玩樂高還能發表論文？硬核科學家是這樣用樂高做科研的

點擊上方

 狂丸科學

 關注並星標我們

------每天晚上 · 一起看趣味科學------

對於科學家來說，推動科技進步的過程充滿了艱辛，很多研究項目過於枯燥，需要他們連續幾天甚至幾周時間在實驗室里重複進行同一項操作；

而且其中有些實驗的開銷還非常高

。所以，有沒有什麼方案能夠解決這些問題？

對此，一些喜歡思(mō)考 (yú)的科學家們還真就找了一個有趣的解決辦法：為什麼不在做實驗的時候，

玩一會兒樂高呢

？

沒錯，很多科學家已經開始嘗試把樂高玩具當做實驗工具。劍橋大學的一個科研團隊正在進行一項人造骨骼的實驗，

這個製作骨骼的枯燥過程快把他們逼瘋了：整個過程需要將一個物件浸入裝有鈣和蛋白質的燒杯，

然後

取出清洗乾淨，再浸入另外一個裝有磷酸鹽的燒杯，再重複多次。

製作這樣一個樣品可能需要好幾個小時，期間你只能機械地將樣品從一個燒杯移到另外一個燒杯。為了將自己從這片無聊的地獄中解放出來，團隊中的機械工程博士Daniel Strange（你也是奇異博士？）決心將這個工序自動化。

對於「奇異博士」來說，想要實現自動化有連個選擇，一是到市面上購買昂貴的儀器。

或者乾脆自己去買樂高做2個機器人。

因為製作樣品的工序就是簡單的「

放下樣品-等待-提起樣品-旋轉

」，所以製作兩個樂高機器人來取代這種無聊的重複勞動，對於工程博士來說完全就是小菜一碟。

不過，「奇異博士」用到的樂高可不是我們平時接觸到的那種款式，這2個自動化機器人採用的是Lego Mindstorms「樂高機器人」平台。該平台集合了可編程主機、電動馬達、感測器、Lego Technic的部分（齒輪、輪軸、橫樑、插銷）。

基於NXT平台的樂高機器人

根據「奇異博士」的說法，他使用套件附帶的NXT-G圖形語言來編程他的機器人，讓它們實現了自動化。

只需要下達一個簡單的指令，它們就能非常精確地反覆執行這些操作，這時候研究人員可以把多出來的時間用於其他更有價值的工作上。

至於熬夜加班製作實驗樣品什麼的，還是讓這些不知疲倦的樂高機器人去做吧。

樂高除了能夠幫助研究人員「加班」，還能用來

替代一些昂貴的實驗器材

。我們知道樂高的價格並不低，但是相比於昂貴的實驗儀器，樂高的價格可以說能讓科研人員們偷著樂了。

麻省理工學院的科學家們在省錢這個方面就頗有心得——

他們用樂高建立了一個微流體實驗室

。目前這個樂高實驗室的設計已經獲得了美國國家科學基金會的研究獎學金。

對於微流體領域的科學家來說，精確就是一切，所以他們會使用一種叫做LOC（Lab-on-a-chip）的設備來對流體分類、混合、泵送。但是這種微流體設備的原型設計十分困難，不僅耗時耗力，還很貴。

