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两大新发明:用纸做离心机 模拟树木持续供能
2017-04-14 10:37:40搜狐

  导读:不知从何时起,节俭科学成为一种新风尚,科学家们力图用最便宜的材料去打造科学仪器。比如最近,美国斯坦福大学就研制出了一款用纸做成的离心机,这款离心机造价只有20美分,却可以实现疟疾的快速检测。与此同时,另外一批美国研究人员研发出一种微流体泵设备,实现不供能情况下持续数天输送流体物质。

  轻质廉价的纸离心机能快速诊断疟疾

  体内抗原和寄生虫的检测必须依赖于对待检测样品的分离。在现代医学诊断中,离心法是最常用且最可靠的物质分离方法。商业离心机价格昂贵,体积庞大,而且需要电力驱动,不利于分散化的定点诊断。美国斯坦福大学的研究人员打造了一款轻质(2克)而廉价(20美分)的纸离心机,可通过人力驱动实现血浆的分离和疟疾的诊断。

  纸离心机由纸盘,处于超螺旋状态的弹性线绳和用于盛装血液样本的微吸管构成。使用过程,用户首先拉伸线绳,随着线绳的拉长处于超螺旋状态的弹性线绳逐渐解旋,当线绳长度最大时完全解旋,同时不再拉伸线绳,纸盘会随着惯性继续旋转,带动线绳进入反向超螺旋状态,当线绳最短时即完成一个周期。此后用户通过来回拉拽线绳作为能量输入,线绳随着长度的变化而发生超螺旋状态的改变,从而构成一个非线性、非保守的振荡器。纸离心机可以实现125,000 rpm的转速(相当于30,000 g的离心力),理论极限转速约为1,000,000 rpm。纸离心机可以在1.5分钟内将纯血浆与全血分离,并在15分钟内分离出血沉棕黄层,经显微检测可诊断血液样品中是否存在疟原虫。纸离心机还设计了一系列安全措施以防止用户意外接触血液。

  这项研究是节俭科学的一个典型例子,它使得利用模具大量制造离心机成为了可能。纸离心机大大降低了血液分析成本,而且可以在标准医疗设备难以到达的地方诊断疟疾等疾病。此外,纸离心机还可被应用于科学教育和野外生态学研究。

  科学家模拟树木研发了微流体持续供能设备

  美国麻省理工学院、康奈尔大学和丹麦的研究人员在国防先期研究计划局(DARPA)“液压驱动的微型机器人”项目的资助下,研发出一种微流体泵设备,可在不供能的情况下连续数天以恒定速率运输水分和糖类。这一技术为设计小型机器人的液压驱动器提供了可能。

  树根从土壤吸水后,在表面张力的驱动下,水分沿木质部导管上行至树冠,韧皮部筛管中富含糖分等营养物质,缺乏水分,导管和筛管间有一层半透膜,于是在渗透压作用下,水分由导管扩散到筛管,然后将营养物质运输到树根。植物能保持该被动运输过程是由于它们可从树根持续吸入水分。受此启发,之前有科学家设计微流体泵,其中包括模拟导管和筛管的部件,还有水箱提供水分,但这种设备只能工作几分钟。为解决该问题,研究人员分析树的运输系统,发现另一个必需条件—树叶,树叶经过光合作用生成糖分,然后扩散到筛管,为其持续提供糖源,维持了筛管和导管之间的渗透压,使水和营养物连续运输。根据这一想法,研究人员设计了新的设备,将两块塑料板夹在一起,两板上钻出小通道,分别模拟导管和筛管。导管中填满水,筛管中填满水和糖分,然后用半渗透性材料将这两板分开,模拟导管和筛管间的半透膜。此外,他们在筛管的那块板上方放了另一个膜,并在膜顶部放置了一块方糖模拟糖源,使糖分持续扩散到筛管。最后,将该设备固定在水管上方,水管下方连接可供水的水箱。结果显示该装置可连续数天以恒定流速将水从水箱抽吸到另一端的烧杯中,且不需要任何供能装置。

  未来该微流体泵有希望用于小型机器人中,充当液压能源驱动器,而不需要其他的外接泵或供能装置。

  编辑点评:目前很多科学研究似乎都在讲求大成本投入,“节俭科学”倒是提出了一种新思路——如何用最简单最廉价的材料,实现那些昂贵仪器的功能。只要掌握了科学技术的核心原理,再简陋的材料在科学家们的手中也有可能实现“摇身一变”,变成足以满足人们某项需求的小型仪器。然而这种需要人力驱动的仪器,恐怕不能真的用于大规模生产。为人们的生活带来创新和便利,或许是良好的选择。

  (原文标题:用纸做离心机对抗疟疾,模拟树木研发持续供能设备,还有什么是你想不到的?

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