科學(xué)家們竟用樂(lè)高觀察細(xì)胞，網(wǎng)友：萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到啊

白交 2021-05-22 13:32:27 來(lái)源：量子位

楊凈 子豪 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

玩樂(lè)高還能玩出個(gè)顯微鏡？！

原本以為是一個(gè)普普通通的玩具。

沒(méi)想到，還真能當(dāng)成顯微鏡來(lái)用，是能看到細(xì)胞的那種。

真·高端新玩法！

比如食用鹽的主要成分——氯化鈉晶體。

甚至還可以看到生物書(shū)中的細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象。

紫色洋蔥細(xì)胞在碰到氯化鈉溶液后，細(xì)胞膜與細(xì)胞壁出現(xiàn)了分離。

加入蒸餾水之后，再恢復(fù)原狀。

還能看到三只水蚤在水中游動(dòng)的樣子。

把樂(lè)高玩的這么6的，竟然是一群來(lái)自德國(guó)明斯特大學(xué)正兒八經(jīng)搞研究的科學(xué)家。

還是研究細(xì)胞生物學(xué)的。

難不成，這個(gè)真是為了研究而生？

研究人員說(shuō)了，其實(shí)是想讓孩子真正使用顯微鏡玩游戲，進(jìn)而普及更多細(xì)胞生物學(xué)的知識(shí)。

而且，這款樂(lè)高顯微鏡沒(méi)有3D打印的零件，也沒(méi)有特殊設(shè)計(jì)的精密光學(xué)器件。

完全由樂(lè)高打造，人人可制作的那種。

唯一非樂(lè)高組件——光學(xué)器件，每個(gè)差不多30元就可以買(mǎi)到。

因此，就有不少網(wǎng)友表示很驚奇：我真萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到啊！

如何制作？

按照顯微鏡結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們用上了這些材料：

顯微鏡主體——樂(lè)高、目鏡——丙烯酸鏡片*（2片）、物鏡——玻璃鏡片、iPhone 5攝像頭模塊，以及一些顯微鏡必備載玻片和蓋玻片。

首先，顯微鏡主體樂(lè)高。

團(tuán)隊(duì)使用了LDraw——專(zhuān)供樂(lè)高的免費(fèi)3D建模軟件，創(chuàng)建了指令，進(jìn)行了主體安裝。

△使用清單

共用到了287塊樂(lè)高，其中還包括用來(lái)*照明的樂(lè)高塊，發(fā)出橙色的光。

不過(guò)這個(gè)橙色的光，可以隨意更換顏色，以及如果擔(dān)心照明不均勻，可使用薄紙片作為一個(gè)擴(kuò)散器，放在LED和樣品之間。

*Ps：3位研究者貼心的準(zhǔn)備了清單和步驟書(shū)哦~

目鏡，則是由兩塊一平一凹的亞克力透鏡（直徑34.5 mm，f =106mm）組成，需要用膠帶將他們粘合在一起。

還有就是物鏡。

團(tuán)隊(duì)制作了兩款物鏡， 一個(gè)低倍率物鏡——普通的玻璃透鏡（直徑18 mm，焦距26.5 mm）。

另一個(gè)，則是由iPhone5攝像頭模塊構(gòu)成的高倍率透鏡。

此外，為了避免載玻片在積木表面移動(dòng)，可以貼上膠帶固定。

值得一提的是，這些組件全都能夠買(mǎi)到。尤其是非樂(lè)高組件，價(jià)格在10元到40元不等。

科學(xué)家們很貼心的附上了他們的成本表。（親測(cè)：實(shí)際情況比這更低）

可以看到，總成本102歐，折合人民幣不到800元，其中樂(lè)高就占了大頭，成本大概在625元左右。

作為一款可以自己動(dòng)手從零打造、寓教于樂(lè)的顯微鏡，這個(gè)價(jià)格還是相當(dāng)有吸引力的。

用它搞研究，性能如何？

做成之后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了顯微鏡的放大倍數(shù)。

在兩個(gè)鏡頭變焦相同的前提下，比較圖像中物體的長(zhǎng)度。得到結(jié)果：

高倍物鏡能放大254倍，低倍物鏡能放大27倍。

此外，團(tuán)隊(duì)還對(duì)高倍物鏡和低倍物鏡的分辨率進(jìn)行了量化：

通過(guò)研究強(qiáng)度分布情況，繪制了單獨(dú)條的強(qiáng)度分布曲線（e、f圖中黑色曲線），這是階躍函數(shù)與顯微鏡的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（PSF）的卷積（e、f圖中紅色曲線）。

用正態(tài)分布來(lái)逼近PSF的形狀，把強(qiáng)度曲線擬合為正態(tài)分布的累積分布函數(shù)，通過(guò)偏差得到半峰全寬。

PSF用來(lái)描述顯微鏡如何對(duì)一個(gè)點(diǎn)狀物體成像。當(dāng)兩個(gè)物體的PSF重疊時(shí)，它們不能再分別進(jìn)行光學(xué)分辨，而是作為一個(gè)物體成像。

將半峰全寬與最大分辨率進(jìn)行比較，研究人員估算了兩個(gè)物鏡的分辨率極限。

也被稱(chēng)為阿貝衍射極限，即在能進(jìn)行光學(xué)分離的前提下，兩個(gè)光點(diǎn)之間的最小距離。

比較結(jié)果顯示，高倍物鏡下的半峰全寬僅略小于最大分辨率。不過(guò)與高倍物鏡相比，低倍物鏡的性能較差。

研究人員認(rèn)為，這可能是單個(gè)鏡頭與復(fù)合鏡頭系統(tǒng)帶來(lái)的影響，iPhone的鏡頭提供了良好的圖像質(zhì)量。

從展示圖中也看得出，成像效果相當(dāng)不錯(cuò)。

網(wǎng)友：為啥只給孩子？

早就火遍全球的樂(lè)高玩具，現(xiàn)在又了教育作用的加成，自然引起了不小的關(guān)注。

網(wǎng)友們紛紛求鏈接：

不少家長(zhǎng)已經(jīng)準(zhǔn)備給娃們加入購(gòu)物車(chē)了。

“太好了??！我兒子剛剛9歲，他正想要個(gè)顯微鏡！”

“太棒了，我可以和女兒一起拼樂(lè)高?！?/p>

還有網(wǎng)友說(shuō)出了我的心聲：

“為什么只給孩子買(mǎi)？我想給自己來(lái)一個(gè)?！?/p>

目前，作者已經(jīng)在GitHub頁(yè)面添加了相關(guān)信息，感興趣的讀者可戳文末鏈接~

另外，后臺(tái)回復(fù)“說(shuō)明書(shū)”或“樂(lè)高”關(guān)鍵詞，即可獲得完整樂(lè)高制作步驟和清單哦~

大概是醬嬸兒的。

參考鏈接：
[1]https://github.com/tobetz/LegoMicroscope
[2]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.04.11.439311v1
[3]https://twitter.com/BetzLab/status/1381494678382600194