Chi.Bio / LabMaker Chi.Bio

\n\n Chi.Bio jest otwartą, wielokanałową platformą hodowli mikroorganizmów, w której sterowanie procesem, interfejs webowy i zapis danych wykonuje komputer BeagleBone Black. Pojedynczy kontroler obsługuje do ośmiu modułów reaktora, a każdy moduł łączy mieszanie, ogrzewanie, pomiar OD, spektrometrię, wzbudzanie fluorescencji, optogenetykę i do czterech pomp perystaltycznych. Z perspektywy IT/OT nie jest to „prosty gadżet laboratoryjny”: publiczny kod zawiera bezpośrednie trasy HTTP zmieniające wyjścia, aplikację działającą na koncie root, SSH, Cloud9 IDE, pamięć eMMC/microSD i pliki procesowe CSV/JSON.

Aktualna fotografia kompletnego stanowiska Chi.Bio z kontrolerem, reaktorem i płytką pomp. Źródło: oficjalna witryna Chi.Bio.

Granice rekordu i rozpoznawanie wariantu

Nazwa Chi.Bio obejmuje platformę, a nie jedno całkowicie niezmienne SKU. Źródła rozróżniają co najmniej dwa warianty płytki wyjść optycznych, dokumentację konstrukcyjną 1.0 i 1.3, instrukcję montażu gotowego urządzenia 1.1, wersje pokryw oraz zestawy z pięcioma albo siedmioma kolorami LED. LabMaker sprzedaje obecnie kompletny zestaw „Chi.Bio (5-color LED)”, a wariant siedmiokolorowy figuruje jako ograniczona końcowa partia.

Przy identyfikacji egzemplarza należy zapisać:

• oznaczenia i rewizje PCB reaktora, pomp, płytki optycznej i interfejsu kontrolera;
• wariant wyjść LED: Version 1, Version 2, pięć lub siedem kolorów;
• producenta i rewizję BeagleBone Black, numer seryjny oraz wersję bootloadera;
• wersję obrazu systemu, jądra, aplikacji Python i plików interfejsu;
• typ pokrywy: płytkowa, drukowana 3D 20 mL albo inna konstrukcja użytkownika;
• rzeczywiste mapowanie przewodów, pomp, torów medium, odpadu i dodatków;
• źródło urządzenia: gotowy zestaw LabMaker czy konstrukcja własna.

W oficjalnym pakiecie sprzętowym dostępne są „Chi.Bio Assembly Documentation and Schematics” w wersjach 1.0 i 1.3. Każda PCB ma zestawienie elementów i numery części, a paczka zawiera pliki do montażu. Źródło: oficjalna strona sprzętu Chi.Bio.

Skala procesu, naczynie i przeznaczenie

Reaktor korzysta ze standardowej szklanej fiolki laboratoryjnej o objętości nominalnej 30 mL, płaskim dnie, średnicy 25 mm i wysokości 95 mm. Oficjalna karta LabMaker podaje zakres roboczy 12–25 mL. Publikacja naukowa opisuje urządzenie jako niskokosztową platformę do hodowli rzędu kilkudziesięciu mililitrów, a model stanu w kodzie ma domyślny cel objętości 20 mL i programowy limit 50 mL.

Producent publikuje dla drukowanych pokryw rewizję 1.6. Dla butelek z pożywką dostępne są pokrywy GL-45 w wariantach dwu-, cztero- i pięcioportowym, oznaczone jako 1.4. Materiał wydruku wpływa na autoklawowalność i szczelność; producent zwraca uwagę na drobne kanały około 1,5 mm oraz możliwość dodania pierścienia FKM.

Moduł reaktora z fiolką 30 mL, obudową optyczną i podstawą mieszająco-grzejną. Źródło: oficjalna strona parametrów Chi.Bio.

Kontrola wzrostu opiera się przede wszystkim na optycznym pomiarze OD i wymianie cieczy pompami.

