克隆技术欢迎应用于科学硬件

了解一家公司为何开源其测试设备。

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Opensource.com

在开放硬件期刊的创刊号中，我回顾了开源硬件的新兴商业模式。这些模式中有许多借鉴了自由和开源软件行业，您无疑会很熟悉。然而，传统公司也应该密切关注将开源硬件添加到他们的战略中。

公司开始向开源方式转变的一种方法是开源单一产品，以推动其他产品的销售。

一家公司可以开源他们销售的硬件，以扩大其产品线其他部分的市场。这被称为二级供应商模式，这种模式最适合拥有更多经验和现有专利的成熟公司。我将介绍Nitrate Elimination Company Inc. / Superior Enzymes (NECi)公司使用这种方法的一个例子，该公司主要是一家绿色分析化学酶制造商。

第一种重组硝酸还原酶

酶是催化生物反应的蛋白质。酶降低了能量壁垒，因此反应可以在水中自然发生，而无需过多的热量或压力。对于生命中发生的每一种化学反应，都有一种酶专门使该过程快速而容易。来自植物的硝酸还原酶（NECi 的第一种酶产品）将硝酸盐还原为亚硝酸盐，这是将元素转化为蛋白质和 DNA 的链条中的第一步。由于硝酸还原酶天然存在于植物中，因此您每天食用植物就是在进行健康的饮食。NECi 的聪明之处在于使用硝酸还原酶代替有毒的镉试剂，以进行可靠且环境友好的硝酸盐测量。

Nitrate Reductase space filling model.

^{图1. 硝酸还原酶空间填充模型。（GNU FDL 1.3）}

NECi 成立的目的是将硝酸还原酶商业化，这是 W.H. (Bill) Campbell 博士对植物代谢的学术研究的重点。他的著作发表在《自然》杂志上（通过固定化酶还原水中硝酸盐和亚硝酸盐），引起了媒体的广泛关注，吸引了商业咨询，并为硝酸还原酶创造了一个全新的市场。20世纪90年代初，坎贝尔博士和艾伦·坎贝尔一头扎进了商业世界。他们向市场发布了第一种重组硝酸还原酶，作为硝酸盐检测的可靠且经济高效的试剂。基于酶的硝酸盐检测现在是美国地质调查局和 ASTM 国际标准机构的标准方法。尽管 NECi 仍然是一家相对较小的公司，但其硝酸还原酶在生物医学研究市场中占据了硝酸氧化酶活性试剂盒的主导地位。

开源硝酸盐测试光度计

也许在密歇根州比世界其他地区更甚，我们对环境监管机构有时可能不足以保护人类健康免受水污染这一事实非常敏感。弗林特的水中不仅仅有铅污染物。例如，密集的农业作物施肥和牲畜生产通常会导致有害水平的硝酸盐。硝酸盐直接和间接地威胁着人类和动物的健康，因此目前受到监管。政府环保署的测试虽然在过去肯定不完美，但似乎很可能在美国的未来被削减。

无论您的政治立场如何，您可能都不想饮用受污染的水。弥补政府对污染监管不力的一种方法是自己动手。然而，从历史上看，大多数人无法自行获取可靠和准确的环境数据。设备昂贵，而且许多试剂本身都很危险，因此您无论如何都不希望将它们放在家中。

NECi 介入了。他们开发了用于 1mL 比色皿光学工作台手持式光度计的比色法。然后，他们通过开源一种新的光度计与我的实验室合作，这从根本上降低了使用其硝酸还原酶检测硝酸盐的其他方法的成本。通过结合使用开源 Arduino 原型平台和开源 RepRap 3D 打印，制作起来非常容易。数据收集和处理在 Android 设备上进行，用于跟踪和共享（图 2）。

Open source nitrate tester

^{图 2. 开源硝酸盐测试仪。（GNU FDL 1.3）}

对于公司商业化该设备的前几批产品，它使用了尊重自由的 Lulzbot 3D 打印机，并手工焊接电子元件以适应更精美的包装（见图 3）。除了自行商业化光度计外，它还根据开放许可发布了设计，以鼓励公民科学家、创客和其他人制造这些设备，这将有助于扩大其酶的潜在市场。

可悲的是，根据环保署的《清洁水法》和《安全饮用水法》，监管合规性的标准方法地位目前正受到新政府混乱局面的阻碍。尽管如此，我们在一项研究（用于酶法硝酸盐定量的开源光度计系统）中表明，您可以自己构建的价值不到 65 美元的小型设备与全尺寸实验室中昂贵且危险的硝酸盐测试一样好。

由于主要供应商 Environmental Express（现为 Cole-Parmer 的一部分）对其进行销售，该光度计在市场上越来越受欢迎。该公司拥有一支全国性的销售团队，并积极推销这些设备和套件。NECi 手工制作了前 100 台设备，并据他们说：“我们再也不会尝试那样做了。”

另一方面，使用 Lulzbot 制作外壳是完全可行的。

为了扩大规模，NECi 找到了两家专门从事小规模电子产品生产和组装的美国公司。

Commercial version of the spectrometer.

^{图 3. 光谱仪的商业版本。（图片来源：NECi 提供，根据 CC-BY-SA 许可发布。）}

欢迎克隆者

通常情况下，律师会介入并确保所有知识产权至少锁定 20 年。由于任何公司都可以制造开源硬件，因此最终效率最高的制造商将拥有最低的价格。几年国际克隆之后，NECi 这家小型酶公司不太可能拥有市场上最便宜的硝酸盐测试光度计。

NECi 受到了这种竞争的保护，因为克隆者将推动酶的销售，而酶是其主要收入来源。因此，驱动对克隆者普遍恐惧的逻辑被颠倒了。克隆者实际上可以将其开放硬件品牌的覆盖范围及其项目扩展到超出原始创新者的生产能力。在 NECi 的案例中，它直接受益于克隆者创造的酶销售额的增加——因此，克隆者们，尽情克隆吧。

为了使克隆变得极其容易

阅读包含电子元件说明的完整论文：Wittbrodt BT, Squires DA, Walbeck J, Campbell E, Campbell WH, Pearce JM. (2015) 用于酶法硝酸盐定量的开源光度计系统。“PLoS ONE” 10(8): e0134989 doi: 10.1371/journal.pone.0134989 开放获取
如果您还想了解其他水质特性，此项目源自开源移动水质测试平台。
在 YouMagine.com 上下载用于 3D 打印外壳的 STL 文件。
在 Appropedia 上查看 OpenSCAD 代码。
在 GitHub 上获取开源软件。
在 Google Play 上免费下载适用于 Android 设备的应用程序（抱歉，iOS 用户）。
除了水质检测外，NECi 测试套件还可用于干草料、青饲料、植物叶柄和土壤硝酸盐检测。