebben zelfs geleid tot verschillende onderzoeken die Maryland ertoe hebben aangezet om fracking in 2017 te verbieden. Johns Hopkins onderzoeker Brian Schwartz keek naar verschillende gezondheidsimplicaties van het leven nabij frackingputten, waaronder astma en vroeggeboortecijfers. Hoewel hij gebruikmaakte van vele gegevensbronnen voor de onderzoeken, waren er "geen alternatieven" voor het type gegevens dat de gebruikers van SkyTruth bijdroegen, zei hij.

"We hebben verschillende keren verkozen ambtenaren ontmoet en onze bevindingen gepresenteerd en al hun vragen beantwoord, " zei Schwartz. "Sommigen van hen zouden in krantenverhalen en elders hebben gezegd dat de 'Johns Hopkins-gezondheidsstudies' hen uiteindelijk hebben overgehaald om op het verbod te stemmen. Dat zijn onze studies."

De kracht van lokale menselijke observatie ter plaatse, gecombineerd met de gegevensverwerkende mogelijkheden van cloud computing, maakt het mogelijk om potentiële problemen in realtime te zien ontvouwen, merkte Amos op.

"Het gaat niet alleen om dingen die al zijn gebeurd, maar ook om dingen die in de omgeving gebeuren, weten er niets van, om te weten dat er iets gebeurt waar we op moeten letten, " zei Amos. "Voor mij is dat een technologiegedreven revitalisering van het milieu door de basis."

En de interesse om nieuwe technologie te benutten om gewoon nieuwsgierig te zijn, zal alleen maar groeien vanaf hier, voegde CREATE Lab's Dias toe.

"Dit soort technologieën zou niet alleen in laboratoria of hoger gelegen ruimtes moeten zijn, " zei ze. "Ze moeten toegankelijk zijn voor gewone mensen, om te creëren, en niet alleen om te consumeren. En het idee is dat zodra mensen vloeiender zijn in technologie, ze dagelijkse dingen van de plank kunnen halen en samen iets kunnen hacken dat voor hen werkt."