玩具创造的黑色科技!他用乐高制作了一个实验室级的显微镜,这种方法是开源的

显微镜是很多科学领域必不可少的工具,然而由于成本和脆弱性,其在课堂环境中的使用受到限制,在家庭中几乎没有。今天极客君介绍了一种乐高积木和低成本且容易获取的镜头制成的显微镜,其获得的放大倍数和分辨率足以观察微米大小的物体,能帮助探索各种生物物理原理。

这种显微镜是Timo Betz教授发明的,他是德国哥廷根大学的生物物理学家,名字常出现在广泛引用的研究论文中,例如《神经突分支收缩是由阈值相关的机械冲击引起的》和《外力控制有丝分裂纺锤体定位》。这次他用乐高来做显微镜,明显不是给自己用的,而是做给所有普通人的。

为什么要用乐高积木来做显微镜?

贝茨(Betz)的项目由哥廷根大学和明斯特大学的研究人员共同完成,其目的是用一些孩子的塑料积木和手机零件来制造高分辨率显微镜。在建造过程中,孩子们和成年人都可以增强他们对显微镜工作原理的理解。一项针对 9 至 13 岁学生的研究表明,在使用乐高显微镜后,他们对显微镜的理解显着增加。

据贝茨对媒体的介绍,如果你有零件,又擅长砌乐高,30 分钟内就可以完成。而如果你是新手,一个小时是合理的。有一些困难的部分,会涉及到需要调整焦点,在这种质量体系中,需要在头发直径的一小部分上移动镜头。乐高很难做到,不过蜗杆驱动器可以完成。但需要足够耐心来搭建。

不过贝茨认为,孩子们可以比成年人做得更好。“我儿子和我周末基本上坐在一起玩乐高”贝茨继续说:“我同意为学校的孩子们开一场讲座,介绍我在实验室的工作——生物物理学,重点是细胞力学。所以我问他,他认为对他这个年龄的孩子来说什么有趣。他告诉我,他很喜欢实验室里的显微镜,突然有了用乐高建造显微镜的想法。我的第一反应是这太难了,因为精确的动作和那些乐高代替不了的零件。但是他想出了一系列关于如何克服困难的好主意。”

乐高显微镜观测效果,意外的好

这部显微镜唯一不是用乐高积木制成的部分是光学元件,它用到了目前智能手机上使用的镜头,每个也就花费几美元。

贝茨说:“我拆了一个相机的模块拿到了镜头,然后我被惊讶到了。我能够看到固定细胞的细节,而以前我只能在实验室的高端显微镜下才能看到。而这个只是4欧元(4.70美元)的镜头。”

上图是用乐高显微镜进行的实验示例,a是氯化钠晶体的图像。b是红洋葱细胞渗透的时间流逝图,可以看到细胞膜与细胞壁分离。c是卤虫在水中运动的时间流逝。d是2只水蚤在水中运动的时间流逝。

这种高质量的原因在于智能手机的镜头需要有一个平面模块,这就产生了相当高的数值光圈——在使用的镜头中约为 0.5——这反过来决定了分辨率。此外,镜头已经补偿了球面和色差,这正是贝茨他们所需要的。

正如前面所说,贝茨没有把这个显微镜留作自用。而是在Github上提供了制造说明直接开源,有英语、德语、荷兰语和西班牙语。还有一篇描述这项工作的论文最近也发表在《2021年生物物理学家》(the Biophysiist 2021)杂志上。

极客君有话说

家里有条件的朋友也可以带动孩子尝试一下,搭建乐高显微镜可以在娱乐中去接触科学了解世界,包括肉眼看不到的部分,这样也有助于提升解决问题的能力和创造力。你有信心完成这种级别的DIY吗?

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