发布日期：2022-05-31
水木视界iss.4丨德国科学家使用乐高积木制作高分辨率显微镜
水木视界iss.4丨德国科学家使用乐高积木制作高分辨率显微镜
发布日期：2022-05-31 12:21
来自德国的科学家，教师和学童设计并使用乐高积木和iPhone手机镜头制作了功能齐全的模块化显微镜。该仪器易于构建，且可以解析微米大小的物体，如单个活细胞。
来自哥廷根大学&明斯特大学的生物物理学家Timo Betz和他10岁的儿子在某个周末玩乐高积木时产生了制作乐高显微镜的想法: 使用这些老少皆宜的模块化塑料积木。
"我的第一反应是，这太难了，因为需要精确的机芯和一些非乐高部件，"Betz回忆道。"但是我的儿子想出了一系列关于如何克服这些困难的好主意。他甚至想出了一种方法，使用乐高光源来照亮样品。"
少年作者
到周末结束时，这对父子二人组已经制造了一个原型。然而，即使在贝茨的同事巴特·沃斯（Bart Vos）的帮助下，也花了一年多的时间对设计进行微调，编写施工计划并验证仪器的实用性。现在，这三人已经在The Biophysicist上发表一篇论文中详细描述了乐高显微镜(当然，贝茨的儿子是共同作者)。
最终的设计类似于一个简单的乐高积木塔，但它隐藏了一些精巧的功能（见图）。例如，为了提供精确的焦点调整，团队在设计物镜支架时必须"突破砖砌系统的极限"。这包含一个带有齿轮蜗杆螺钉的齿轮齿条，每次完全旋转可实现约3 mm的变焦。
乐高显微镜的设计
（a, b）显微镜的照片和示意图，
(c) 从下方照亮样品的LED，
(d) 通过移动物镜调整显微镜焦点的螺纹系统，
(e) 2个物镜，其中包含一个焦距为3.85 mm的替代智能手机镜头(左)和一个焦距为26.5 mm的玻璃透镜(右)，
(f) 第二个镜头由 2 个亚克力镜头组成，位于目镜正下方的支架中，
(g) 通过调整目镜用作相机的智能手机。
唯一的非乐高部件是显微镜的透镜。为了获得高放大倍率，透镜可以从低成本的iPhone5二手机中拆解而得，并将透镜连接到带有透明胶带和玻片的乐高积木上。通过使用这些iPhone镜头，显微镜可以达到254x的放大倍率。
数字 4 旁边的条纹长度为 27.6 μm。
分步搭建指南
然而，对于乐高显微镜的创作者来说，最重要的是这些显微镜能够在世界各地的教室和家庭中建造和使用，以学习光学知识。为了进一步实现这一目标，他们创建了构建说明和分步教程，以指导人们完成搭建并了解显微镜的相关光学特性。此外，他们还从当地的学校招募了八名9-13岁的孩子，他们的任务是进行显微镜制作尝试，并展示这种动手活动如何帮助学习。
鉴于COVID-19的限制，研究人员无法看到孩子们在课堂上参与显微镜活动。因此，他们创建了一个工具包，孩子们可以带回家，旁边是一份调查问卷，以便在玩工具包之前和之后填写。调查显示，孩子们对显微镜的认知在参与制作乐高显微镜后几乎翻了一倍。
乐在其中的实践
这些孩子还用他们新建的显微镜进行了几次实验。科学家们认为这些是有趣和信息丰富的活动。实验包括: (a) 实时观察水从盐溶液薄膜中蒸发时的结晶; (b)记录暴露于渗透性休克的红洋葱表皮细胞的色素沉着变化; (c, d)观察微小的游泳生物的运动，如卤虫虾和水蚤。
(a) 氯化钠晶体的图像。
(b) 红洋葱细胞中渗透性休克的时间推移。大约30秒后，1M的氯化钠溶液被流进。随后，水离开细胞，导致细胞膜与细胞壁分离。大约5分钟后，蒸馏水流入，洗去1M氯化钠溶液，细胞恢复到原来的体积。
(c) 卤虫虾随时间推移的水中运动。
(d) 2个水蚤随时间推移的水中运动。
这并不是第一次用乐高制造显微镜。2013年，加州大学旧金山分校的一群研究生设计了一种名为LegoScope的类似显微镜。然而，LegoScope需要一个定制的物镜和3D打印的零件。
Betz认为，对于父母来说，新的乐高显微镜用现成且可重复使用的零件降低了组装障碍，非常适合进行简单的显微镜原理展示。
"开发这个实际上很有趣，"Betz说。"我只是希望孩子和他们的父母有机会意识到，即使使用简单的工具，也可以做一些了不起的事情。
支持性内容
相关The Biophysicist文章:
"Designing a High-Resolution, LEGO based Microscope for an Educational Setting"
安东尼·范·列文虎克在17世纪发明了显微镜，这是微观世界研究时代的开始。虽然我们现在已经知道他观察到的"小动物"是什么，但微观和纳米世界是生物物理研究的一个取之不尽、用之不竭的话题，而光学显微镜是首选的工具。
我们设计了许多实验，可以使用这款乐高显微镜和易于接近的材料进行，同时探索各种生物物理主题。最后，我们证明了这款乐高显微镜可以在教育环境中使用，让一组9至13岁的学生制作显微镜，并通过问卷展示他们在理解显微镜方面的进展。为了简化乐高显微镜的使用，我们为学校环境或帮助父母和孩子以自主方式发现生物物理学和显微镜设计了一个循序渐进的工作流程。所有材料，包括零件清单、建筑平面图、工作流程和项目建议，都可以在补充材料和GitHub上找到。
乐高显微镜的完整搭建指南请见此Github链接
转载自physicsworld:
"High-resolution microscope is made from LEGO bricks"
水木视界丨iss. 4
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