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，將我的一些生物學相關項目想法變?yōu)楝F(xiàn)實。這個項目是我和我爸爸的合作，他有電子方面的經(jīng)驗，是我的導師。他向我介紹了Arduino和AI，目的是幫助我學習如何在我未來的生物學職業(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。Gemini的角色是協(xié)助完成生成代碼、創(chuàng)建Arduino草圖和起草部分報告等任務，但總是在我們的直接指導下，并基于我們的原始概念。雖然我對生物學的興趣推動了這個項目，但這份報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。學習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個科學項目。這幫助我理解了探索這一領域的不同方式。以下是這位人工智能助手提出的一些項目想法，它們確實激發(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)，并為放松技術提供反饋。

?微生物燃料電池：利用微生物燃料電池和Arduino從細菌中發(fā)電。

?植物澆水系統(tǒng)：監(jiān)測土壤濕度，并在需要時自動澆水。

?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)并將其存儲在SD卡上。

我查看了提供的列表，選擇了15個獨立的研究項目。我瀏覽了一下清單，選擇了一些我認為有趣的，生物發(fā)光夜燈就在清單上?？偟南敕ㄊ谴_定哪些項目是最科學的，與生物學相關的。我們也想創(chuàng)造一個獨特的項目。我的父親Gemini(我們的人工智能助手)和我創(chuàng)建了一個材料、說明、關鍵細節(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研究項目。

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)光夜燈項目，因為它結(jié)合了我對生物學和Arduino的興趣。我最近完成了雙招生生物學2實驗課程，這激發(fā)了我對鞭毛藻等生物發(fā)光生物的興趣。學習像鞭毛藻這樣迷人的生物是我的一個個人愛好。我喜歡生物學，更確切地說是微生物學，所以這個項目引起了我的注意。在過去的一年里，我一直在用Arduino做實驗，現(xiàn)在我真的很喜歡用它來創(chuàng)建項目。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目中，這個項目對我來說絕對是突出的，因為它結(jié)合了我最喜歡的兩個新愛好。選擇了這個項目后，我開始將人工智能，特別是雙子座，納入我的研究中。這個項目旨在幫助我開發(fā)使用AI進行編碼、電路設計、研究和寫作的技能。雙子座成為我完成這些任務的主要工具，這個生物發(fā)光夜燈項目為我提供了一個學習平臺，讓我在科學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目想法進行頭腦風暴之后，我們繼續(xù)與AI合作。通過讓Gemini在單獨的對話中了解我們的設計迭代，我們能夠改進項目并確定兩個版本的方法是最佳的。

版本1(沒有細菌的原型)：

LED模擬生物發(fā)光細菌。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LED來表示感應到光線。

版本2(含細菌的最終版本)：

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

Informing Me:

在我開始這個項目之前，我父親列出了我要學的東西。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項目，而這些項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項目。

?用科學的方式思考生物學。

這些主題給了我一個目標，幫助我集中精力，更好地了解如何在生物學領域使用Arduino。此外，在整個項目中，我必須學會如何與我的人工智能助手交談。我父親給了我一些問題，讓我在整個過程中問我的人工智能助手：

?我們?nèi)绾问顾蔀橐粋€偉大的、令人滿意的生物項目(我們?nèi)绾问占?、添加、增強什么，等?)

?構(gòu)建一個沒有細菌的版本需要哪些部分?

?你了解這個項目的價值和目的嗎?

?你能清楚地解釋一下這個項目是什么，它的科學目的和價值嗎?

當我開始我的研究時，我很快發(fā)現(xiàn)有效地使用雙子座需要一個學習曲線。最初，雙子座有時會給出不正確、模糊或過于寬泛的答案。我了解到，關鍵是改進我的提示，使用精確的語言和提供特定的上下文來引導雙子座獲得我需要的信息。例如，當我第一次要求提供組件列表時，Gemini提供了一個全面的組件列表，其中包括許多對這個項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。

在那個階段，我相信雙子座的建議是準確的。然而，當我爸爸看清單時，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目的需求。這也幫助我學會了如何更好地評估AI提供的信息。通過這個過程，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確和相關的回答。學習如何有效地與AI互動的過程成為項目本身不可或缺的一部分。

項目管理:

我爸爸和我的地理位置分散，所以我們必須想辦法在網(wǎng)上完成這個項目，并降低成本。我們知道我們想要使用的生物發(fā)光細菌會非常昂貴，我們還在學習項目的具體科學要求。

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菌。他開始在表格上填上更多他認為有用的信息。

版本1：概念驗證原型(或LED原型)

我們最初的想法是讓細菌發(fā)光，然后用光觸發(fā)第二個LED，這將是真正的夜燈。我們不想貿(mào)然購買細菌，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“概念驗證”。在把錢花在真正的細菌上之前，我們用LED來代替細菌的光。計劃是讓第一個LED(細菌的替代品)發(fā)光。然后，一個光傳感器會檢測到光線并觸發(fā)第二個LED。第二個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，也稱為光相關電阻(LDR)，來檢測第一個LED何時打開。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在獲得真正的細菌之前能夠正確地協(xié)同工作。

對我來說，創(chuàng)建一個電路板布局所需的電路圖是很困難的，因為我專注于生物發(fā)光版本，并搜索了類似的項目，但我找不到一個。我爸爸把我介紹給小叮當，這樣我就可以創(chuàng)造一個初始電路。

迭代1.1：初始電路(串聯(lián)錯誤)

我用雙子座幫助我在Tinkercad中創(chuàng)建了一個電路，但是雙子座給了我一個錯誤的電路。它創(chuàng)造了一個串聯(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，因為Tinkercad沒有Nano。我用的是Nano。然后我自己重新創(chuàng)建了這個電路，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，這可能會導致連接松動。

將Nano連接到側(cè)面。

父親意識到為Nano設計的布局對我來說更容易，于是他在面包板上用Nano設計了另一個。

他用電路一塊一塊地設計布局。我不知道，因為Cirtuito。io可以選擇使用其他Arduino板，包括Nano。他一次導出一個組件的截圖，然后使用Inkscape(一個類似于Illustrator的免費矢量圖形程序)繪制布局和布線。然而，在這種布局中，他錯誤地將紅色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，并使整個原型機更整潔。下面是我在面包板上使用Nano的新電路：

顯然，因為我們錯誤地連接了紅色LED和它的電阻，光敏電阻指向遠離黃色LED，這個版本沒有像預期的那樣工作。

重組、錯誤和更正

第二天，我又開始了這個項目。另一個問題是，我在前一天晚上從面包板上斷開了所有組件。這個錯誤導致第二天我再次嘗試在面包板上重新創(chuàng)建布局時浪費了時間。這也為新的連接錯誤打開了大門。下面是第二天新連接的電路。

這只是我的第三個Arduino項目，在第二次嘗試創(chuàng)建電路時，我在面包板上錯誤地連接了組件。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。

因為我必須重新連接所有東西，我引入了一個新問題。我把光敏電阻接錯了。右邊的腿應該在第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個圖像，是藍色的。我們決定用一個新的草圖來測試兩個led是否正常工作。我們想知道它們是否會眨眼，這就能告訴我們是led出了問題還是電線出了問題。我們用了一個臨時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：

事實證明，為了確定起見，藍色指示燈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，我們再次運行LED草圖，它工作了。新的綠色LED燈亮了。

迭代1.4:LED定時修復- AI救援!

我們上傳了原始代碼，我們面臨著另一個困境：led功能齊全，但在不同的時間交替發(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)光夜燈項目的最終代碼。正確的布局為這個項目和草圖如下所示：

效果圖:

正確的電路布局

代碼:

細菌代理LED，光敏電阻和LED指示燈最終按預期工作。黃色細菌LED點亮3秒，光敏電阻感應到并觸發(fā)夜燈點亮，只要細菌被點亮。然后細菌LED關閉2秒，光敏電阻感應到并關閉夜燈。下面是一些布局的圖片：

最終電路圖像：

下一個步驟:

由于這個項目現(xiàn)在是一個夜間照明項目，它更適合作為一個設計項目，而不是一個生物項目。在和雙子座進行了一些頭腦風暴之后，我和父親決定加強這個項目，使它更像一個生物項目。

本文編譯自hackster.io