Cena i segment rynkowy

Koszt samodzielnej budowy podano jako około 300 USD, a przy zakupie co najmniej pięciu gotowych sztuk — poniżej 600 USD za urządzenie. 2 września 2026 r. LabMaker oferował kompletny zestaw pięciokolorowy z reaktorem, czterema pompami i komputerem sterującym za 1190 USD.

Źródła cenowe: Getting Started — kupno lub samodzielna budowa oraz karta zestawu pięciokolorowego LabMaker.

Tor procesowy i elementy wykonawcze

Mieszanie realizuje regulowany wentylator komputerowy z magnesami trwałymi, napędzający pręt magnetyczny do około 15 mm długości. Interfejs zadaje prędkość wentylatora, a prędkość pręta zależy od sprzężenia magnetycznego i obciążenia.

Ogrzewanie zapewnia rezystancyjna płytka pod naczyniem, ograniczona do około 3 W. Dla 20 mL producent podaje maksymalną szybkość ogrzewania około 2°C/min; chłodzenie jest pasywne. Oficjalna strona techniczna opisuje termostat i temperaturę medium mierzoną medycznym termometrem IR z dokładnością ±0,2°C, a czujniki temperatury wewnętrznej i otoczenia z dokładnością ±0,5°C. Kod aplikacji ma domyślną nastawę termostatu 37°C oraz programowe maksimum 50°C. LabMaker podaje; zakres regulacji od temperatury otoczenia do 55°C.

Cztery pompy perystaltyczne mają niezależną regulację kierunku i prędkości. Deklarowany maksymalny przepływ wynosi 1,0 mL/s, a mniejsze wartości uzyskuje się przez włączanie impulsowe. Przewód referencyjny ma średnicę wewnętrzną 2,5 mm i zewnętrzną 4,5 mm. Objętość dawki oblicza się z kalibracji uwzględniającej przewód, zużycie głowicy, różnicę wysokości i lepkość medium.

Płytka czterech pomp perystaltycznych Chi.Bio. To osobna warstwa wykonawcza sterowana przez wspólną magistralę i PWM. Źródło: oficjalna witryna Chi.Bio.

Optyka, spektrometria i pomiar biomasy

Tor OD używa rozogniskowanego lasera 650 nm z wbudowaną fotodiodą do regulacji mocy. Spektrometr rejestruje pasma o środkach 410, 440, 470, 510, 550, 583, 620 i 670 nm oraz kanał Clear; kod uwzględnia ponadto NIR i Dark. Regulowane są wzmocnienie — w zakresie około trzech rzędów wielkości — oraz czas całkowania od 2,78 µs do 0,7 s.

Karta LabMaker pięciokolorowego zestawu podaje UV 285 nm oraz wzbudzenia 451, 500, 520, 590 i 623 nm.

UV jest wyjściem wykonawczym zdolnym zmienić materiał biologiczny, a nie tylko lampką kontrolną.

Płytka wyjść świetlnych Chi.Bio; dokumentacja rozróżnia jej rewizje Version 1 i Version 2. Źródło: oficjalna strona parametrów.

Tor spektrometryczny Chi.Bio używany do pomiarów wielopasmowych i fluorescencji. Źródło: oficjalna strona parametrów.

Elementy toru termometrii: czujniki temperatury otoczenia i wnętrza oraz bezkontaktowy pomiar medium. Źródło: oficjalna witryna Chi.Bio.

Wentylator z magnesami trwałymi tworzący napęd mieszadła. Źródło: oficjalna strona parametrów Chi.Bio.

