מבוא: עידן חדש במחקר הנדסה

מחקר הנדסי משגשג על ניסויים, היסוס ושיתוף ידע.במשך עשרות שנים, חומרה קניינית - ממיקרובקרים ועד ציוד בדיקה בקנה מידה מלא - מעבדות מומשו, מנעול חוקרים לתוך מערכות אקולוגיות ספציפיות של הספק.פלטפורמות חומרה פתוחה ריסקו את הקירות האלה, המציע פרדיגמה שבה קבצים עיצוב זמינים באופן חופשי, וכל אחד יכול לבנות, לשנות, להפיץ מכשירים פיזיים.

מה הם Open Hardware Platforms?

[]פלטפורמת חומרה פתוחה היא אובייקט פיזי – כגון לוח מעגלים, מערך חיישן או אסיפה מכנית – שתיעוד העיצוב המלא שלו משוחרר ברישיון המאפשר לכל אחד ללמוד, לשנות, לייצר ולהפיץ את החומרה.הפילוסופיה הזו משקף קוד פתוח אך חל על סחורות מוחשיות: schematics, sp, קובץ פריסה, מודלים של CAD וקוד קושחה הם זמינים לציבור.

בניגוד לפלטפורמות קנייניות שבהן משתמשים מוגבלים על ידי הסכמים משפטיים וממשקים לא עולים בקנה אחד, חומרה פתוחה מאפשרת לחוקרים להתחבר לכל שכבת מכשיר, להבין את פעולתו ולהתאים אותה למטרות לא צפויות.

היתרונות של שימוש ב-Open Hardware במחקר

אימוץ פלטפורמות חומרה פתוחות מביא מערך הטבות מרתיעה המשפיע ישירות על האיכות, המהירות והלחם של מחקר הנדסי.

עלויות-אווירה

תקציבי מחקר הם לעתים רחוקות ללא הגבלת.פתוח חומרה מפחיתה באופן דרסטי את ההוצאות: אין עמלות רישוי, לא תמלוגים חד-מיניים, ואין דרישה לרכוש ערכות שלמות של ספק אחד.במקום, החוקרים יכולים ליצור רכיבים ממקורות ממספר ספקים, להשתמש בחלקים קיימים, ולוחי מעגלים מודפסים בעלות נמוכה באמצעות שירותי ייצור של פרופיל ברמה נמוכה.לדוגמה, בניית גרף נתונים מותאם אישית עם Arduino מחוץ ל- 100 חיישנים מתקדמים יותר, בעוד שייתכן כי ניתן להקצות יותר של חיסכון גבוה יותר של עלויות מחקר של 50 דולר.

התאמה וגמישות

חומרה קניינית לעתים קרובות מכריחה מהנדסים לעבוד בתוך קבוצה קבועה של תכונות. חומרת פתוחה מסירת אילוצים: חוקרים יכולים לשנות פריסות PCB כדי לשלב חיישנים מיוחדים, להוסיף פרוטוקולי תקשורת חדשים, או לכווץ את טביעת הרגל הפיזית כדי להתאים בתוך כלי אבטיפוס.לדוגמה, דינמיקה נוזלית העובדת על משאבות מיקרו-השפעה יכולה לשנות את המעגל המנוע על לוח קוד פתוח כדי להשיג גבוה יותר להורדת או במהירות נוחה של שליטה כזו היא גם כן.

שיתוף פעולה ותמיכה בקהילה

חומרה פתוחה מייצרת קהילה.פלטפורמות כמו GitHub מארחת אלפי פרויקטים של חומרה פתוחה שבו חוקרים חולקים קבצים עיצוב, מתעדים quirks בלתי צפויים, ופוסט שינויים הדרכות.רשת גלובלית זו מכפילה את המאמץ האינטלקטואלי מאחורי כל מכשיר: בעיה העומדת בפני מעבדה בטוקיו כבר יכול כבר נפתרה על ידי חוקרת משותפת בברלין.פורומים, רשימות דוא"ל, וערוצי צ'אט בזמן אמת מספקים בעיות מהירות וסקירות קוד חשוב, כגון: CER, כמו גם כן, כדי להשיג שיפורים משותפים, כגון CPR, כגון: CER, או פעילויות הפעלה משותפת, כגון: CER, כגון: CPR.

ערך חינוכי

חינוך הנדסי מרוויח מאוד מחשיפה של חומרה אמיתית.פלטפורמות פתוחות מאפשרות לתלמידים לא רק להשתמש בדירקטוריון אלא ללמוד את ה ⁇ matics שלה, להבין אפשרויות רכיב, ותרגול פיזור ברמת החומרה. אוניברסיטאות רבות עכשיו ללמד קורסים מערכות משובצות לחלוטין סביב פלטפורמות פתוחות; התלמידים לבנות פרויקטים מאפס, למידה מיומנויות מעשיות בעיצוב מעגלים, מכרה, וכתיבה קושחיקה, יותר, כי חומרה פתוחה היא זולה, יכול לספק מוסדות יקריבית אחד כדי לספק ציוד למידה סטנדרטי יותר ויותר סטנדרטית עבודה כדי ליצור ציוד למידה סטנדרטית סטנדרטית צוותים סטנדרטי יותר ויותר פתוח צוותים למידה סטנדרטיים למידה סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים של צוותים של ציוד למידה.

