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只花三美分 手机瞬间变显微镜

美国休斯敦大学的研究人员创造了一个可以安置在并不昂贵的智能手机里的光学透镜,将图片放大120倍,更重要的是这样的镜头只需要花费3美金。

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休斯敦大学电子和计算机工程副教授施魏传(Wei-Chuan Shih)表示这些透镜可以像真正的显微镜一样工作,且它的使用成本和简易性——它可以直接依附在智能手机镜头上而无需使用任何额外的设备——使得它可供课堂里的学生所用。此外,它还有临床应用,它可以促使小型或者偏僻的诊所与位于其它各地的专家分享图片。

在发表在生物光学期刊上的文章里,施和三名研究生描述了他们是如何创造这样透镜并调查了产生的图像质量。博士研究生宋玉龙(Yu-Lung Sung)是本文的第一作者,参与这项研究的其它作者包括江珍( Jenn Jeang)(他将于今年秋天进入弗吉尼亚州利伯缇大学研究生院)和李奇熊(Chia-Hsiung Lee)(休斯顿大学前研究生,目前在台湾科技行业工作)。


这款镜头是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成,后者是一种蜂窝状结构的聚合物,将这种材料精确地落在预热表面上就产生了这种透镜。宋解释称,镜头的曲率(即放大级数)取决于PDMS被加热的温度和时间。由此得到的镜片很灵活柔软,类似于柔软的隐形眼镜,但是更厚、体积更小。


研究人员表示:“我们创造的这款镜头不需要任何辅助附件或者机制即可将智能手机的相机变成显微镜,PDMS 和玻璃材质之间这种强劲但非永久性的吸附力使得镜头使用后十分容易分离。目前120 级的光学放大可以达到1微米的成像分辨率。”


常规透镜采用的都是机械抛光或例如玻璃或塑料等材料注射成型。液体透镜也已经存在,但需要特别的装置来保证其稳定性。其它类型的液体镜片则需要额外设备将其连接到手机上。


宋表示他们的镜头可以直接与手机相机镜头相连并且是可重复使用的。在这项研究里,研究人员分别用智能手机-PDMS 系统和奥林巴斯IX-70 显微镜拍摄了人类皮肤毛囊组织的图像。智能手机镜头120 级放大倍数的表现与奥林巴斯IX-70 显微镜100级放大倍数的表现相当,而且基于软件的数字放大可以进一步加强图像。


施的研究主要位于电子和计算机工程学院,但他也隶属于生物医学工程系和化学系。他带领的跨学科小组主要从事纳米生物成像和纳米流体学,研究成像和传感方面的发现,包括提高医疗诊断和环境安全。宋表示有一次他在使用PDMS 搭建微流控设备时,意外发现这一材料在与受热面接触后弯曲。 出于好奇,他决定试着制造一个镜头。


“我将制造出来的镜头连在手机上,发现用起来完全没问题。”当时宋使用的手机是诺基亚Lumia 520,这促使他总结称产生的显微镜源于“一部价值20 美元的手机和1 美分的镜头” 。这1美分涵盖了镜头的材料成本,宋和施估计大规模生产镜头的成本可能会达到3 美分。相比之下,传统科研级别的显微镜虽然功能强大,但也更昂贵,大约要花费1 万美元。


针对这一镜头的应用,施首先想到的是教育领域——对于低年级学生来说,这种显微镜即廉价又方便,十分适合在野外调查和室内研究。由于这款镜头可以依附在智能手机上,因此通过邮件或者短信分享图片非常简单。此外,由于镜头成本非常低廉,因此即使丢失或者损坏了也不会产生任何影响。“现在几乎人手一部智能手机,相对那些学生只使用一次或者两次、价格为30美元或50 美元的手机附件,这款镜头是个不错的替代品。”


目前为止,显微镜片都是由研究人员使用一种功能类似于喷墨打印机的设备纯手工生产的。但如果想将其投入大规模生产,还需要更多资金。研究生们已经在Indiegogo 上发起了众筹,希望能筹得12000 美元的设备启动资金(目筹资金额已达到3000 美元)。虽然很艰难,但施已经将这款镜头分享和展示给台湾教育部和休斯顿大学数学和科学教师预备项目teachHOUSTON,“我认为这将非常有趣,我们可以邀请科学教师来了解我们的项目。”


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