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无人机抓蚊子?微软研究项目帮助追踪病毒传播

在全世界的大部分地区,蚊子是严重的公众卫生问题。据估计,每年约有7亿人被蚊子传染各种疾病,且每十七个人中,就有一人死于被蚊子传染的疾病,而这在热带地区尤甚。炎热潮湿的夏季,也是蚊虫疾病的多发季节。美国休斯敦所在的哈里斯县,蚊虫监控团队已经为最繁忙的季节做好了准备:与寨卡病毒等危险的蚊虫传播疾病赛跑。然而,今年这个团队还有了一个新武器:一个外观时尚的捕蚊器,据专家称,它标志着几十年来捕蚊器技术的最重大创新。

捕蚊器

这只捕蚊器的原型是微软研究院的研究项目——Project Premonition的组成部分之一,设计的目的是自动完成从前必须由昆虫学家手动执行甚至根本无法执行的任务。而Project Premonition的项目目标则是在传染病大规模爆发之前就能发现并消灭这些疾病,例如寨卡病毒。

例如,本月这款新型捕蚊器作为试点项目的一部分,首次在休斯敦地区部署,仅收集昆虫学家希望跟踪的特定种类的蚊子,而不是蚊子、苍蝇、飞蛾等小飞虫的大杂烩,避免了科学家们进行手工分类。

这款捕蚊器还可以告诉科学家们,每只蚊子是在什么时候被抓住的,甚至还可以记录这只蚊子飞进来时的温度、风力和湿度。此外,它的设计可以耐受刮风下雨等不良自然条件,而传统捕蚊器通常会在这些自然条件下失效。“我们将获得前所未有的与昆虫行为有关的丰富数据,” 领导Project Premonition的微软研究员Ethan Jackson说。

Project Premonition负责人,微软研究员Ethan Jackson

“在这样一个地域广袤的县,我们没有足够的资源来通过不断喷洒药物来全域覆盖,”哈里斯县公共卫生局副主任Les Becker说。“我们必须弄清楚怎么做才是最有效的。”事实上,捕蚊器能够提供更快、更准确的信息,帮助他们找到对健康构成最大威胁的蚊子,这些蚊子可能会传播登革热、西尼罗河病毒、疟疾和寨卡病毒等疾病。反过来,捕蚊器也将有助于团队在这个幅员辽阔的大县里精准定位最需要帮助的区域,从而节省大量时间和金钱。

为了收集所有上述信息,新型捕蚊器使用仅需两个电池供电的微处理器,它们收集到的数据可以无线下载并传送到云中。新型捕蚊器还能够依托人工智能的一个分支——机器学习的最新进展,以区分哪些是研究员希望捕捉的蚊子和哪些是不需要捕捉的其他昆虫。对于此前还在依靠几十年前的老旧捕蚊器追​​踪21世纪疾病爆发的研究人员来说,新型捕蚊器可谓一次巨大的飞跃。

试图有所作为

当Ethan Jackson和他的研究团队去年共同启动“Project Premonition”时,他们并没有计划立即开始跟踪像寨卡病毒这样的公共健康问题。相反,他们原本打算开展一项为期五年的研究工作,希望帮助政府部门及早发现下一个侵袭主要人口中心区域的公共健康问题。来自匹兹堡大学的科学家Jim Pipas,作为Project Premonition的一员表示:“Project Premonition的根本目的是抢在寨卡病毒等疾病爆发成真正的临床问题之前就发现它们。”

哈里斯县蚊子地图

为了实现这一目标,研究人员计划首先使用新型捕蚊器,在大城市以外的偏远地区抓住一些蚊子。然后用分子生物学和机器学习技术的最新进展来对这些蚊子加以深入分析,查找新的潜在危险疾病开始出现的端倪。与现行体制相比,如果能够抢在寨卡病毒等爆发成为重大健康威胁之前就主动宣战,将让人类掌握巨大的优势。目前常见的情况是,知道疾病已经大规模爆发以至于医生已经觉察到不良症状时,负责公共卫生的相关部门往往才能做出反应,例如眼下与寨卡病毒相关的毁灭性先天缺陷。

