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• 发布时间：2020-09-22
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【概要描述】溜溜球，连小孩子都会玩儿的小玩意儿，人们再熟悉不过了。又有多少人会深究其隐藏的力学原理并将其应用在其他方面而带来一场技术革命呢？

溜溜球

纸和细线，我们生活中常用的东西，谁又能想到将二者结合在一起会是个不小的发明呢？越是普通的东西越是容易被忽略。而有人将溜溜球的力学原理和纸，细线这样普通的材料相结合设计出 Paperfuge（纸质离心机），在诊断疟疾和艾滋病等感染病上异常高效，以至于惊动了整个医疗界。Paperfuge 真有如此神奇吗？

Paperfuge

惊动整个医疗界的 Paperfuge

一个由纸和细绳组装的小玩意儿，看起来一点儿都不起眼。说也简单，材料也就值 20 美分，甚至在任何艺术用品商店都可以买到。但就是这个不起眼的小玩意儿却是个不小的发明，斯坦福生物工程师 Manu Prakash 给它取了个名字，叫 Paperfuge。

Paperfuge操作演示

Paperfuge 是一个手动离心机，由纸，绳子和塑料制成。它可以使生物样品圈以每分钟 125000 转的速度旋转，意味着在 90 秒内就可以从血液样品中分离血浆（一种标准诊断程序）。





血液成分分析

Paperfuge 究竟有多厉害呢？你可以把它和 StatSpin MP 离心机做个比较。世界各地的诊断和研究实验室都在使用StatSpin MP这种商业离心机，最高转速不过每分钟 15800 转，耗时长达 120 秒才能完成血浆的分离。我们再看一下两者其他的参数比较：StatSpin 重约 5.5 磅，耗电，生产出来需要耗费数以千计美元；Paperfuge 重约 2 克，造价也不过前者的四分之一。





医用离心机是一种利用离心力来加速分离血液或其他材料的设备，造价几千到上百万不等，需要电力使其运转，而且核心部件一旦损坏，维修费也较高。与实验室的离心机大有不同，Paperfuge 易携带，造价低，不需要电力，复杂的机械设备及昂贵的替换部件。

设计初衷

2013 年某天，他正在托罗罗（Tororo，位于乌干达)的一家医疗中心做访问。那时，他注意到离心机被充当了防止门撞墙的门吸之用。然后，他花费数周遍访了乌干达的偏远诊所，切实地去了解医生和护理技师对医疗设备的需求。在乌干达访问期间，他看到许多失修的的医疗设备被作他用。医疗设备造价不菲，维修也很费钱，而且偏远地区的人们用电都成问题，这促使他决心要设计出便造价低，不耗电，而且又高效的离心机。

极简科学的哲学思想

Prakash 在纸质应用创新界是位举重若轻的人物。2012 年，他设计出了可折叠式显微镜 Foldscope，一种可折叠的纸质显微镜，其灵感来自于折纸艺术(origami)。

Foldscope

Foldscope 的造价还不到一美元，功能可是一点都不弱，用它可以看到微生物。Foldscope 反映了 Prakash 极简科学的哲学思想，用科学方法设计出轻易获得又功能强大的设备，而 Paperfuge 延续了其极简科学的哲学思想。

通过Foldscope看到的细菌

2013 年从乌干达回来后，Prakash便在实验室里带领他的团队设计一种手动离心机。在他之前，也有团队这么想过，但结果不是很好。2008 年，哈佛大学 George Whitesides 实验室的研究人员用鸡蛋搅拌器（egg beater）做出了一个离心机，它可以使生物样本以每分钟 1200 转的速度旋转。

egg beater

2011 年，莱斯大学（Rice University） Rebecca-Richards Kortum 实验室的研究人员用 OXO 沙拉搅拌机做出了一个离心机，它可以使生物样本以每分钟 600 转的速度旋转。

