受玩具啟發的「人力離心機」,將幫助偏遠地區醫療人員

你為什麼需要這則新聞

史丹福大學的研究人員發明了一款「紙製離心機」,有望幫助偏遠地區的醫療人員,在資源緊拙的情況下作診斷。

高速離心機是醫療實驗室的常見設備,能夠把混合物中的成份分離,對於診斷貧血、有否感染瘧疾或愛滋病病毒等非常重要。然而離心機非常昂貴,身處發展中地區的醫療人員未必能夠使用,加上一些偏遠地區可能缺乏電力,影響醫療服務。

人力離心機

有見及此,有研究人員研發廉價、使用人力的離心機。懷斯大學的研究人員曾以沙律脫水器代替,轉速約每分鐘600轉。哈佛大學的研究人員則試過利用手動打蛋器做實驗,轉速上限在每分鐘1200轉左右。

這些都跟商用離心機高達每分鐘一萬轉的速度無法比擬,因此史丹福大學的工程師嘗試再次挑戰,希望可以找到更輕、更細小、更便宜和更快的替代品。

該大學生物工程系副教授Manu Prakash的團隊一開始想到陀螺,但轉得不夠快去分離樣本。其後研究人員嘗試用搖搖,不過控制技術太難掌握。Prakash認為問題在於,使用者需要令搖搖長期高速轉動,即使他練習了一年仍無法打破實驗室的紀錄——每分鐘4000轉。迢個紀錄由一位訪問研究人員創下,但他曾經是馬戲團表演者,同時是搖搖高手。

殊不簡單的童年玩意

用搖搖作離心機的想法不夠實際,去年初實驗室的博士後研究員Saad Bhamla(他承認自己的搖搖技術糟糕)決定分析「轉輪」(whirligig)——他在印度童年時的一種玩具。

轉輪的設計很簡單︰把線圈穿上鈕釦中,然後拉線圈令鈕釦旋轉。連續地拉可以令線絞纏、復原,而鈕釦則快速從一個方向旋轉,再變成相反方向。由於設計簡單,Bhamla也動手造了一個,再把玩具放到高速攝錄機前,拍攝其旋轉的影像。

vlcsnap-2017-01-11-16h02m01s151
史丹福大學影片截圖

其後Bhamla分析影片發現,鈕釦轉速高達每分鐘1萬至1萬5千轉,當時他心想︰「這就是我們在找的東西」。為得到最佳效果,Bhamla希望了解轉輪的力學原理,但當他搜尋研究時,發現沒有人提出過轉輪的動力學模型,只有基本的模擬,所用的數學模型過於簡單。

因此實驗室花了數個月,動手研究轉輪系統的複雜現象,並建立理論模型。他們發現轉輪的威力來自稱為「超捲繞」(supercoiling)的現象,當線捲繞到超過一定門檻時,它會再有另一層捲繞。超捲繞狀態的線會儲存更多能量,幫助中心轉得更快。

vlcsnap-2017-01-11-15h49m22s212
史丹福大學影片截圖
紙製離心機

在模擬轉輪後,實驗室開始製造各種轉輪,調整線的長度、轉碟的大小、所用物料等。最終他們選了能夠防水而且有足夠強度的合成紙,並把這個紙製離心機稱為「Paperfuges」。

在實驗中,他們發現使用Paperfuges約90秒所得到的結果,跟使用商用離心機2分鐘的結果相約︰前者最高轉速可達每分鐘2萬轉(相對離心力約10,000g),後者轉速約每分鐘1萬6千轉(相對離心力13,700g)。使用Paperfuge把血清從血液中分離需要1.5分鐘,而把瘧疾寄生蟲分離出來需要15分鐘。

Prakash跟波士頓的非牟利保健組織PIVOT合作,到馬達加斯卡進行臨床實驗,評估裝置的易用、耐用程度,並與跟商用離心機比較。Bhamla表示,他原本以為當地人看到Paperfuge時會嘲笑他們,但猜錯了。

他記得其中一位做了15年診斷的技術人員對他們說︰「你會以為你知道、明白這工具的需求,但你不會像我一樣了解。我尋找類似這樣的工具很多年了。」她更告訴Bhamla,以往把離心機送往偏遠村落,需要吉普車運送,還得帶上發電機運作,現在她只需要口袋。

PIVOT的創辦人Matthew Bonds則說︰「我們目前不知道Paperfuge是否可行,要說服人放棄現代的離心機需要大量證據,但Paperfuge作為替代品為世界帶來更多可能。」

vlcsnap-2017-01-11-15h49m01s16
史丹福大學影片截圖

相關文章︰

資料來源︰

史丹福大學介紹影片︰

或許你會想看
更多『新聞』文章 更多『科技』文章 更多『Kayue』文章
Loader