2017-01-12 科研圈

本文经授权转载自微信公众号“创新地标”（ID: kejitouzi）

 

 

 

受到转扣子游戏的启发，两位斯坦福大学的生物工程师们制作了成本极低的简易离心机，其转速能达到每分钟125000转，这种巧妙的设计对条件简陋的偏远地区有着非凡的意义。

 

翻译  龚聪

视频字幕  吴非

 

转扣子是许多人小时候都玩过的游戏：将一根细绳穿过扣子的两个孔，在扣子一侧将绳子两端打结，把扣子放在两股绳子中间，抓住绳子两端，转动扣子让两股绳缠绕在一起，然后有节奏地拉扯绳子，扣子就快速转动起来。

 

受到转扣子游戏的启发，两位斯坦福大学的生物工程师们制作了成本极低的人工离心机。这种人工离心机仅由纸片、绳子、塑料组成，一美元就能做五个，在一分半钟的时间内将血液根据成分离心分层。这种“纸片离心机”的转速能达到每分钟125000转（30000 g）。“就我所知，这是人力能产生的最快转速了。”斯坦福大学的助理教授 Manu Prakash 说。

 

要检测如疟疾、非洲昏睡病、艾滋病和肺结核等疾病，离心机是少不了的。这种低成本的“纸片离心机”可用于服务疾病多发的偏远贫穷地区，为人们提供准确的检测。

 

2017年1月10号，该设备的物理研究和测试结果发表于《自然-生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）。

 

最方便的“仪器”

 

疾病诊断中，离心机用来分离血液中不同的成分，让病原体检测更加容易。普通离心机的工作原理是将液体放入设备内部可旋转的滚筒中，当滚筒开始旋转时，产生的离心力会使样品管内的成分根据密度不同而分为数层。对血液离心时，较重的红细胞沉在试管底部，血清在上层，而像导致疟疾的寄生虫则分布在中间。

 

 

Prakash 的研究方向是为贫穷地区提供低成本科学工具。在乌干达的一次实地研究中，他发现当地一家诊所把昂贵的离心机用作门挡，因为当地根本没有电。Prakash 便萌发了制作一种新型离心机的想法。

 

在此之前，科研人员也曾尝试制造各种廉价的人力驱动离心机。2008年，哈佛大学 George Whiteside 实验室用打蛋器旋转生物药品，转速达到1200转／分钟。2011年，莱斯大学 Rebecca-RechardsKortum 实验室用沙拉搅拌器实现了600转／分钟的离心速度。

 

受到转扣子游戏的启发，Prakash 开始跟实验室的一位名叫 Saad Bhamla 的博士后（该论文第一作者）一起讨论设计思路，即如何把人力转化为旋转力。经过数周的摸索，他们把目光放在了一种早在工业时代之前就已经出现的一种游戏上：转扣子。

 

“有天晚上，我在玩转扣子。出于好奇，我用高速相机记录扣子转动的情形来看看它到底能转多快。我无法相信自己的眼睛，”Bhamla 在发现扣子的转动速度高达每分钟10000到15000转后说道。

 

紧接着，他花了两周的时间来设计第一个“纸片离心机”原型。Bhamla 把装有血液的毛细吸管附着在纸盘上，成功实现了分层。这是典型的结果验证，但在进行下一步设计之前，他和 Prakash 决定先弄明白这个简单的小玩意是如何创造奇迹的。

 

创造奇迹的纸片

 

Bhamla 从麻省理工大学和斯坦福大学招募了三名工程研究生，建立了转扣子数学模型。他们团队利用计算机模拟来获取一些设计参数，比如纸盘尺寸、绳子弹性以及拉伸力等。他们还借用超螺旋 DNA 的物理方程来解释人工拉伸力如何从缠绕的绳子上转移并转动纸盘。他们发现，超螺旋是这个玩具的秘密。当绳子缠绕到一定程度时，它开始在上方形成另一个螺旋。这种超螺旋结构存储更多的能量，并最终加速纸片，达到更快的转动速度。

 

“这个小装置的背后暗藏奇妙的数学。”Prakash 说道。在工程师完成验证装置模型和原型的表现后，他们最终做出了转速达到125000转／分钟的“纸片离心机”，远远优于原型装置的表现。相比之下，StatSpin 公司的 MP 离心机的最大转速是158000转／分钟，两分钟可实现血清分离。

 

“从技术角度上看，我们的设计不亚于价值1000到5000美元的离心机。”Prakash 说。

 

 

与此同时，他们还提高了装置的安全性，并开始着手测试能现场检测寄生虫的离心机。实验表明，“纸片离心机”可以在15分钟内分离血液红细胞与导致疟疾的寄生虫。Bhamla 和 Prakash 不久前刚结束马达加斯加的实地实验，目前正与 PIVOT 、Institut Pasteur 及马达加斯加公共卫生人员合作，让用于疟疾检测的“纸片离心机”经受实战检验。

 

廉价，但意义非凡

 

 “纸片离心机”是 Praskash 实验室基于廉价科学哲学的第三项发明。廉价科学哲学指导工程师重新思考传统的医学工具，降低成本，把技术能力带到贫穷地区的医疗人员手中。

 

 

Praskash 的梦想是把这些拥有实验室能力的工具放入背包中，服务于世界上许多遥远落后地区。达拉斯德克萨斯大学纳米科技研究所所长 Ray Baughman 说：“极具创造力的人善于观察生活，并从中汲取灵感。这是个绝佳的例子 。这项技术的应用将给资源匮乏地区的人们带来福音。”

 

“廉价科学是科学工具的民主化运动，应当为全人类共享，”Prakash 说。

 

原文链接：

https://techxplore.com/news/2017-01-whirligig-toy-bioengineers-cent-hand-powered.html

 

---

 

论文基本信息

 

【题目】Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge

【作者】M. Saad Bhamla, Brandon Benson, Chew Chai, Georgios Katsikis, Aanchal Johri & Manu Prakash

【刊期】Nature Biomedical Engineering, 1, 0009(2017)

【日期】10 Jan 2017

【DOI】10.1038/s41551-016-0009

【摘要】In a global-health context, commercial centrifuges are expensive, bulky and electricity-powered, and thus constitute a critical bottleneck in the development of decentralized, battery-free point-of-care diagnostic devices. Here, we report an ultralow-cost (20 cents), lightweight (2 g), human-powered paper centrifuge (which we name ‘paperfuge’) designed on the basis of a theoretical model inspired by the fundamental mechanics of an ancient whirligig (or buzzer toy; 3,300 BC). The paperfuge achieves speeds of 125,000 r.p.m. (and equivalent centrifugal forces of 30,000 g), with theoretical limits predicting 1,000,000 r.p.m. We demonstrate that the paperfuge can separate pure plasma from whole blood in less than 1.5 min, and isolate malaria parasites in 15 min. We also show that paperfuge-like centrifugal microfluidic devices can be made of polydimethylsiloxane, plastic and 3D-printed polymeric materials. Ultracheap, power-free centrifuges should open up opportunities for point-of-care diagnostics in resource-poor settings and for applications in science education and field ecology.

【原文链接】http://www.nature.com/articles/s41551-016-0009