如果要给科研实验室的日常使用的神器排个名次，离心机必定是前三。目前为止，我还没有见过哪个材料、化学和医学实验室没有离心机。在材料化学领域，离心机可以分离纳米材料或者结晶体。在生物医学领域，离心机可于分离血液成分，使病原体更易于检测。一台冷冻高速离心机价格一般要到10万元以上，一台常规的离心机也要1万元左右。就是这样稀松平常的科研仪器，却还是有很多地方都用不起。佐治亚理工的生物工程师Saad Bhamla专门研究服务于经济落后地区的低成本的诊断工具。当他还在斯坦福大学读博士的时候发现，在乌干达的乡村诊所，想要使用常规的离心机并不现实，太贵了，而且很多地方没有电，人们需要一种新型的廉价的离心机，可以在没有电的地区运行。全世界有十亿多人没有基础设施，没有道路，没有电力。如果我们想彻底解决像疟疾诊断这样的关键问题，就需要设计一种离心机，并且其成本可以低于一杯咖啡。在现代诊断中，有害分子的分离对于快速诊断测试的准确性和可靠性至关重要，这些工具旨在检测疟疾，人类免疫缺陷病毒和结核病等疾病的低水平感染。典型的离心机中，液体样品在电动旋转滚筒中旋转。当滚筒旋转时，离心力通过密度将流体分离成样品管内的层。就血液而言，较重的红细胞聚集在试管的底部，含水血浆漂浮在顶部，寄生虫（如那些引起疟疾的寄生虫）则在中间沉降。当前，由于常规机器体积大，价格昂贵且必须由电力驱动，因此在现场条件下通常无法进行离心分离。不需要点就能离心分离生物组成的需求，促使研究人员把蛋器和沙拉纺丝器提上议程。但是，它们的设计笨重且转速极低，导致血浆分离的离心时间（> 10分钟）不切实际。科学家就是这么脑洞大开，突然有一天，Saad Bhamla想到了陀螺。陀螺的基本原理：将麻线来回穿过陀螺上的两个孔，抓住末端，然后有节奏地拉动。随着麻线盘绕和松开，陀螺以令人眼花乱的速度旋转。利用相同的机械原理，Saad Bhamla创造了一种超低成本，不需要用电，仅靠人力驱动的纸质离心机。该离心机由麻线和塑料制成，重量只有2 g，成本仅有20美分，转速可以达到125,000 rpm，离心力高达30,000 Gs，只要1.5分钟就能分离血液中的各个成分。斯坦福大学生物工程学助理教授Manu Prakash说：“据我所知，它是由人力驱动的最快的旋转物体。”离心机对于检测诸如疟疾，非洲昏睡病，HIV和结核病等疾病至关重要，这种低成本的离心机可以在这些疾病最普遍的贫困，偏僻的地区帮助精确的诊断和治疗。话说某一天晚上，Saad Bhamla正在玩纽扣和绳子。出于好奇，他安装了一个高速摄像头，以监测纽扣陀螺旋转的速度。简直不敢相信自己的眼睛，Bhamla发现纽扣旋转速度为10,000到15,000 rpm。经过两周的原型制作，他将血液毛细管装在纸盘陀螺仪上，发现能够将血液离心成多层。在他进入实验的下一步之前，他和Prakash决定首先解决一个没人问过的科学问题：陀螺仪实际上是如何工作的？Bhamla从MIT和Stanford招募了三名工程学本科生，来建立涉笔工作原理的数学模型。他们创建了一个计算机仿真程序来捕获设计变量，例如圆盘尺寸，琴弦弹性和拉力。他们还借鉴了超螺旋DNA链的物理学方程式，以了解手的力量如何从缠绕的弦上运动来驱动旋转的圆盘。一旦工程师针对真实的原型性能验证了他们的模型，他们便能够创建转速高达125,000 rpm的原型机，其转速大大高于其第一批原型。通过优化蜂鸣器以进行高速操作，并使用人手驱动蜂鸣器，旋转速度提高了大约两个数量级。同时，他们提高了设备的安全性，并开始测试可用于现场测试的配置。试验中他们发现，疟疾寄生虫可以在15分钟内与红细胞分离。纸质离心机的简单性和耐用性，使其可以使用纸以外的材料（包括木材，塑料和聚合物）来设计和构造设备。使用台式3D打印机，可以快速打印重量轻（20克）的各种“3D-fuges”原型，它们以大约10,000 r.p.m的速度旋转，这使得这种离心机的数百万台级别规模化制造成为了可能。Saad Bhamla长期致力于节俭科学的研究，在节俭的设计理念下，他们重新思考传统的医疗设备，以降低成本并将技术带出实验室，带到资源贫乏地区的医护人员手中。第一次，他们发明了一种功能齐全纸质显微镜，成本不到一美元，可用于诊断血液传播疾病，例如疟疾，非洲昏睡病和恰加斯病。迄今为止，世界各地的人们手中有50,000张折叠镜，并且一家衍生公司最近发起了Kickstarter广告系列，以增加100万张。第二次，他们发明了一种价值5美元的可编程儿童化学套装，灵感来自手摇音乐盒，可以在现场执行精确的化学分析。Prakash的梦想是，这些工具将使世界上最偏远地区的卫生工作者，现场生态学家和儿童能够在背包中携带完整的实验室。第三次，他们发明了一种成本一美元的助听器。只有火柴盒大小，戴起来就像项链一样。这种廉价的设备，它可以帮助数百万因年龄增长而丧失听力的人恢复听力，而所需的价格却比一瓶水的价格还要低。M. Saad Bhamla et al. Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nat. Biomed. Eng., 2017, 1, 0009.DOI: 10.1038/s41551-016-0009https://doi.org/10.1038/s41551-016-0009
