帶LED代理的生物發(fā)光夜燈(版本1.4)

我對生物和工程都很感興趣，我一直在尋找將它們結(jié)合起來的方法。我對生物發(fā)光特別著迷——一些生物是如何創(chuàng)造自己的光的。最近，我開始探索Arduino，將我的一些生物學(xué)相關(guān)項(xiàng)目想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這個(gè)項(xiàng)目是我和我爸爸的合作，他有電子方面的經(jīng)驗(yàn)，是我的導(dǎo)師。他向我介紹了Arduino和AI，目的是幫助我學(xué)習(xí)如何在我未來的生物學(xué)職業(yè)生涯中使用這些工具。我們利用人工智能助手Gemini作為工具，幫助我們將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。Gemini的角色是協(xié)助完成生成代碼、創(chuàng)建Arduino草圖和起草部分報(bào)告等任務(wù)，但總是在我們的直接指導(dǎo)下，并基于我們的原始概念。雖然我對生物學(xué)的興趣推動(dòng)了這個(gè)項(xiàng)目，但這份報(bào)告是我們共同努力和想法的反映。

首先，我們使用Gemini來集思廣益，將生物發(fā)光和Arduino結(jié)合起來。學(xué)習(xí)如何在研究過程中使用人工智能真的很有幫助。我爸爸給了我一份清單，上面列出了b谷歌博士論文中31個(gè)科學(xué)項(xiàng)目。這幫助我理解了探索這一領(lǐng)域的不同方式。以下是這位人工智能助手提出的一些項(xiàng)目想法，它們確實(shí)激發(fā)了我的興趣：

?空氣質(zhì)量監(jiān)測器：測量空氣污染物，如顆粒物(PM)和二氧化碳(CO2)水平。

?生物反饋裝置：使用傳感器測量心率變異性(HRV)等生理參數(shù)，并為放松技術(shù)提供反饋。

?微生物燃料電池：利用微生物燃料電池和Arduino從細(xì)菌中發(fā)電。

?植物澆水系統(tǒng)：監(jiān)測土壤濕度，并在需要時(shí)自動(dòng)澆水。

?心率監(jiān)測器：使用脈搏傳感器測量心率，并顯示在LCD或LED顯示屏上。

?溫濕度記錄儀：使用傳感器記錄溫度和濕度數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在SD卡上。

我查看了提供的列表，選擇了15個(gè)獨(dú)立的研究項(xiàng)目。我瀏覽了一下清單，選擇了一些我認(rèn)為有趣的，生物發(fā)光夜燈就在清單上?？偟南敕ㄊ谴_定哪些項(xiàng)目是最科學(xué)的，與生物學(xué)相關(guān)的。我們也想創(chuàng)造一個(gè)獨(dú)特的項(xiàng)目。我的父親Gemini(我們的人工智能助手)和我創(chuàng)建了一個(gè)材料、說明、關(guān)鍵細(xì)節(jié)和任何其他數(shù)據(jù)的列表，這些數(shù)據(jù)將有助于成功高效地完成這個(gè)研究項(xiàng)目。

人工智能生成概念圖像。由谷歌Gemini Advanced 1.5 Pro創(chuàng)建

我選擇了生物發(fā)光夜燈項(xiàng)目，因?yàn)樗Y(jié)合了我對生物學(xué)和Arduino的興趣。我最近完成了雙招生生物學(xué)2實(shí)驗(yàn)課程，這激發(fā)了我對鞭毛藻等生物發(fā)光生物的興趣。學(xué)習(xí)像鞭毛藻這樣迷人的生物是我的一個(gè)個(gè)人愛好。我喜歡生物學(xué)，更確切地說是微生物學(xué)，所以這個(gè)項(xiàng)目引起了我的注意。在過去的一年里，我一直在用Arduino做實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在我真的很喜歡用它來創(chuàng)建項(xiàng)目。我喜歡用我的雙手工作和建造東西。在雙子座提供的所有項(xiàng)目中，這個(gè)項(xiàng)目對我來說絕對是突出的，因?yàn)樗Y(jié)合了我最喜歡的兩個(gè)新愛好。選擇了這個(gè)項(xiàng)目后，我開始將人工智能，特別是雙子座，納入我的研究中。這個(gè)項(xiàng)目旨在幫助我開發(fā)使用AI進(jìn)行編碼、電路設(shè)計(jì)、研究和寫作的技能。雙子座成為我完成這些任務(wù)的主要工具，這個(gè)生物發(fā)光夜燈項(xiàng)目為我提供了一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓我在科學(xué)背景下探索人工智能的能力。我根據(jù)我的AI助手開始了以下項(xiàng)目的研究：

