800元建造一个显微镜,只用一个移动摄像机和乐高积木

机器之心报道

编辑:李泽南、蛋酱

乐高积木和树莓派开发板,谁的用处更多呢?

手机的拍摄能力,是目前很多厂商打造差异化竞争力的重要方向。最近,一些以拍摄超远距离景物、清晰夜景能力见长的手机获得了人们的青睐。2021 年的旗舰手机中,又出现了 OPPO Find X3 这样带「显微镜」的异类,其主摄像头模组里面有一个镜头可以最多放大 60 倍,拍摄出日常事物中你以前从来无法想象的细节。

对于充满好奇心的人们来说,拿手机当显微镜显然是一个好主意,毕竟免去了花钱购入专业设备的麻烦。但爱折腾的我甚至不希望为此买一款新手机,自己搭建一个可不可以?

还真的不是问题,最近来自德国明斯特大学、哥廷根大学的研究者们探索出了一条用乐高积木搭建显微镜的方法,只需另找一个 iPhone5 级别的手机主摄像头就可以实现。

经过测算,「手搓」一台乐高显微镜花费的成本只需要 102 欧元(约 800 元人民币),如果你不是淘宝买,而是直接拆旧手机上的摄像头还会更便宜。

这几个研究者们把自己的方法公开在 GitHub 上,几天就获得了上百个点赞,还煞有介事地拿这件事写了一篇论文。

论文链接:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.04.11.439311v1.full.pdf

这样的材料和技术需求,看起来可比当初那位自造扫描隧道显微镜看原子的老哥简单很多了,你也不需要有博士学位跟高超的手艺才能 hold 住。

根据使用镜头的情况,乐高显微镜的放大倍数不尽相同。但首先,微米尺度的微观成像显然不是问题:

卤虫。

洋葱表皮细胞。

而且,作者们还强调了一点意义:显微镜是众多科学领域的必要工具,但由于成本等因素,显微镜的使用在教学课堂上是受限的。这项小发明或许可以让人们更多地去接触科学探索。

搭建说明

在动手之前,首先梳理一下需要的零件清单:

成本的大头是散装乐高零件,预算在 80 欧元左右,此外还需要一个 iPhone 5 替代镜头、丙烯透镜、玻璃透镜、载玻片等。总价算下来 100 欧元左右,也就是不到 800 元人民币。

由于乐高不提供光学元件,所以需要提前购买一些镜头零件,当前配置中使用了 3 种类型的附加镜头:

目镜:使用两个简单的丙烯酸镜(直径 34.5 mm,f = 106 mm)作为目镜,并用胶带粘在一起;

低倍率物镜:使用直径 18 mm、焦距 26.5 mm 的简单玻璃透镜,在这里也可以使用其他任何镜头,不过为了能够按照说明中的计划安装,请注意尺寸。

高倍率物镜:此处使用了 iPhone 5 塑料镜头模块,基本上可以 2 到 4 欧元的价格买到。塑料镜头的缺点是,处理不当会迅速导致划痕,操作镜头时需要小心,因为镜头表面的划痕会干扰图像质量。

和其他乐高积木一样,你可以按照说明书来逐步搭建。作者使用 LDraw 软件创建了说明书,如果你想要更改设计,也可以在项目地址中下载 CAD 文件进行再创作。

(图注)乐高显微镜整体设计图。(c)是从下方照亮样本的 LED,(d)是通过移动物镜调整显微镜焦距的螺纹系统;(e)是两个物镜,包括一个焦距为 3.85mm 的替换智能手机镜头 (左) 和一个焦距为 26.5mm 的玻璃镜头(右) ; (f)由两个丙烯镜头组成; (g)是改装后的目镜,此处智能手机可以用作照相机。

说明书 PDF 版:https://github.com/tobetz/LegoMicroscope/blob/main/Just_Plans_and_Parts/Mikroscope_plan.pdf

从作者的说明中你可以看出来,这种显微镜是以标准的乐高积木堆叠方式完成的,没有特殊的魔改操作,即使其中夹杂手机摄像头这样的「科技组件」,其易于操作的程度也超乎了人们的想象。

在对于显微镜的讨论中,有人赞叹于作者的创意,也有人指出其他科学家们使用乐高积木搭建出的各种科学仪器,包括光谱仪、地震仪、天平,甚至欧洲核子研究中心 CERN 的强子探测器。

我借自己十岁儿子的乐高积木做强子探测器,它甚至可以经受高强度的放射性。它真的不是玩具。

下一次想要研制什么科学仪器的时候,你可以先问问自己:能不能用乐高积木来做?

参考内容:

https://github.com/tobetz/LegoMicroscope

https://home.cern/news/news/experiments/using-lego-study-building-blocks-universe

https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram/nist-do-it-yourself-kibble-balance

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