Project Premonition的意图并非治愈这些疾病,而是从一开始就阻止其蔓延,避免人们受到感染。“捕蚊器并不会解决寨卡病毒、登革热或基孔肯雅热等问题,”约翰·霍普金斯大学布隆博格公共卫生学院分子微生物学和免疫学教授Douglas Norris说。他也参与了这个项目。“但是,希望这个项目能够提升我们侦测这些疾病的能力。” Project Premonition的整个预警系统开发仍在有序进展中。但近年来寨卡病毒开始显著传播时,研究人员意识到,即使在早期阶段,该项目仍有可能帮助人们应对这种直接的威胁。

训练捕蚊器并跟踪寨卡病毒

在休斯敦地区部署的早期版本的捕蚊器主要用于完成两个目标。一方面是帮助昆虫学家跟踪携带了寨卡病毒或其他有害疾病的蚊子,另一方面还能向研究人员提供他们需要的数据,立即着手让Project Premonition的从愿景变为现实。

第一步是训练新型捕蚊器。这套系统在设计上能够根据蚊子扇动翅膀的特征来识别哪些蚊子应该抓。但要做到这点,则需要专家们口中所说的训练数据:飞入捕蚊器的很多蚊子和其他昆虫的数据样本。这就是科学家们希望在休斯敦收集的东西。接着,这些数据可用于构建一种算法,借助机器学习,帮助捕蚊器学会正确识别应该捕捉的蚊子,而当其他类型的蚊子或完全无关的昆虫试图飞入时捕蚊器会假装无动于衷。

由于每只蚊子都会飞进独立的小盒子,新型捕蚊器还可以记录它是什么时候飞进去的,以及当时的环境因素(例如当时的风速、温度和湿度等)。这些都可能帮助科学家了解病毒是如何传播的,比如哪些类型的蚊子能够传染人,这些蚊子是否更可能在夜间叮咬,或当气温达到一定水平时叮咬等。“它能收集到很多我们在通常状况下得不到的数据,” 分子微生物学和免疫学教授Douglas Norris说。“我们可以用它们来计算出适用于真实世界的解决方案,例如哪种蚊帐比较有效。”

寻找新病毒

回到实验室后,研究人员还可以更仔细地观察每只蚊子,弄清楚它叮咬过什么动物、携带什么病毒。研究人员使用他们这个夏天在休斯顿捕捉到的蚊子作为训练数据,并用于设计发现潜在疾病暴发的系统。微软研究院自然与计算组资深研究员Jonathan Carlson表示,他们正在构建的系统类似于用于网页分类的系统。但是,他们的系统并不在于确定某个网页与棒球或足球有关,而是试图判断这些蚊子携带着什么病毒,以及是否出现了新的或令人担忧的病毒。

计算机科学和分子生物学两大领域的最新进展则提供了更加实用的方法,让研究人员得以通过深入分析各类蚊子以及它们吸食的血液组成的一大锅“汤”,弄清楚其中潜藏着什么病毒和细菌。“绝大多数基因组是未知的,” Carlson说。“但我们必须弄清楚,‘汤’里到底有什么?”

下一步:无人机

除了创建更好的捕蚊器并开发分析模型,Project Premonition团队还在研究如何利用无人机技术,从短期看,它可用于帮助跟踪寨卡病毒和其他疾病的传播,而从长期看,它可用于减缓下一次疾病暴发。

在短时间内,研究人员希望使用拥有计算机视觉技术的无人机寻找可能携带疾病的蚊子聚集地。使用无人机而非真人,则可以大大减少时间和金钱的花费。而长远来看,研究人员希望利用无人机将他们的新型捕蚊器运送并安放在偏远地区——而不是靠真人徒步几个小时、手动抓蚊子。

例如,一些科学家推测,鸟类可能在哈里斯县的西尼罗河病毒激增中扮演了不光彩的角色,但他们并不具备切实探究所需的任何数据源。根据Project Premonition数据判断蚊子叮咬何种动物的能力,则将让他们得以对上述问题一探究竟。

“这些数据的作用在于,让我们得以提出以前从来没能提出的问题,” 哈里斯县公共卫生局副主任Les Becker说。