乐高积木制成的显微镜：低成本高分辨率，探索生物物理原理的新工具

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显微镜是许多科学领域的重要工具，但由于成本和脆弱性，它们的使用仅限于课堂环境，并且在家庭中几乎不存在。今天，极客君推出了一款由乐高积木和低成本且易于使用的镜头制成的显微镜。获得的放大倍率和分辨率足以观察微米级物体，并且可以帮助探索各种生物物理原理。

这种显微镜是由德国哥廷根大学生物物理学家 Timo Betz 教授发明的，他的名字经常出现在广泛引用的研究论文中，例如“神经突分支收缩是由阈值相关的机械冲击引起的”和“外力控制有丝分裂纺锤体定位” ”。这次他用乐高制作了一台显微镜，显然不是为了自己，而是为了所有普通人。

为什么要用乐高积木搭建显微镜？

贝茨的项目是哥廷根大学和明斯特大学研究人员之间的合作项目，旨在用一些儿童塑料积木和手机零件制作高分辨率显微镜。在搭建过程中，儿童和成人都可以增强对显微镜工作原理的理解。一项针对 9 至 13 岁学生的研究表明，使用乐高显微镜后，他们对显微镜的理解显着增加。

据贝茨向媒体介绍，如果你有零件并且擅长搭建乐高，30分钟就可以完成。如果您是新手，一个小时是合理的。有一些困难的部分需要调整焦点，在这个质量系统中，需要将镜头移动到头发直径的一小部分。用乐高积木很难做到，但蜗杆传动可以做到。但建造需要足够的耐心。

但贝茨相信儿童可以比成人做得更好。 “我和儿子周末基本上坐在一起玩乐高，”贝茨继续说道，“我同意给学校的孩子们讲授我在实验室的工作——生物物理学，重点是细胞力学。所以我问他认为对于他这个年纪的孩子来说什么是有趣的。他告诉我，他喜欢实验室里的显微镜，突然有了用乐高积木搭建一台显微镜的想法。我的第一反应是太难了。 “但他想出了很多关于如何克服困难的好主意。”

乐高显微镜的观察效果出奇的好

显微镜中唯一不是用乐高积木制成的部分是光学器件，它使用目前智能手机中的镜头，每个镜头的成本仅为几美元。

“我拆开了相机模块来取出镜头，我被震撼了，”贝茨说。 “我能够看到固定细胞中的细节，而这些细节只有在实验室的高端显微镜下才能看到。而这只是 4 欧元（4.70 美元）的镜头。”

上图是用乐高显微镜进行的实验示例，a 是氯化钠晶体的图像。 b是红洋葱细胞穿透的延时图，可以看到细胞膜与细胞壁分离。 c是卤虫在水中移动所用的时间。 d是2只水蚤在水中运动所用的时间。

这种高质量的原因是智能手机镜头需要有一个平面模块，这会导致相当高的数值孔径（所使用的镜头约为 0.5），这反过来又决定了分辨率。此外，该镜头已经补偿了球差和色差，这正是贝茨和他的团队所需要的。

如前所述，贝茨并没有保留显微镜供自己使用。相反，制造说明直接以英语、德语、荷兰语和西班牙语开源提供。描述这项工作的论文最近也发表在《生物物理学家 2021》杂志上。

极客先生有话要说

家里有条件的朋友也可以带领孩子尝试一下。搭建乐高显微镜可以让他们接触科学，通过娱乐了解世界，包括肉眼看不见的部分。这也将有助于提高解决问题的能力和创造力。你有信心完成这个级别的DIY吗？