Komputer sterujący, procesor i pamięć

Oficjalna specyfikacja wskazuje BeagleBone Black Rev C. Platforma ta wykorzystuje układ Texas Instruments Sitara AM3358 z rdzeniem ARM Cortex-A8 1 GHz i dwoma programowalnymi jednostkami czasu rzeczywistego PRU 200 MHz. Standardowa płytka ma 512 MB DDR3L 800 MHz oraz 4 GB wbudowanego eMMC. Dostępny jest slot microSD, port USB host, port USB client, Ethernet 10/100 Mb/s, UART, złącza rozszerzeń oraz magistrale I²C, SPI, PWM i ADC. Zarządzanie zasilaniem realizuje TPS65217C. Źródło: oficjalna specyfikacja BeagleBone Black.

Instrukcja Chi.Bio określa kartę pamięci o pojemności 4–16 GB.

Montaż kontrolera z BeagleBone Black i płytką interfejsową. Fotografia pomaga rozpoznać rzeczywiste wykonanie oraz dostęp do eMMC, microSD, USB i Ethernetu. Źródło: oficjalna witryna Chi.Bio.

Magistrale i architektura wielu reaktorów

Kod wiąże maski binarne 00000001–10000000 z kolejnymi urządzeniami. Obecność reaktora jest sprawdzana przez próbę komunikacji z jego termometrem wewnętrznym; identyfikator urządzenia powstaje z odczytów rejestrów termometru IR.

Komunikacja z elektroniką reaktora i pomp odbywa się przez I²C oraz sterowniki PWM/DAC. W kodzie występuje czujnik widmowy AS7341, termometry wewnętrzny, zewnętrzny i IR, DAC, sterowanie pompami i wyjściami LED.

Mapa urządzeń I²C potwierdzona w kodzie

Adresy i częstotliwości pochodzą z commitu c4e6950; w samodzielnie zbudowanym egzemplarzu trzeba je potwierdzić w kodzie i na PCB. Multiplekser powoduje, że awaria wspólnego bus 2, resetu albo adresu 0x74 może wpłynąć na wszystkie osiem modułów. Kod próbuje odzyskać komunikację przez reset multipleksera, a po serii błędów PWM wyłącza watchdog i kończy proces.

Reaktor łączy się z komputerem i płytką pomp przewodem micro-USB; zasilanie głównego modułu wynosi 12 V.

Watchdog i zachowanie po awarii

Aplikacja zawiera także funkcję turnEverythingOff, która zeruje stany LED, lasera, czterech pomp i pozostałych wyjść.

Impuls watchdog generuje ten sam komputer i proces, który steruje eksperymentem, a funkcja wyłączenia jest częścią tej samej bazy kodu.

Watchdog przełącza GPIO P8_11 co sekundę. Według komentarza źródłowego brak impulsu ma odłączyć zasilanie wszystkich podłączonych urządzeń. Kod ustawia również P8_17 dla zatrzasku D i P8_15 dla resetu multipleksera. Jest to użyteczny mechanizm fail-safe dla zatrzymania procesu lub zawieszenia Pythona, ale nie jest niezależnym systemem bezpieczeństwa procesu: komputer, aplikacja, logika sterowania i generowanie heartbeat pozostają w tej samej domenie zaufania.

Funkcja startu eksperymentu najpierw ustawia kierunek Pump1/Pump2, wywołuje turnEverythingOff, następnie uruchamia termostat i nowy wątek cyklu. Stop zeruje OD, pompy 1–2, mieszanie i termostat; końcowe ścieżki wątku ponownie wywołują turnEverythingOff. W audycie egzemplarza warto sprawdzić osobno zachowanie pomp 3–4, wyjść optycznych i grzania po zabiciu Gunicorna, utracie 12 V modułu, restarcie BeagleBone oraz przerwaniu I²C.

System operacyjny i wersje oprogramowania

Oficjalna instrukcja Software Setup Guide V2.3 opisuje obraz ChiBio-OS-2021-06-18.img.xz, zbudowany na Debianie 10.5 i jądrze Linux 4.19 z modyfikacjami sterowników. Jednocześnie nagłówek aktualnego app.py brzmi „Chi.Bio Operating System V1.0”, a pole prezentowane w sysData ma wartość „Turbidostat V3.0”.

