藍藻檢測新方式

污水排放不當容易引起藍藻大量繁殖，在太湖、滇池等水域均有過大規(guī)模藍藻爆發(fā)。水質(zhì)惡化還會給漁業(yè)帶來嚴重危害，甚至影響生活用水，因此降低藍藻檢測及其面積測算的時間和成本并盡早進行防治顯得尤為重要。

在今年的夏季本科生研究基金項目（SURF）中，來自西交利物浦大學(xué)智能工程學(xué)院的五位同學(xué)在計算機系朱曉輝博士和岳勇教授的指導(dǎo)下，提出了一種快速檢測藍藻并估測面積的算法。該算法可以搭載在無人機上，當無人機從水面飛過時，攝像頭會拍攝下水面的實時圖片，計算機能夠根據(jù)這些圖像識別出水中藍藻生長區(qū)域，并估算出藍藻污染區(qū)的面積。

小組采用了一系列模擬實驗來驗證識別與估算的準確度，并在暑假期間前往金雞湖進行實地測試。未來，這種方法也有望用于建筑行業(yè)、地圖測繪等多個領(lǐng)域之中。

考慮到需要裝載在無人機上，同學(xué)們在設(shè)計時選用了適合用于移動設(shè)備的輕量級語義分割算法，它的體積更小但速度和精度更高。語義分割是計算機視覺領(lǐng)域中的重要分支，能夠識別出圖像中的目標，且精確到每個像素，識別到藍藻之后，可以通過像素點來估算面積。

（圖片說明：上圖左邊為湖水中藍藻分布的實際情況，右邊紅色部分是使用該方法進行藍藻識別的效果）

小組成員包括信息與計算科學(xué)專業(yè)的楊凱原、石天磊、陸懿行、楊正、沙翔宇，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的潘治元和金融計算專業(yè)的沈嚴靚。

楊凱原介紹說：“由于藍藻一般都是聚集漂浮在水面上的，而水域面積大多比較廣，選用這種方式就能大范圍、快速地檢測藍藻的爆發(fā)情況。使用該算法能夠得出較為準確的結(jié)果，相比傳統(tǒng)的取樣檢測也更節(jié)約時間和成本?！?/p>

但如果只是用普通攝像頭來拍攝圖像，則會損失一部分信息。石天磊解釋說：“在現(xiàn)實生活中我們看到的是三維物體，攝像頭拍出的圖像卻是二維的，丟失的一維是物體之間的空間距離，缺少這樣的深度信息會導(dǎo)致無法得出藍藻的具體面積?！?/p>

“因此，我們使用了雙目攝像頭，這種攝像頭可以模擬人的視覺。”

石天磊在項目中負責(zé)面積估算的算法開發(fā)，他說：“人的左右眼會從略微不同的角度觀察物體，這種不同與物體所處的位置是相關(guān)的，通過這樣的視差可以感知深度信息。使用雙目攝像頭后，我們也能獲得水面上藍藻區(qū)域與其他區(qū)域在空間上的聯(lián)系，再與像素點結(jié)合、轉(zhuǎn)化就能夠估算出更為具體的藍藻面積?！?/p>

（上圖前排從左至右為指導(dǎo)老師岳勇教授和朱曉輝博士；后排從左至右為小組成員楊正、曾鐘情、楊凱原、石天磊、沙翔宇以及在項目中提供協(xié)助指導(dǎo)的博士生姚善良）

楊凱原大一時就加入了岳勇教授和朱曉輝博士的項目組?！皠傔M實驗室時知識儲備還不夠，老師很耐心地引導(dǎo)我學(xué)習(xí)一些必要的知識，鼓勵我開展研究，給了我很多支持和幫助。”

“參與這兩次SURF讓我感覺到創(chuàng)新是最大的難點，它要求研究者不斷了解已有的、最新的理論和方法，站在巨人的肩膀上去琢磨，不斷推翻舊的思路，更新完善自己的方案，最終實現(xiàn)和驗證它們。”她補充道。

