驚動整個醫療界的Paperfuge（紙質離心機）,材料就值20美分

紙和細線，我們生活中常用的東西，誰又能想到將二者結合在一起會是個不小的發明呢？越是普通的東西越是容易被忽略。而有人將溜溜球的力學原理和紙，細線這樣普通的材料相結合設計出 Paperfuge（紙質離心機），在診斷瘧疾和艾滋病等感染病上異常高效，以至於驚動了整個醫療界。Paperfuge 真有如此神奇嗎？

Paperfuge

驚動整個醫療界的 Paperfuge

一個由紙和細繩組裝的小玩意兒，看起來一點兒都不起眼。說也簡單，材料也就值 20 美分，甚至在任何藝術用品商店都可以買到。但就是這個不起眼的小玩意兒卻是個不小的發明，斯坦福生物工程師 Manu Prakash 給它取了個名字，叫 Paperfuge。

Paperfuge操作演示

Paperfuge 是一個手動離心機，由紙，繩子和塑料製成。它可以使生物樣品圈以每分鐘 125000 轉的速度旋轉，意味著在 90 秒內就可以從血液樣品中分離血漿（一種標準診斷程序）。

血液成分分析

Paperfuge 究竟有多厲害呢？你可以把它和 StatSpin MP 離心機做個比較。世界各地的診斷和研究實驗室都在使用StatSpin MP這種商業離心機，最高轉速不過每分鐘 15800 轉，耗時長達 120 秒才能完成血漿的分離。我們再看一下兩者其他的參數比較：StatSpin 重約 5.5 磅，耗電，生產出來需要耗費數以千計美元；Paperfuge 重約 2 克，造價也不過前者的四分之一。

醫用離心機是一種利用離心力來加速分離血液或其他材料的設備，造價幾千到上百萬不等，需要電力使其運轉，而且核心部件一旦損壞，維修費也較高。與實驗室的離心機大有不同，Paperfuge 易攜帶，造價低，不需要電力，複雜的機械設備及昂貴的替換部件。

設計初衷

2013 年某天，他正在托羅羅（Tororo，位於烏干達)的一家醫療中心做訪問。那時，他注意到離心機被充當了防止門撞牆的門吸之用。然後，他花費數周遍訪了烏干達的偏遠診所，切實地去了解醫生和護理技師對醫療設備的需求。在烏干達訪問期間，他看到許多失修的的醫療設備被作他用。醫療設備造價不菲，維修也很費錢，而且偏遠地區的人們用電都成問題，這促使他決心要設計出便造價低，不耗電，而且又高效的離心機。

極簡科學的哲學思想

Prakash 在紙質應用創新界是位舉重若輕的人物。2012 年，他設計出了可摺疊式顯微鏡 Foldscope，一種可摺疊的紙質顯微鏡，其靈感來自於摺紙藝術(origami)。

Foldscope

Foldscope 的造價還不到一美元，功能可是一點都不弱，用它可以看到微生物。Foldscope 反映了 Prakash 極簡科學的哲學思想，用科學方法設計出輕易獲得又功能強大的設備，而 Paperfuge 延續了其極簡科學的哲學思想。

通過Foldscope看到的細菌

2013 年從烏干達回來後，Prakash便在實驗室裡帶領他的團隊設計一種手動離心機。在他之前，也有團隊這麼想過，但結果不是很好。2008 年，哈佛大學 George Whitesides 實驗室的研究人員用雞蛋攪拌器（egg beater）做出了一個離心機，它可以使生物樣本以每分鐘 1200 轉的速度旋轉。

egg beater

2011 年，萊斯大學（Rice University） Rebecca-Richards Kortum 實驗室的研究人員用 OXO 沙拉攪拌機做出了一個離心機，它可以使生物樣本以每分鐘 600 轉的速度旋轉。

OXO沙拉攪拌機

提到的這兩個離心機尺寸太大，又重，而且還貴，功能也比不上 Paperfuge。Prakash 曾說過一句話，大意是：對於我們來說，我們不只是要做出來，我們要做到最好。