Warstwa	Rozpoznana etykieta	Jak potwierdzić na urządzeniu
obraz systemu	ChiBio-OS-2021-06-18; Debian 10.5 / Linux 4.19 w instrukcji V2.3	hash obrazu, /etc/os-release, uname, historia pakietów
instrukcja instalacji	Software Setup Guide V2.3; starsza V1.3	zachowany PDF lub dokumentacja stanowiska
repozytorium	README: operating system Version 2.0	commit Git, kopia README
plik aplikacji	nagłówek app.py: Operating System V1.0	hash i pierwsze linie lokalnego pliku
wersja w UI/stanie	Turbidostat V3.0	odpowiedź /getSysdata/, HTML i lokalny kod
własne modyfikacje		różnica względem dokładnego commitu upstream

Najnowszy commit zaobserwowany podczas opracowania miał identyfikator c4e6950ac2b5a9c980aeb2d0a78ad793f5f896de, datę 10 lutego 2026 r. i opis „Fix for missing csv headers”. Link: commit c4e6950.

Oznacza natomiast, że identyfikator commitu i hash pliku są ważniejsze niż nazwa „V2.0”.

Stos aplikacyjny i interfejs webowy

Główna struktura sysData pozostaje w pamięci procesu i zawiera bieżące odczyty, rekordy czasowe, stan termostatu, pomp, OD, fluorescencji i eksperymentu.

Najważniejsze grupy tras to:

• wybór i skanowanie urządzeń: /changeDevice/…, /scanDevices/…;
• zmiana wartości i załączanie wyjść: /SetOutputTarget/…, /SetOutputOn/…;
• kierunek pomp, pomiary OD i widma oraz konfiguracja fluorescencji;
• dobór źródła dla optogenetyki, uruchamianie charakterystyki i kalibracji;
• start, stop i reset doświadczenia: /Experiment/… i /ExperimentReset.

Źródło kodu: repozytorium HarrisonSteel/ChiBio i bieżący app.py z gałęzi master.

Widok górnego panelu webowego

Górny panel web UI: wybór M0–M7, start/stop/reset, regulacja OD, wyjścia świetlne, spektrometr, termometria, termostat, cztery pompy, mieszanie, optogenetyka i program własny. Źródło: Operation Manual V1.2 z 19 lutego 2025 r.

Widok dokładnie pokazuje, że jedna sesja przeglądarki może przełączać się pomiędzy ośmioma reaktorami. Pola Current, Default i New rozdzielają wartość mierzoną, wartość bazową i nową nastawę. Przełączniki Switch, Direction, Start, Stop i Reset są bezpośrednimi elementami wykonawczymi. Sekcja OD pozwala wykonać pomiar, ustawić zero i cel turbidostatu; aktywny tryb OD blokuje ręczne sterowanie pompami wejścia/odpadu. Sekcja światła rozdziela kanały LED, laser i UV, a spektrometr pozwala wybrać gain i wykonać pomiar pełnego widma.

Wykresy i terminal zdarzeń

Dolna część web UI: wykres OD względem celu, termometria, praca pompy, trzy pomiary białek fluorescencyjnych i terminal statusu. Źródło: Operation Manual V1.2 z 2025 r.

Interfejs utrzymuje próbki wykresów w pamięci procesu. Po przekroczeniu 200 punktów funkcja downsample() zmniejsza rozdzielczość starszych danych, aby przeglądarka nie traciła responsywności. Nie dotyczy to pliku CSV: komentarz źródłowy wprost rozdziela zredukowaną historię UI od pełnego zapisu dyskowego. Terminal na stronie zawiera tekstowe zdarzenia z czasem, ale nie jest równoważny dziennikowi audytowemu z tożsamością operatora.