OXO沙拉搅拌机

提到的这两个离心机尺寸太大，又重，而且还贵，功能也比不上 Paperfuge。Prakash 曾说过一句话，大意是：对于我们来说，我们不只是要做出来，我们要做到最好。

真正意义上的突破

Prakash 的团队一开始便找与旋转有关的的玩具，最开始用溜溜球做实验。玩溜溜球的时候，将它扔出去很容易，但将溜溜球扔出后如何使它一直转动而又不回到手中却是个难题。经过一年多的实验后，Praskash 的团队始终未能打破实验室里的最高纪录-每分钟 4000 转。而更令人想不到的是，这个记录是由实验室里的一位访问研究者所保持，这位研究者同时也是一个马戏团表演者和玩溜溜球的高手。难道实验就止步于此了吗？

Manu Prakash

2016 年年初，实验终于有了突破。经过无数次失败后，Prakash实验室里一位叫 Saad Bhamla 的博士后便开始研究另一种和旋转有关的玩具。Saad Bhamla 的童年是在印度度过的，那时候他玩过一种叫 whirligig 的玩具，其设计可追溯到几千年前。这种玩具的构造及操作非常简单：用细线穿过纽扣或光碟，手持细绳两端开始拉。细线开始缠绕，然后解绕；纽扣或光碟便会不断转动，停止，然后反方向转动。一天晚上，Bhamla 决定亲自做一个这样的玩具，操作的时候对准高速摄像机。在他分析录像后，他惊喜地发现转速大概在每分钟 10000 转和每分钟 15000 转的范围内，而这正是 Prakash 团队一直苦苦追寻的结果。

 

Whirligig的演变

Bhamla 并没有被眼前的惊喜所迷惑住，Bhamla 开始疑问：是否有人针对其力学原理已建立模型？最终，他只找到了一例：一篇名为 《The Buzzer--A Novel Physical Perspective on a Classical Toy 》 的论文，于2010年5月被刊登在欧洲物理学期刊（European Journal of Physics）上，后来被转载在美国教育资源信息中心（ERIC - Education Resources Information Center）的网站上。据Prakash透露：该论文写得不错，却没有考虑到玩具最基本的限制性，而且远达不到实验要求。

Saad Bhamla

研究成果

Prakash团队里的Bhamla认为：如果了解Whirlligig的力学原理的话，旋转速度还可以提高。于是 Prakash 的团队花费数月来研究力学原理并将其实验成果转化成一种理论模型，其细节被刊登在《自然》期刊上的生物工程学专栏里。

 



转动模拟图，半径与转速的关系(e)

 

Prakash 的团队开始使用建立的理论模型来模拟 Whirligigs 的一系列转动： 他们调整了琴弦的长度和光盘的半径，并尝试了各种材料，如轻木，亚克力等。 最后，Prakash 团队决定使用当初 Prakash 用来设计的 Foldscopes 的材质。据 Prakash 透露：正如许多国家的纸质货币一样，这次选用的是合成纸材料。纸的正面和背面都覆有聚合物膜，使它具有防水性能，而且韧性也很强。

细线在不同时刻形成的螺旋（c）

研究发现：在拉动细线过程中，细线不断形成螺旋状，而这正是驱动力的关键。当细线螺旋超过一个限定值时，细线会在原来的基础上再形成一个螺旋。细线在形成螺旋过程中不断积聚能量，积聚的能量越多，纽扣或光碟就会转得越快。因此，Prakash团队将此现象称为超螺旋。

思考区

Prakash 和 Bhamla 已与马达加斯加岛上的一些医护人员展开合作，准备测试Paperfuge 在诸如疟疾，艾滋病等感染病诊断分析领域的高效性和可靠性。对于一些偏远落后，感染病肆虐的地区，Paperfuge 的发明有望解决现实中缺钱，缺电，缺人的难题。如果你有什么好点子或灵光一现，及时记录下来，没准它将造福全人类。