美国西北大学的工程师们开发出了首个计算机编码平台，可以让孩子们建造和编程可持续的、无电池的能源收集设备。
这个名为“免电池MakeCode”的新工具基于微软MakeCode，这是一个流行的免费在线编程学习平台，向初学者介绍编程基础知识。可视化平台使编程变得容易。用户只需拖放预制好的代码块，就可以制作俄罗斯方块(Tetris)这样的游戏，编写可以计算步数或发出声音的设备，并创建连接传感器、屏幕、按钮和电机的应用程序。
无电池MakeCode使用一个扩展，自动和无形的转换MakeCode到一个版本，支持编程电子设备，从环境来源收集能量，如振动，运动，无线电频率传输和太阳。
作为美国国家科学基金会(National Science Foundation)支持的一个试点项目的一部分，位于夏威夷Kāneʻohe市的Pūʻōhala小学(Pūʻōhala Elementary School)的教师们开始将无电池MakeCode应用到他们以地点为基础、以可持续发展为重点的STEM课程中。
这个新平台背后的研究发表在今天(3月30日)的《计算机器协会关于交互、移动、可穿戴和普适技术的学报》上。该平台不需要任何定制的硬件，可以在网上免费获得。
使用无电池MakeCode建立一个以太阳能供电的计步器。资料来源:约西亚·赫斯特/西北大学
该研究的资深作者、西北大学的乔赛亚·赫斯特(Josiah Hester)说:“在全国范围内，编程正成为课程的标准组成部分，学生学习如何编程的时间越来越早。”“我们希望，在学生学习编程的同时，他们也能学习有关能源和可持续性的概念。通过使用无电池MakeCode，我们希望教育工作者能够指导新一代理解可持续计算和编程实践的程序员。”
“未来5到10年，科技行业很可能会增加无电池设备，”赫斯特实验室的博士候选人克里斯托弗·克雷默(Christopher Kraemer)补充说。“因此，有必要改善无电池编程领域的教育。”
赫斯特是西北大学麦考密克工程学院电子和计算机工程及计算机科学的助理教授。他也是Allen K. and Johnnie Cordell Breed的初级设计教授。Kraemer是这篇论文的第一作者。
避免“垃圾箱火灾”
在夏威夷土著的启发下，赫斯特开发了无电池设备，旨在使计算更加可持续。2020年秋，赫斯特和他的合作者推出了第一款不需要电池的Gameboy游戏机，它可以从太阳和用户自己按下按钮获得能量。然后，在2021年秋天，该团队推出了BFree，这是一个新的编码平台，可以让制造商、业余爱好者和新手程序员构建自己的无电池电子设备，利用收集到的能量运行。
使用无电池MakeCode建造一个由太阳能供电的智能玻璃容器。资料来源:约西亚·赫斯特/西北大学
“互联网上的所有制造商都在询问如何延长他们设备的电池寿命，”Hester当时说。“他们在问错误的问题。我们希望他们忘记电池，转而考虑更可持续的发电方式。”
虽然锂离子电池看起来很方便，但它对环境造成了巨大的影响。锂的开采不仅消耗大量的能源和水，而且锂还是一种易燃、有毒的材料，在回收工厂里会引发火灾。大型科技公司估计，在未来50年内，我们可能会看到数以万亿计的物联网设备。这将导致大量使用并最终被丢弃的电池。赫斯特想要阻止人们需要这些电池，从而阻止它们变成真正的垃圾箱火灾。
学会编程，但不要用电池
到目前为止，为无电池设备编程仍然是一件非常困难的事情——这仅仅是为具有专业知识且经验丰富的程序员准备的。主要的问题是能量收集是不可预测的，所以在无电池设备上运行的程序可能会在太阳躲到云后或用户在按压按钮时休息时失效。
赫斯特说:“为这些设备编程尤其困难，因为你必须考虑如何安全、迅速和正确地防范间歇性停电，然后在能源恢复后恢复断电状态。”
无电池MakeCode是一个易于使用的可视化平台。用户只需拖放预先写好的代码块来制作游戏和程序设备。资料来源:约西亚·赫斯特/西北大学
幸运的是，正在学习编写无电池设备代码的小学生不用担心这些问题。无需电池的MakeCode为他们做了所有繁重的工作，所以他们可以转而专注于设计设备和探索能源。学生无需编写复杂的代码来处理间歇性的电力故障，而是可以更多地思考如何收集和使用能源——这对未来的程序员来说是重要的概念。
“一些游戏系统在闲置时比冰箱消耗更多的能量，”赫斯特说。“这正是我们希望未来的程序员避免的。”
新的扩展转换原始MakeCode程序，以启用容错，确保程序状态在间歇性能源供应下持续。
克雷默说:“无需电池的MakeCode只需一块内存芯片、太阳能电池板或其他能源采集器就能完成这项任务。”“这些步骤对于程序员来说是完全没有意义的，这让他们能够充分发挥创造性。”
由于MakeCode完全在线，对可持续智能设备编程的唯一要求是互联网接入和价值低于40美元的电子产品，这些产品很容易在AdaFruit或其他制造商和学生网站上找到。这种可访问性大大拓宽了可持续计算实践的潜在范围。
以“夏威夷的可持续发展精神”重新定义编码
赫斯特在与一所为大多数土著学生服务的双语(夏威夷语和英语)公立学校的教师讨论后，发起了这个项目。尽管现在学生们已经在编程和STEM课程中使用MakeCode，但用电池为最终设备供电的想法似乎与可持续发展的文化重要性相矛盾。
在夏威夷，到2025年，编程将成为所有学生STEM课程的一部分。通过使用无电池MakeCode，赫斯特和他的团队希望Pūʻōhala小学的学生能够学习如何为智能、可持续的设备编程，同时在这个过程中提出关于可持续发展的关键问题。学校已经采用了可持续发展的技术，包括3D打印只使用可持续发展的材料——不允许使用塑料。
“它很好地与文化相关的夏威夷土著课程联系在一起，”赫斯特说。“在我的文化中，我们不断地问自己，如何才能在做善事的同时，对环境造成最小的影响。我们想让环境变得比我们发现它时更好，并照顾好ʻāina(土地)。我个人的动机是探索重新设计或重新设想计算机课程的方法，以适应夏威夷本土的可持续发展精神。”