Uwierzytelnianie aplikacji i semantyka żądań

W sprawdzonym app.py nie ma mechanizmu logowania do aplikacji Flask, sesji użytkownika, ról, tokenów API ani ochrony CSRF. Odczyt /getSysdata/ jest zwykłym GET zwracającym JSON, a trasy wykonawcze używają POST, lecz parametry takie jak moduł, element, stan i wartość są przenoszone w ścieżce URL. Kontrola dostępu musi więc być zapewniona przez topologię sieci, host pośredniczący albo dodaną warstwę reverse proxy; sam fakt użycia POST nie uwierzytelnia operatora.

Kod serwowany przez Gunicorna wiąże się dokumentacyjnie tylko z 192.168.7.2:5000, natomiast awaryjne uruchomienie application.run(debug=True, threaded=True, host='0.0.0.0', port=5000) wystawia Flask na wszystkich interfejsach. Należy zapisać rzeczywistą linię poleceń procesu, unit systemd/screen, reguły zapory i adresy nasłuchu zamiast zakładać jeden wariant na podstawie instrukcji.

Dane procesowe, pliki i artefakty dowodowe

Każdy cykl dopisuje wiersz do pliku <czas_startu>_<M>_data.csv w bieżącym katalogu roboczym aplikacji. Sprawdzony kod zapisuje 43 kolumny: czas doświadczenia, OD mierzone i zadane, zero OD, nastawę termostatu, grzanie, trzy temperatury, intensywność optogenetyki, cztery pompy, objętość, mieszanie, zestaw kanałów LED/lasera/UV, trzy pary kanałów fluorescencji, parametry programu własnego, zigzag i estymowaną szybkość wzrostu. Nagłówki CSV zostały poprawione w commicie c4e6950 z 2026-02-10.

Co dziesięć cykli, dla reszty równej 1, aplikacja nadpisuje plik <czas_startu>_<M>.txt serializacją JSON bieżącego sysData[M]. Na czas zapisu zeruje nieserializowalny obiekt startTimeRaw, następnie przywraca go w pamięci. Reset wykonany z UI inicjalizuje bieżący stan, lecz instrukcja podkreśla, że nie usuwa wcześniej zapisanych plików. Pobranie danych odbywa się przez SFTP do katalogu /root/chibio w obrazie LabMaker.

Nazwa pliku doświadczenia zawiera czas zegara urządzenia. Kontroler nie podtrzymuje czasu, a instrukcja każe ustawiać datę ręcznie po starcie.

Porty, adresacja i protokoły

Skrypt cb.sh uruchamia Gunicorn z parametrem -b 192.168.7.2:5000. Instrukcja pokazuje interfejs użytkownika pod adresem http://192.168.7.2:5000/, Cloud9 pod http://192.168.7.2:3000/ i SSH/SFTP na porcie 22. Instrukcja opisuje ręczną zmianę podsieci USB na 192.168.8.0/24 i kolejne, gdy wiele kontrolerów łączy się do jednego PC.

Usługa	Ustawienie dokumentacyjne	Znaczenie bezpieczeństwa
SSH / SFTP	TCP/22, 192.168.7.2	pełna administracja i transfer plików
Cloud9 IDE	HTTP, TCP/3000	edycja kodu w /root/chibio; w skrypcie usługa działa jako root
Chi.Bio UI/API	HTTP, TCP/5000
USB gadget	zwykle 192.168.7.2 po stronie BeagleBone	sieć IP ukryta w pozornie lokalnym kablu USB
Ethernet 10/100		możliwy dostęp z LAN i trasa poza stanowisko

Skrypt instalacyjny dodaje trasę domyślną przez 192.168.7.1 oraz publiczne serwery DNS Google, co wskazuje na oczekiwane przekazywanie ruchu przez komputer PC podczas instalacji.

Tabela opisuje domyślne źródła, a nie wynik skanu każdej sztuki.

Brak HTTPS w dokumentowanym adresie oznacza, że nastawy i telemetria aplikacji nie mają ochrony transportowej zapewnianej przez TLS. Połączenie USB tworzy interfejs sieciowy, dlatego urządzenie może być osiągalne z hosta operatora nawet wtedy, gdy nie jest podłączone klasycznym kablem Ethernet. Jeżeli host udostępnia forwarding, most lub Internet Connection Sharing, trasa dodana przez instalator może rozszerzyć powierzchnię komunikacji poza segment 192.168.7.0/24.

Domyślne poświadczenia i uprawnienia

Software Setup Guide V2.3 podaje dla bazowego obrazu konto debian z hasłem temppwd. Dla urządzeń przygotowanych przez LabMaker instrukcja wskazuje root / root. Ta sama para ma być używana do połączenia na porcie 22 przy transferze plików. Publiczny skrypt setup.sh dodatkowo dopisuje PermitRootLogin yes do konfiguracji SSH, ustawia hasło roota na root, a usługę Cloud9 przełącza z użytkownika debian na root i zmienia workspace na /root/chibio.

Oficjalne materiały instalacyjne konfigurują dostęp SSH i Cloud9 z uprawnieniami roota do systemu oraz aplikacji sterującej.

Zalecane działania obronne to unikalne długie hasło, klucze SSH, wyłączenie logowania roota i hasła przez SSH, usunięcie lub odseparowanie Cloud9 oraz uruchamianie aplikacji z minimalnymi uprawnieniami.

Mechanizm aktualizacji i zależności

Instrukcja dzieli aktualizacje na „minor” i „major”. Aktualizacja główna oznacza ponowne przygotowanie nośnika i wyczyszczenie urządzenia najnowszym obrazem. Cloud9 jest rekomendowany jako najłatwiejszy sposób lokalnej edycji kodu.

Instalator pobiera pakiety przez apt i pip, bez przypięcia wszystkich wersji, oraz instaluje dołączony Adafruit_BBIO-1.2.0.tar.gz po modyfikacji jego setup.py.

Aktualizacja „minor” polega na ręcznym skopiowaniu app.py oraz opcjonalnie katalogów static i templates z GitHuba przez SFTP/Cloud9. Nie ma w niej podpisanego pakietu, manifestu wersji, transakcyjnego rollbacku ani automatycznej kontroli zgodności schematu danych. Aktualizacja „major” zastępuje cały obraz systemu, co może nadpisać dane lokalne i modyfikacje. Dla każdej sztuki należy przechować hash obrazu bazowego, commit źródła, listę pakietów oraz różnicę plików względem upstreamu.

Publiczny setup.sh instaluje Gunicorn, Flask, serial, Adafruit GPIO, simplejson, smbus2 i NumPy bez przypiętych wersji. Następnie rozpakowuje Adafruit_BBIO 1.2.0, usuwa flagę kompilatora -Werror i wykonuje instalację jako root. Taki proces jest reprodukowalny tylko częściowo: ten sam skrypt uruchomiony w innym dniu może pobrać inne wersje zależności i ich zależności pośrednich.

Źródła podstawowe

• Chi.Bio — parametry techniczne
• Chi.Bio — sprzęt, schematy, BOM i pliki CAD
• Chi.Bio — oprogramowanie i instrukcje
• Software Setup Guide V2.3
• Chi.Bio — instrukcja obsługi
• Chi.Bio — repozytorium systemu
• setup.sh — ustawienia konta root, SSH i Cloud9
• cb.sh — adres i port Gunicorna
• app.py — backend i trasy sterujące
• BeagleBone Black — specyfikacja producenta platformy
• Steel i in., „In situ characterisation and manipulation of biological systems with Chi.Bio”, PLOS Biology
• LabMaker — Chi.Bio 5-color LED

Stan zmiennych źródeł, repozytorium i cen sprawdzono 2 września 2026 r.