LOC，來源：橡樹嶺國家實驗室

為了能夠更有效率和低成本的實現微流體的控制，麻省理工的科學家們決定

用樂高將這個平台模塊化

：將單個操作分配給單個模塊，這樣一來就可以根據需要來組合出想要的實驗室平台了。

樂高積木是可用於構建模塊化系統的最均勻的材料

，

在每百萬件的樂高零件中，不良品率非常低

。麻省理工學院機械工程副教授AnastasiosJohn Hart說，樂高積木的長度和典型的微流體晶元一樣長，是實現模塊化設計的完美模板。

研究人員首先使用了一種被稱為「

微銑削

」的技術，在樂高積木上刻出了約500微米寬的通道——大概相當於你4、5根頭髮並列的寬度。

然後，他們用一種透明薄膜將刻出來的通道密封起來。

最後，將製作好的積木組裝成一個流體實驗室。當液體成功的流過通道的時候，就說明樂高作為微流體模塊是可行的。

為了滿足不同的功能需要，他們用同樣的技術又製作了T型通道和Y型通道的模塊。這樣一來無論是分流還是混合都能通過組裝模塊來實現了。

但還有一個最大的問題：雖然樂高積木被設計成能緊密扣接在一起，但仍然會在

介面處產生微小的縫隙

——尺寸在100-500微米之間。這樣一來液體很可能會漏出來。

不過研究團隊也找到了解決方法。他們將每個積木的入口或出口位置刻成圓形，再將一個O型環安裝進去，這樣一來兩個積木拼在一起的時候

O型環就會被壓縮形成密閉的空間

。漏水的問題就解決了。

除了麻省理工的科學家外，愛荷華大學的樂高愛好者們也開發了一種利用樂高做實驗的方法，不過他們的用法比較接地氣——

用樂高來種菜

。

對於植物學家和農學家來說，了解土壤對植物根系的影響，能有助於提高作物的產量。

但是

植物的生長是一個變化跨度很大的過程

，科學家們也許需要建立100個不同受控環境下的樣本，每個樣本還要給植物留下足夠的生長空間，因此實驗工具是最大的問題所在。

來源：flickr

為了解決這個問題，愛荷華大學選擇了一款透明的樂高組件來作為實驗工具。這款透明的樂高由聚碳酸酯製成，可以進行消毒處理，具有一定的化學惰性，因此不易與周圍的材料發生反應，所以非常適合用於生物工作。

它們可以被組裝不同尺寸的植物容器，用於滿足不同的實驗需要，然後往裡面放入凝膠或其他的土壤替代品，就成了一個可以用於觀測的實驗儀器了。

這種模塊化的結構可以幫助研究人員構築不同的環境變數，當實驗結束的時候，科學家還可以將它們進行拆分消毒，然後用到下一次的實驗中去。研究團隊表示，他們的樂高成本為每個3.1美元，已經使用兩年了。

這算不算高端花盆？

除了這種專業正規的團隊實驗，還有一些獨立的個人實驗也用到了樂高。

Donald Pettit曾擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家，現在是一名NASA宇航員，他在2012年的時候完成了一項史無前例的壯舉——

在國際空間站上摸魚玩樂高

，然後用樂高做了一個實驗，最後還寫了一篇論文發表在學術期刊上。

這就是班上跟我一樣喜歡玩，還能考試拿第一的同學嗎？

Pettit在空間站上每天要工作14個小時，在其他的時間裡，他喜歡做自己的事情，比如說自己設計一些小實驗。他這麼做並沒有什麼特別的原因，就是因為他有時間，而且剛好在太空里。

Pettit用憤怒的小鳥氣球演示微重力

這一次，他拿出了官方的NASA空間站版樂高積木。

想要！

然後把官方的使用指南扔到了一邊，自己做了一個

范德格拉夫起電機

。

樂高說明書是什麼，能吃嗎？

這是一種用來產生靜電高壓的裝置，由美國物理學家羅伯特·范德格拉夫發明，典型的內部結構長這樣：

Pettit的這個樂高版范德格拉夫起電機能夠產生80毫米的火花，他決定用這個玩具來做一個電荷對水滴的影響實驗。

這個實驗通過將去離子化的水放在起電機的電荷收集裝置上，然後觀察水滴變成錐形。這一現象最早被英國物理學家傑弗里·泰勒爵士在理論上描述，所以也被稱為「

泰勒錐

」。

水滴的形狀一開始由表面張力所影響，當電壓增加後，液體中的同性電荷會在表面聚集，這種電場施加的影響會讓半圓形的液體變成錐形。當電壓增加到一個閾值的時候，錐體的尖端還會射出一道細流，

這種原理也被用於噴墨印表機

。

不過由於重力的關係，

Pettit用樂高起電機製作的泰勒錐

比地球上大了100倍。

泰勒錐的大小（a)地球環境(b)國際空間站 (c)微重力環境

本來這個摸魚的實驗應該就這麼結束了，但是新澤西大學的化學工程教授Boris Khusid對他的這個實驗很感興趣。因為他也一直在從事類似的工作，但是Boris Khusid沒有條件到太空去做實驗，而Pettit有沒有時間在地球上做實驗。所以他倆一拍即合，將兩個人的實驗數據結合在一起發表了一篇論文。

就這樣NASA宇航員摸魚玩樂高，居然還寫文章發了期刊，所以......

我們玩的真是同一個東西嗎

？

最後大家可以

點擊放大圖片

、

長按二維碼

加我一下，平時便於諮詢和交流：

參考資料：

http://mentalfloss.com/article/528684/mit-scientists-are-building-biomedical-research-labs-out-lego-blocks

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/lc/c7lc00951h#!divAbstract

https://newatlas.com/lego-mindstorms-bone-making-robots/21844/

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0100867

https://science.slashdot.org/story/01/10/11/1815227/lego-mindstorms-in-space

https://en.wikipedia.org/wiki/Lego_Mindstorms

http://physicsbuzz.physicscentral.com/2015/02/controlling-water-drops-on-space.html

你也想用玩具探索科學？

試試這套

科技積木入門首選

▼▼▼

推薦閱讀 

可樂最初竟然是深綠色的？

這有10個關於狗的有趣常識

豬年如何像佩奇一樣瘦？

好消息，2262年可以過兩個春節！

玻璃球里的花紋是怎麼弄進去的？

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 狂丸科學 的精彩文章: