「玩具」登上 Nature 子刊：紙片離心機，只要一塊錢！

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受到轉扣子遊戲的啟發，兩位斯坦福大學的生物工程師們製作了成本極低的簡易離心機，其轉速能達到每分鐘125000轉，這種巧妙的設計對條件簡陋的偏遠地區有著非凡的意義。

翻譯 龔聰

視頻字幕 吳非

轉扣子是許多人小時候都玩過的遊戲：將一根細繩穿過扣子的兩個孔，在扣子一側將繩子兩端打結，把扣子放在兩股繩子中間，抓住繩子兩端，轉動扣子讓兩股繩纏繞在一起，然後有節奏地拉扯繩子，扣子就快速轉動起來。

受到轉扣子遊戲的啟發，兩位斯坦福大學的生物工程師們製作了成本極低的人工離心機。這種人工離心機僅由紙片、繩子、塑料組成，一美元就能做五個，在一分半鐘的時間內將血液根據成分離心分層。這種「紙片離心機」的轉速能達到每分鐘125000轉（30000g）。「就我所知，這是人力能產生的最快轉速了。」斯坦福大學的助理教授 Manu Prakash 說。

要檢測如瘧疾、非洲昏睡病、艾滋病和肺結核等疾病，離心機是少不了的。這種低成本的「紙片離心機」可用於服務疾病多發的偏遠貧窮地區，為人們提供準確的檢測。

2017年1月10號，該設備的物理研究和測試結果發表於《自然-生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）。

最方便的「儀器」

疾病診斷中，離心機用來分離血液中不同的成分，讓病原體檢測更加容易。普通離心機的工作原理是將液體放入設備內部可旋轉的滾筒中，當滾筒開始旋轉時，產生的離心力會使樣品管內的成分根據密度不同而分為數層。對血液離心時，較重的紅細胞沉在試管底部，血清在上層，而像導致瘧疾的寄生蟲則分布在中間。

Prakash 的研究方向是為貧窮地區提供低成本科學工具。在烏干達的一次實地研究中，他發現當地一家診所把昂貴的離心機用作門擋，因為當地根本沒有電。Prakash 便萌發了製作一種新型離心機的想法。

在此之前，科研人員也曾嘗試製造各種廉價的人力驅動離心機。2008年，哈佛大學 George Whiteside 實驗室用打蛋器旋轉生物藥品，轉速達到1200轉／分鐘。2011年，萊斯大學 Rebecca-RechardsKortum 實驗室用沙拉攪拌器實現了600轉／分鐘的離心速度。

受到轉扣子遊戲的啟發，Prakash 開始跟實驗室的一位名叫 Saad Bhamla 的博士後（該論文第一作者）一起討論設計思路，即如何把人力轉化為旋轉力。經過數周的摸索，他們把目光放在了一種早在工業時代之前就已經出現的一種遊戲上：轉扣子。

「有天晚上，我在玩轉扣子。出於好奇，我用高速相機記錄扣子轉動的情形來看看它到底能轉多快。我無法相信自己的眼睛，」Bhamla 在發現扣子的轉動速度高達每分鐘10000到15000轉後說道。

緊接著，他花了兩周的時間來設計第一個「紙片離心機」原型。Bhamla 把裝有血液的毛細吸管附著在紙盤上，成功實現了分層。這是典型的結果驗證，但在進行下一步設計之前，他和 Prakash 決定先弄明白這個簡單的小玩意是如何創造奇蹟的。

創造奇蹟的紙片

Bhamla 從麻省理工大學和斯坦福大學招募了三名工程研究生，建立了轉扣子數學模型。他們團隊利用計算機模擬來獲取一些設計參數，比如紙盤尺寸、繩子彈性以及拉伸力等。他們還借用超螺旋 DNA 的物理方程來解釋人工拉伸力如何從纏繞的繩子上轉移並轉動紙盤。他們發現，超螺旋是這個玩具的秘密。當繩子纏繞到一定程度時，它開始在上方形成另一個螺旋。這種超螺旋結構存儲更多的能量，並最終加速紙片，達到更快的轉動速度。

「這個小裝置的背後暗藏奇妙的數學。」Prakash 說道。在工程師完成驗證裝置模型和原型的表現後，他們最終做出了轉速達到125000轉／分鐘的「紙片離心機」，遠遠優於原型裝置的表現。相比之下，StatSpin 公司的 MP 離心機的最大轉速是158000轉／分鐘，兩分鐘可實現血清分離。

「從技術角度上看，我們的設計不亞於價值1000到5000美元的離心機。」Prakash 說。

與此同時，他們還提高了裝置的安全性，並開始著手測試能現場檢測寄生蟲的離心機。實驗表明，「紙片離心機」可以在15分鐘內分離血液紅細胞與導致瘧疾的寄生蟲。Bhamla 和 Prakash 不久前剛結束馬達加斯加的實地實驗，目前正與 PIVOT 、Institut Pasteur 及馬達加斯加公共衛生人員合作，讓用於瘧疾檢測的「紙片離心機」經受實戰檢驗。

廉價，但意義非凡

「紙片離心機」是 Praskash 實驗室基於廉價科學哲學的第三項發明。廉價科學哲學指導工程師重新思考傳統的醫學工具，降低成本，把技術能力帶到貧窮地區的醫療人員手中。

Praskash 的夢想是把這些擁有實驗室能力的工具放入背包中，服務於世界上許多遙遠落後地區。達拉斯德克薩斯大學納米科技研究所所長 Ray Baughman 說：「極具創造力的人善於觀察生活，並從中汲取靈感。這是個絕佳的例子 。這項技術的應用將給資源匱乏地區的人們帶來福音。」

「廉價科學是科學工具的民主化運動，應當為全人類共享，」Prakash 說。

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

論文基本信息

【題目】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

【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.