在石天磊看來，SURF這段科研經(jīng)歷幫助他提升了實際解決問題的能力?！癝URF項目其實在學(xué)期中就已經(jīng)開始了，需要在平時學(xué)習(xí)的間隙做好一些初步的構(gòu)想，暑假期間主要是集中攻堅，對于本科生來說，怎樣保持科研與日常學(xué)習(xí)的平衡非常有挑戰(zhàn)。SURF鍛煉的是處理實際難題、實現(xiàn)實際應(yīng)用的能力，對于提升抗壓能力也很有幫助?！?/p>

癌癥診斷潛力的探索

西浦理學(xué)院生物科學(xué)系的一組SURF則聚焦于癌癥診斷中免疫治療的潛力。

在Jeong Park博士的帶領(lǐng)下，生物科學(xué)專業(yè)的于佳瑋、吳雨桐、周怡欣和袁子越四位同學(xué)開發(fā)了一種生物納米纖維來幫助檢測乳腺癌細胞上的癌癥標記物，并希望通過細胞抗體來進行免疫治療。

Park博士介紹說：“目前在癌癥治療手段中，藥物仍然是最通用的方式，但是這類藥物的價格十分昂貴，完整的治療費用甚至超過了十五萬美元。我們的研究希望能夠借助細胞本身的免疫功能來進行治療?！?/p>

吳雨桐說：“傳統(tǒng)的化療中，藥物會對癌細胞和自身細胞進行無差別攻擊，對病人身體損傷很大，免疫治療相比化療、放射治療等對病人身體損傷更小?！?/p>

“但目前發(fā)現(xiàn)免疫治療只對特定的癌癥種類有效，這類型癌癥可以借助其細胞表面的一種蛋白進行免疫逃避，我們合成的這種生物納米纖維可以對此類蛋白進行結(jié)合，并檢驗其結(jié)合效率，從而確定病人是否可以進行免疫治療。”

“隨著研究的深入，也許在之后能使用免疫診斷這樣的方法，幫助降低癌癥治療的成本；同時也能減少在治療過程中由于過度使用藥物而對人體造成的損傷?！?/p>

（圖片說明：蛋白質(zhì)純化）

（圖片說明：酶樣本）

小組同學(xué)們表示這個項目的實驗需要非常嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和連貫的操作，一旦在實驗期間出現(xiàn)了操作上的一些問題，就需要從頭開始。

于佳瑋表示：“我們花費了一周的時間，進行微球菌核酸酶檢測，每次失敗以后，老師都會把我們的結(jié)果放在實驗臺上進行提問，啟發(fā)我們主動去分析實驗結(jié)果，思考所有可能導(dǎo)致實驗失敗的問題。”

除了專業(yè)上的指導(dǎo)，Park老師也教會了同學(xué)們一些做科學(xué)研究應(yīng)該具備的品質(zhì)和心態(tài)。

“讓我印象最深的是老師說：失敗是實驗中的常態(tài)，最重要的是學(xué)會如何面對失敗，如果我們能從失敗中總結(jié)出經(jīng)驗、分析出一些有用的信息，那這次實驗就是有價值的?！庇诩熏|說。

他還發(fā)現(xiàn)，在整個研究過程中，同學(xué)們對于獨立自主的完成科研項目有了更清晰的認識。

“之前在課堂上做實驗時，助教老師們都會充分準備好實驗材料，我們只需要專注于完成實驗本身的部分?！?于佳瑋說，“而在surf項目中，我們有更多機會去鍛煉實驗操作技能——我們要自己準備實驗材料、規(guī)劃每日的實驗?zāi)繕?，主動去推動項目的進度；完成實驗也不是工作的結(jié)束，每一次做完實驗后我們都會對結(jié)果進行詳細分析?！?/p>

“也是通過這個項目，我確定了自己對于癌癥研究領(lǐng)域的興趣，在這次研究中積累的實操經(jīng)驗也可以應(yīng)用在以后的學(xué)習(xí)中。”（記者：金畫恬 王璐遙 編輯：胡秋辰 圖片提供：SURF團隊）