真正意義上的突破

Prakash 的團隊一開始便找與旋轉有關的的玩具，最開始用溜溜球做實驗。玩溜溜球的時候，將它扔出去很容易，但將溜溜球扔出後如何使它一直轉動而又不回到手中卻是個難題。經過一年多的實驗後，Praskash 的團隊始終未能打破實驗室里的最高紀錄-每分鐘 4000 轉。而更令人想不到的是，這個記錄是由實驗室里的一位訪問研究者所保持，這位研究者同時也是一個馬戲團表演者和玩溜溜球的高手。難道實驗就止步於此了嗎？

Manu Prakash

2016 年年初，實驗終於有了突破。經過無數次失敗後，Prakash實驗室里一位叫 Saad Bhamla 的博士後便開始研究另一種和旋轉有關的玩具。Saad Bhamla 的童年是在印度度過的，那時候他玩過一種叫 whirligig 的玩具，其設計可追溯到幾千年前。這種玩具的構造及操作非常簡單：用細線穿過紐扣或光碟，手持細繩兩端開始拉。細線開始纏繞，然後解繞；紐扣或光碟便會不斷轉動，停止，然後反方向轉動。一天晚上，Bhamla 決定親自做一個這樣的玩具，操作的時候對準高速攝像機。在他分析錄像後，他驚喜地發現轉速大概在每分鐘 10000 轉和每分鐘 15000 轉的範圍內，而這正是 Prakash 團隊一直苦苦追尋的結果。

Whirligig的演變

Bhamla 並沒有被眼前的驚喜所迷惑住，Bhamla 開始疑問：是否有人針對其力學原理已建立模型？最終，他只找到了一例：一篇名為 《The Buzzer--A Novel Physical Perspective on a Classical Toy 》 的論文，於2010年5月被刊登在歐洲物理學期刊（European Journal of Physics）上，後來被轉載在美國教育資源信息中心（ERIC - Education Resources Information Center）的網站上。據Prakash透露：該論文寫得不錯，卻沒有考慮到玩具最基本的限制性，而且遠達不到實驗要求。

Saad Bhamla

研究成果

Prakash團隊里的Bhamla認為：如果了解Whirlligig的力學原理的話，旋轉速度還可以提高。於是 Prakash 的團隊花費數月來研究力學原理並將其實驗成果轉化成一種理論模型，其細節被刊登在《自然》期刊上的生物工程學專欄里。

Prakash 的團隊開始使用建立的理論模型來模擬 Whirligigs 的一系列轉動： 他們調整了琴弦的長度和光碟的半徑，並嘗試了各種材料，如輕木，亞克力等。 最後，Prakash 團隊決定使用當初 Prakash 用來設計的 Foldscopes 的材質。據 Prakash 透露：正如許多國家的紙質貨幣一樣，這次選用的是合成紙材料。紙的正面和背面都覆有聚合物膜，使它具有防水性能，而且韌性也很強。

細線在不同時刻形成的螺旋（c）

研究發現：在拉動細線過程中，細線不斷形成螺旋狀，而這正是驅動力的關鍵。當細線螺旋超過一個限定值時，細線會在原來的基礎上再形成一個螺旋。細線在形成螺旋過程中不斷積聚能量，積聚的能量越多，紐扣或光碟就會轉得越快。因此，Prakash團隊將此現象稱為超螺旋。

思考區

Prakash 和 Bhamla 已與馬達加斯加島上的一些醫護人員展開合作，準備測試Paperfuge 在諸如瘧疾，艾滋病等感染病診斷分析領域的高效性和可靠性。對於一些偏遠落後，感染病肆虐的地區，Paperfuge 的發明有望解決現實中缺錢，缺電，缺人的難題。如果你有什麼好點子或靈光一現，及時記錄下來，沒準它將造福全人類。

微信掃一掃