פשטות מהירה וההרסה

לעתים קרובות מחקר דורש בנייה של אבטיפוסים של תפיסה במהירות.קובץ עיצוב חומרה פתוח ניתן להוריד, שונה בכלי CAD חינם, והפך לוחות פיזיים בימים - לא שבועות.אם אבטיפוס נכשל, הסבב לגרסה מתוקנת הוא במהירות שווה. מחזור זה מהיר זה הוא קריטי עבור שדות כמו פיתוח מכשיר רפואי, שבו פלטפורמת חיישן עשוי לדרוש כמה תיקונים כדי לייעל או ביצועים רעש.

יישומים אמיתיים בעולם

הגמישות של חומרה פתוחה הובילה לאימוץ שלה על פני מגוון רחב של מחקר הנדסי. להלן הם אזורי יישום מרכזיים, כל אחד עם דוגמאות מרשימות.

רובוטיקה ומפטטרוניקה

(ב) פלטפורמות רובוטיות בקוד פתוח כמו FLT:0 (Robot הפעלה System)FLT:1 בשילוב עם חומרה פתוחה כגון FLT:2RoboClawFLT 3 בקרים מנועים או FLT:4ODriveFLT:5 מברשות DC מנוע מאפשר לחוקרים לבנות אלגוריתמים מותאם אישית, רובוטים ניידים, מזל"טים ללא ממציאים מחדש את המעבדות ההפעלה המכונאות ומכשירים של Microsoft כדי לאפשר להחלפת ציוד ל-Dexotic.

פיקוח סביבתי

חיישנים בסביבה מרחוק או קשה דורשים גלר נתונים נמוך, וחסכוני כוח. פלטפורמות פתוחות כמו FLT:0EnviroDIYFLT:1 מאיfly Data logger או FLT:2openaguaFLT 3 מערכות עבור חקלאות מאפשרות לחוקרים להרכיב תחנות מזג אוויר מותאמות אישית, לפקחי מים ורשתות זיהום אוויר לדוגמה, חקרו יערות מיקרוסקופיים זולים יותר עם לוח פתוח של תאים חשמליים עם מקיפים של מקיפים, 000 ⁇ מקיפים, 000 מקיפים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מקיפים, 000, 000 מקיפים, 000 מקיפים, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מכשירים וטכנולוגיות מסייעות

בתחום הביו-רפואי, חומרה פתוחה היא משחק-משנה עבור מכשירים אבחון בעלות נמוכה, אסתטיקה וציוד שיקום.ה-FLT:0 (OpenBCIFLT:1 פלטפורמה מספקת מערכת רכישה בקוד פתוח EEG שחוקרים השתמשו כדי ללמוד ממשקי מחשב והפרעות שינה מותאמות אישית.

אינטרנט של דברים (IoT) ומערכות חכמות

מחקר IoT כרוך לעתים קרובות פריסת מאות מכשירים קצה, איסוף נתונים בזמן אמת, וניסוי עם רשת להתנצלות. פלטפורמות חומרה פתוחה כמו FLT:0ESP32FLT:1 microcontroller ו-FLT:2LoRaWANFLT 3 ערימה לתת לחוקרים שליטה מלאה על פרמטרים רדיו, מצבי שינה, ו- היתוך אוניברסיטת חכם-city-city testbeds בדרך כלל משתמשים במדדים של פעילות פתוחה, כדי לפתוח שקיפות, ולפתח אלגוריתמית אבטחה.

מערכות אנרגיה וכוח

ממכשירים סולאריים בקנה מידה קטן ועד מערכות ניהול סוללות, חומרה פתוחה מאפשרת חדשנות באנרגיה נקייה.הפלטפורמה פתוחה:0 OpenEVSEFLT:1 כלי רכב חשמליים תחנת טעינה ו-FLT:2 [OpenEnergyMonitoruaFLT: 3 פלטפורמה משמשים נרחב במחקרים אקדמיים של יעילות אנרגיה, תגובה הוגנת, ושילוב רשת.

אתגרים לOvercome

אין טכנולוגיה ללא מכשולים. פלטפורמות חומרה פתוחות להתמודד עם אתגרים ספציפיים שחוקרים חייבים לשקול בעת תכנון פרויקטים.

תמיכה מסחרית מוגבלת

בעוד שקהילות הן פעילות, לעתים רחוקות יש תמיכה ייעודית או מובטחת תחליף יום הבא עבור לוח זמנים פגומה. חוקרים חייבים להסתמך על פורומים, אשר לא יכול לספק תשובות זמן עבור מועדים קריטיים המשימה.

איכות אחריות וגמישות

עיצובי חומרה פתוחים עשויים לא לעבור את אותם בדיקות מחמירות כמו ציוד תעשייתי קנייני.זה יכול להוביל לבעיות עם רעש, תאימות אלקטרומגנטית, או סובלנות רכיב. עם זאת, פלטפורמות מבוססות היטב עם קהילות גדולות (למשל, Arduino Uno, Raspberry Pi) כבר מעודנים לאורך שנים והם אמינים מאוד. עבור עיצובים מתקדמים, החוקרים צריכים תקציב עבור אימות יסודי לשקול שינויים שלהם בחזרה הקהילה כדי לשפר את האיכות.

דרושים מומחיות טכנית

באמצעות חומרה פתוחה דורש ביעילות מיומנויות באלקטרוניקה, קושחה, ולעתים קרובות עיצוב מכני.בזמן שזה יתרון עבור סטודנטים הנדסיים, זה יכול להיות מחסום עבור חוקרים מתחומים אחרים. כדי לטפל בזה, קבוצות רבות מספקות ערכות התחלה ומדריכים (ראה FLT:0 Open Hardware AcademyFLT:1 משאבים).

הכחשה ושיקולים משפטיים

רישיונות חומרה פתוחים משתנים; חלקם דורשים כי כל יצירות נגזרות ישוחררו תחת אותו רישיון (הופנה מהדף שמאל), בעוד אחרים מאפשרים שינויים קנייניים.חוקרים צריכים להבין את התנאים לפני אימוץ פלטפורמה, במיוחד אם הם מתכננים לשווק תוצאות.

תחזית לעתיד: Open Horizon

מסלול חומרה פתוחה במחקר הנדסי הוא ללא ספק למעלה.כמה מגמות מצביעות על אימוץ רחב יותר בשנים הקרובות.

תמיכה ממשלתית וממשלתית

מימון סוכנויות כגון הקרן הלאומית למדע (NSF) והנציבות האירופית מעודדת כעת - ובמקרים מסוימים דורשות - תוכניות ניהול נתונים הכוללות שיתוף של עיצובי חומרה.אוניברסיטאות מקימות מעבדות חומרה פתוחות וכוללות תרומות לפלטפורמות פתוחות בקריטריונים של הקדנציה.

שילוב עם מדע פתוח

תנועת המדע הפתוח מדגישה את השקיפות לאורך כל מחזור חיי המחקר, מהנתונים הגולמיים ועד לניתוח קוד למכשירים פיזיים.Open חומרה משלימה את התמונה על ידי ביצוע הכלים של מדידה מחדש. חוקר בגאנה צריך להיות מסוגל לשחזר ניסוי שנערך ביפן אם שניהם משתמשים בעיצובים חומרה פתוח זהה, לבורג האחרון.

התקדמות ב-Manufacturability

העלייה של ייצור PCB זול, CNC CNC CNC מכווץ, ו הדפסה תלת-חומרית תלת-ממדית רב-חומרית פירושה שגם עיצובים מורכבים של חומרה פתוחה ניתן לייצר מקומית.הההגננות זו מפחיתה את תלות שרשרת האספקה ומאפשרת שיתוף פעולה מהיר, מבוזר גיאוגרפי.We יכול לצפות את הופעתה של "המופעל כשירות" פלטפורמות שבו החוקרים יכולים להזמין לוחות פתוחים מותאמים אישית עם כמה קליקים.

חינוך פילין

ככל שיותר אוניברסיטאות להטביע חומרה פתוחה לתוך תוכניות הלימודים שלהם, דור של מהנדסים יסיימו את הדרך בפרקטיקה עיצובית פתוחה.הם נושאים את החשיבה הזאת לתוך התעשייה, שם הם יתבעו כלים פתוחים ולתרום לפרויקטים קהילתיים.אפקט לטווח ארוך יהיה מאגר גדול יותר ומגוון יותר של תורמים מחזור חדשנות מהיר יותר.

מסקנה: Embrace Open Hardware for Faster, Better Research

פלטפורמות חומרה פתוחות אינן רק בחירה ידידותית תקציבית; הן זרז להבנה עמוקה יותר, שיתוף פעולה רחב יותר והתקדמות טכנולוגית מהירה יותר.על ידי הסרת מחסומים משפטיים ופיננסיים, הן מאפשרות לחוקרים הנדסיים להתמקד במה שחשוב ביותר: פתרון בעיות קשות.אם אתה מעצב זרוע רובוטית, ניטור נהר, או מניעת חיישן רפואי, החל מפלטפורמת פתוחה נותן לך ראש הקהילה מוכן, הם כלים מתקדמים, והוא פתוח לכל זמן פתוח, הוא לפתח את אסטרטגיית מחקר פתוחה.