小时候的玩具摇身一变成了离心机，还能分离血清和病毒
来源|创新地标 编辑|化学加
转扣子大家都应该知道吧：将一根细绳穿过扣子的两个孔，在扣子一侧将绳子两端打结，把扣子放在两股绳子中间，抓住绳子两端，转动扣子让两股绳缠绕在一起，然后有节奏地拉扯绳子，扣子就快速转动起来。
受到转扣子游戏的启发，两位斯坦福大学的生物工程师们制作了成本极低的人工离心器。这种人工离心器能在一分半钟的时间内将血液根据成分离心分层。仅仅用纸板、绳子和塑料就能实现。这种“纸板离心器”的转速能达到每分钟125 000转，产生的离心力能达到30 000Gs。“就我所知，这是人力能产生的最快转速了。”斯坦福大学的助理教授Manu Prakash说。
对如疟疾、非洲昏睡病、艾滋病和肺结核等疾病的检测是少不了使用离心器的。这种低成本的“纸板离心器”可用于服务疾病多发的偏远贫穷地区，为人们提供准确的检测。
目前，这种设备的物理研究和测试结果已经发表在1月10号上的《自然生物医学工程》（NatureBiomedical Engineering）上了。
有一个好处：它不用电
疾病诊断中，离心器用来分离血液中不同的成分，让病原体检测更加容易。普通离心器的工作原理是将液体放入设备内部可旋转的滚筒中，当滚筒开始旋转时，产生的离心力会使样品管内的成分根据密度不同而分为数层。对血液离心时，较重的红细胞沉在试管底部，血清在上层，而像导致疟疾的寄生虫则分布在中间。
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(视频字幕 | 吴非)
Prakash的研究方向是为贫穷地区提供低成本科学工具。在乌干达的一次实地研究中，他发现当地一家诊所把昂贵的离心器用作门挡，原因是当地根本没有电来使用它。Prakash便萌发了制作一种新型离心器的想法。
在此之前，有过很多制造廉价、人力驱动的离心器的尝试。2008年，哈佛大学George Whiteside实验室用打蛋器旋转生物药品，转速达到1 200转／分钟。2011年，莱斯大学Rebecca-RechardsKortum实验室用沙拉搅拌器实现了600转／分钟的离心速度。
受到转扣子游戏的启发，Prakash开始跟实验室的一位名叫Saad Bhamla的博士后，论文的第一作者，一起讨论设计思路，即如何把人力转化为旋转力。经过数周的摸索，他们把目光放在了一种早在工业时代之前就已经出现的一种游戏上：转扣子。
“有天晚上，我在玩转扣子。出于好奇，我用高速相机记录扣子转动的情形来看看它到底能转多快。我无法相信自己的眼睛，”Bhamla在发现扣子的转动速度高达每分钟10 000到15 000转后说道。
紧接着，他花了两周的时间来设计第一个“纸板离心器”原型。Bhamla把装有血液的毛细吸管附着在纸盘上，成功地实现了分层。这是典型的结果验证，但在进行下一步设计之前，他和Prakash决定先弄明白转扣子到底是怎么一回事。
新“弦”轮
Bhamla从麻省理工大学和斯坦福大学招募了三名工程研究生，建立了转扣子数学模型。他们团队利用计算机模拟来获取一些设计参数，比如纸盘尺寸、绳子弹性以及拉伸力等。他们还借用超螺旋DNA的物理方程来解释人工拉伸力如何从缠绕的绳子上转移并转动纸盘。他们发现，超螺旋是这个玩具的秘密。当绳子缠绕到一定程度时，它开始在上方形成另一个螺旋。这种超螺旋结构存储更多的能量，并最终加速纸板，达到更快的转动速度。
“奇妙的数学隐藏在这个小装置里面，”Prakash说道。在工程师完成验证装置模型和原型的表现后，他们最终做出了转速达到125000转／分钟的“纸板离心器”，远远优于第一个原型装置的表现。作为对比，StatSpin公司的MP离心机的最大转速是15 8000转／分钟，需要两分钟实现血清分离。
“从技术角度上看，我们的设计不亚于价值1000到5000美元的离心机，“Prakash说。与此同时，他们还提高了装置的安全性，并开始着手测试能现场检测寄生虫的离心器。实验室试验表明，可以在15分钟内分离血液红细胞与导致疟疾的寄生虫。
刚从马达加斯加的田野研究回来的Bhamla和Prakash目前正在跟PIVOT和Institut Pasteur合作进行用于疟疾检测的“纸板离心器”的实地验证。
低价的价值
“纸板离心器”是Praskash实验室基于廉价科学哲学的第三项发明。廉价科学哲学指导工程师重新思考传统的医学工具，降低成本，把技术能力带到贫穷地区的医疗人员手中。
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(视频字幕 | 吴非)
Praskash的梦想是把这些拥有实验室能力的工具放入背包中，服务于世界上许多遥远落后地区。达拉斯德克萨斯大学纳米科技研究所所长Ray Baughman说：“极具创造力的人善于观察生活，并从中汲取灵感。这是个绝佳的例子 。这项技术的应用将给资源匮乏地区的人们带来福音。”
“廉价科学是科学工具的民主化运动，应当为全人类共享。”Prakash说。
这项技术在国外火了一把，能不能引进到国内边远地区呢？
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