?組件需要

?零件成本

?步驟

Informing Gemini:

在Gemini幫助我們對最初的項(xiàng)目想法進(jìn)行頭腦風(fēng)暴之后，我們繼續(xù)與AI合作。通過讓Gemini在單獨(dú)的對話中了解我們的設(shè)計(jì)迭代，我們能夠改進(jìn)項(xiàng)目并確定兩個(gè)版本的方法是最佳的。

版本1(沒有細(xì)菌的原型)：

LED模擬生物發(fā)光細(xì)菌。光傳感器/光敏電阻檢測來自初始LED的光。這將觸發(fā)Arduino激活第二個(gè)LED來表示感應(yīng)到光線。

版本2(含細(xì)菌的最終版本)：

真正的生物發(fā)光細(xì)菌現(xiàn)在提供了最初的光源。光傳感器/光敏電阻檢測細(xì)菌發(fā)出的光。這將觸發(fā)Arduino激活一組單獨(dú)的led燈，以創(chuàng)建夜燈。

Informing Me:

在我開始這個(gè)項(xiàng)目之前，我父親列出了我要學(xué)的東西。他想讓我理解它的目的，跳出常規(guī)思維。以下是列表：

?如何使用人工智能來完成科學(xué)項(xiàng)目，而這些項(xiàng)目需要你還不具備的技能。

?如何開始使用Arduino硬件和軟件來制作科學(xué)項(xiàng)目。

?用科學(xué)的方式思考生物學(xué)。

這些主題給了我一個(gè)目標(biāo)，幫助我集中精力，更好地了解如何在生物學(xué)領(lǐng)域使用Arduino。此外，在整個(gè)項(xiàng)目中，我必須學(xué)會(huì)如何與我的人工智能助手交談。我父親給了我一些問題，讓我在整個(gè)過程中問我的人工智能助手：

?我們?nèi)绾问顾蔀橐粋€(gè)偉大的、令人滿意的生物項(xiàng)目(我們?nèi)绾问占?、添加、增?qiáng)什么，等等?)

?構(gòu)建一個(gè)沒有細(xì)菌的版本需要哪些部分?

?你了解這個(gè)項(xiàng)目的價(jià)值和目的嗎?

?你能清楚地解釋一下這個(gè)項(xiàng)目是什么，它的科學(xué)目的和價(jià)值嗎?

當(dāng)我開始我的研究時(shí)，我很快發(fā)現(xiàn)有效地使用雙子座需要一個(gè)學(xué)習(xí)曲線。最初，雙子座有時(shí)會(huì)給出不正確、模糊或過于寬泛的答案。我了解到，關(guān)鍵是改進(jìn)我的提示，使用精確的語言和提供特定的上下文來引導(dǎo)雙子座獲得我需要的信息。例如，當(dāng)我第一次要求提供組件列表時(shí)，Gemini提供了一個(gè)全面的組件列表，其中包括許多對這個(gè)項(xiàng)目來說最終是不必要的，例如通用二極管(例如，1N4001)、熱縮管和晶體管。

上面的截圖顯示了Gemini提供的初始列表。正如你所看到的，led不見了，還有太多的其他組件。

在那個(gè)階段，我相信雙子座的建議是準(zhǔn)確的。然而，當(dāng)我爸爸看清單時(shí)，他意識到里面有很多不必要的東西。他幫助我將組件范圍縮小到那些真正需要的組件，讓我更清楚地了解項(xiàng)目的需求。這也幫助我學(xué)會(huì)了如何更好地評估AI提供的信息。通過這個(gè)過程，我對如何組織我的問題和指示有了更好的理解，從而從雙子座那里得到更準(zhǔn)確和相關(guān)的回答。學(xué)習(xí)如何有效地與AI互動(dòng)的過程成為項(xiàng)目本身不可或缺的一部分。

項(xiàng)目管理:

我爸爸和我的地理位置分散，所以我們必須想辦法在網(wǎng)上完成這個(gè)項(xiàng)目，并降低成本。我們知道我們想要使用的生物發(fā)光細(xì)菌會(huì)非常昂貴，我們還在學(xué)習(xí)項(xiàng)目的具體科學(xué)要求。

我爸爸在中間的一張紙上列出了我們已經(jīng)擁有的組件，并做了一個(gè)清單。以下是該表格的部分截圖：

然后我們必須研究從哪里可以獲得細(xì)菌。他開始在表格上填上更多他認(rèn)為有用的信息。

版本1：概念驗(yàn)證原型(或LED原型)

我們最初的想法是讓細(xì)菌發(fā)光，然后用光觸發(fā)第二個(gè)LED，這將是真正的夜燈。我們不想貿(mào)然購買細(xì)菌，但后來卻發(fā)現(xiàn)我們的想法行不通。所以，我們決定先做一次測試，作為一種“概念驗(yàn)證”。在把錢花在真正的細(xì)菌上之前，我們用LED來代替細(xì)菌的光。計(jì)劃是讓第一個(gè)LED(細(xì)菌的替代品)發(fā)光。然后，一個(gè)光傳感器會(huì)檢測到光線并觸發(fā)第二個(gè)LED。第二個(gè)LED是我們想要構(gòu)建的真正的夜燈的代理。我們使用5528光敏電阻，也稱為光相關(guān)電阻(LDR)，來檢測第一個(gè)LED何時(shí)打開。通過這種方式，我們可以測試我們的想法，確保光傳感器和led在獲得真正的細(xì)菌之前能夠正確地協(xié)同工作。

對我來說，創(chuàng)建一個(gè)電路板布局所需的電路圖是很困難的，因?yàn)槲覍Ｗ⒂谏锇l(fā)光版本，并搜索了類似的項(xiàng)目，但我找不到一個(gè)。我爸爸把我介紹給小叮當(dāng)，這樣我就可以創(chuàng)造一個(gè)初始電路。

迭代1.1：初始電路(串聯(lián)錯(cuò)誤)

我用雙子座幫助我在Tinkercad中創(chuàng)建了一個(gè)電路，但是雙子座給了我一個(gè)錯(cuò)誤的電路。它創(chuàng)造了一個(gè)串聯(lián)電路而不是并聯(lián)電路。在雙子座的幫助下，我成功地在Tinkercad中制作了我的第一個(gè)電路，但是雙子座創(chuàng)建的電路并不是最好的方法。下面是led串聯(lián)的電路。

注意led是串聯(lián)的，并連接到A0。

迭代1.2:Tinkercad修訂(并行電路，Uno)

父親看了一遍，意識到他應(yīng)該介入，讓事情繼續(xù)下去。他在2024年12月19日重做了我在tinkercad做的電路。他在Tinkercad電路中使用了Arduino Uno，因?yàn)門inkercad沒有Nano。我用的是Nano。然后我自己重新創(chuàng)建了這個(gè)電路，并制作了下面的電路：

我將Nano連接到面包板的一側(cè)，但沒有連接到面包板上，這可能會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)。

將Nano連接到側(cè)面。

父親意識到為Nano設(shè)計(jì)的布局對我來說更容易，于是他在面包板上用Nano設(shè)計(jì)了另一個(gè)。

他用電路一塊一塊地設(shè)計(jì)布局。我不知道，因?yàn)镃irtuito。io可以選擇使用其他Arduino板，包括Nano。他一次導(dǎo)出一個(gè)組件的截圖，然后使用Inkscape(一個(gè)類似于Illustrator的免費(fèi)矢量圖形程序)繪制布局和布線。然而，在這種布局中，他錯(cuò)誤地將紅色LED連接到電阻上。他將220歐姆電阻連接到紅色LED的陰極而不是陽極。這是最初的布局：

迭代1.3：面包板上的納米(電阻放置錯(cuò)誤)

他將220歐姆電阻連接到紅色LED的陰極而不是陽極。

我爸爸堅(jiān)持要我重做電路，把nano放在面包板上，而不是放在旁邊。他表示，將Nano放在電路板上有助于建立更牢固的聯(lián)系，并使整個(gè)原型機(jī)更整潔。下面是我在面包板上使用Nano的新電路：

顯然，因?yàn)槲覀冨e(cuò)誤地連接了紅色LED和它的電阻，光敏電阻指向遠(yuǎn)離黃色LED，這個(gè)版本沒有像預(yù)期的那樣工作。

重組、錯(cuò)誤和更正

第二天，我又開始了這個(gè)項(xiàng)目。另一個(gè)問題是，我在前一天晚上從面包板上斷開了所有組件。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致第二天我再次嘗試在面包板上重新創(chuàng)建布局時(shí)浪費(fèi)了時(shí)間。這也為新的連接錯(cuò)誤打開了大門。下面是第二天新連接的電路。

這只是我的第三個(gè)Arduino項(xiàng)目，在第二次嘗試創(chuàng)建電路時(shí)，我在面包板上錯(cuò)誤地連接了組件。我父親查看了面包板上所有電路的圖片，以確保它們都正確連接。

光敏電阻的右腳在第21行，沒有連接在電路中。

因?yàn)槲冶仨氈匦逻B接所有東西，我引入了一個(gè)新問題。我把光敏電阻接錯(cuò)了。右邊的腿應(yīng)該在第22行，而不是上面照片中的第21行。

這是上面校正后的電路，光敏電阻現(xiàn)在在第22行

組件故障排除

在我把組件正確地放回去之后，我們注意到指示燈LED停止工作了。請注意，在初始重組電路中的指示燈LED，上面的3個(gè)圖像，是藍(lán)色的。我們決定用一個(gè)新的草圖來測試兩個(gè)led是否正常工作。我們想知道它們是否會(huì)眨眼，這就能告訴我們是led出了問題還是電線出了問題。我們用了一個(gè)臨時(shí)草圖來測試它們是否有效。下面是我父親讓我們的AI助手創(chuàng)建的代碼，我用來測試led是否正常工作：

LED測試草圖：

事實(shí)證明，為了確定起見，藍(lán)色指示燈LED必須與兩根連接線一起斷開。注意上面照片中新的綠色LED。一旦我們換出LED和跳線，我們再次運(yùn)行LED草圖，它工作了。新的綠色LED燈亮了。

迭代1.4:LED定時(shí)修復(fù)- AI救援!

我們上傳了原始代碼，我們面臨著另一個(gè)困境：led功能齊全，但在不同的時(shí)間交替發(fā)光。我父親把代碼交給了我們的人工智能助手，讓它告訴我們問題所在。我們建議將光閾值從1000更改為500，以下是生物發(fā)光夜燈項(xiàng)目的最終代碼。正確的布局為這個(gè)項(xiàng)目和草圖如下所示：

效果圖:

正確的電路布局

代碼:

細(xì)菌代理LED，光敏電阻和LED指示燈最終按預(yù)期工作。黃色細(xì)菌LED點(diǎn)亮3秒，光敏電阻感應(yīng)到并觸發(fā)夜燈點(diǎn)亮，只要細(xì)菌被點(diǎn)亮。然后細(xì)菌LED關(guān)閉2秒，光敏電阻感應(yīng)到并關(guān)閉夜燈。下面是一些布局的圖片：

最終電路圖像：

下一個(gè)步驟:

由于這個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)在是一個(gè)夜間照明項(xiàng)目，它更適合作為一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，而不是一個(gè)生物項(xiàng)目。在和雙子座進(jìn)行了一些頭腦風(fēng)暴之后，我和父親決定加強(qiáng)這個(gè)項(xiàng)目，使它更像一個(gè)生物項(xiàng)目。

本文編譯自hackster.io