德國科學家用樂高做出「顯微鏡」:成本只要幾千元,小學生也能跟著做!

LEGO-based microscope

【我們為什麼挑選這篇文章】樂高積木可說是許多人的童年回憶,一磚一瓦堆疊起來真是有趣又有成就感,但你知道樂高積木也能做成科學儀器嗎?有科學家用樂高積木做出顯微鏡(樂高積木市價約幾千元),再加 2 個光學組件(約 320 元左右),成本遠低於一般光學顯微鏡價格,且還證實可運用於教育現場,協助老師教學,讓學生學習儀器使用與生物剖析。(責任編輯:賴佩萱)

本文經 新智元(公眾號 ID:AI_era)授權轉載,轉載請連繫出處

作者:新智元

安東尼.凡.列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)在 17 世紀發明了顯微鏡技術,這是微觀世界研究時代的開始。

本篇文獻的作者是德國的三位知名學者,他們的目標是將顯微鏡引入到學生和課堂環境中,作為一種科學的工具,學生們可以透過一種有趣而又精確的方法來理解顯微鏡光學組件的基本原理,走向微觀世界。

樂高積木是大多數家庭中常見的玩具。相信大家都玩過吧,玩樂高的樂趣不言而喻。

模塊化設計、靈活性和不同建築組件的高度複雜性使其成為構造顯微鏡最佳的材料。確實,樂高以前也曾被用來做科學儀器,例如概念性 AFM 顯微鏡和瓦特天平 Watt-balance,分別如下圖所示。

概念性 AFM 顯微鏡
瓦特天平

樂高顯微鏡怎麼做成的?

接下來作者介紹了完全由樂高製成的全功能顯微鏡的設計。

顯微鏡的設計如圖所示。主要零件是照明部分 LED、物鏡支架(包括物鏡)和目鏡部分。顯微鏡既可以用於肉眼直接觀察,也可以用智慧手機相機記錄圖像。

對於圖片中的手機是使用了 Sony Xperia XZ2 Compact 智慧手機。其後方照相機具有  5057×3796 像素、約 1.2 的像素尺寸的晶片μ 公尺。因為需要錄製圖像或電影,所以 Android 相機應用程式在所有實驗中,均使用自動對焦設置。

唯一的非 LEGO 組件是兩個光學部件,是以現成的價格購買,每個價格約 4 歐元。

樂高顯微鏡可用在教育現場

該專案的目標是提供一種可以在教育環境中使用的手動顯微鏡。

作者設計了許多實驗,可以使用這種樂高顯微鏡和易於取用的材料進行實驗,同時探索各種生物物理主題。

重點!透過讓一組 9 至 13 歲的學生搭建顯微鏡,並透過問卷的形式檢測他們對顯微鏡的理解,最終證明了這種樂高顯微鏡可以用於教育環境。

為了簡化樂高顯微鏡的使用,作者設計了分步工作流程,一共有 13 步,具體如下:

1. 學生需要單獨構建樂高顯微鏡,操作簡單容易上手。

2. 學生可以把物品放在顯微鏡下並猜測它們的用途。

3. 學生可以將顯微鏡用作放大鏡,目的是為了讓他們認識到封閉式的結構通常可能沒有足夠的光可以傳輸到樣品。

4. 學生可以將光源和目鏡相組合。為了克服光線不足的問題,學生應該認識到在構建充足的光源可以更好地查看放大後的樣本。

5. 學生將繼續探索單個樣本。甚至可以檢查一下具有目鏡放大特性的任意樣品。

6. 第一階段學生之間總結經驗,這個步驟要求學生收集前幾步驟的經驗。如果在教室裡,可以和小組成員一起交流。

7. 學生接下來可以嘗試放大倍數。除了使用更堅固的鏡頭外,學生還應注意兩個放大鏡可能會提高總放大倍率。

8. 學生可以使用低倍鏡,嘗試同時使用目鏡和第二透鏡來提高放大倍率。因為學生大多會在這一步失敗,所以老師在這一步的指引非常重要。

9. 第二階段收集經驗。重點大家討論如何固定鏡頭的位置。

10. 對以上所有的步驟進行整理分析。

11. 學生可以自己嘗試用顯微鏡探索指定的樣品。

12. 學生此時可以使用高倍物鏡。引入第二個物鏡提高倍數。

13. 最後一步,學生將檢查微米大小的樣品。學生需要總結該生物產生的物理效應,例如滲透壓和微游泳器的運動。

一起做個鹽晶體實驗

鹽晶體是最簡單但令人印象深刻的樣品之一。

如圖 b 所示,氯化鈉(NaCl)晶體的形狀反映了由較大的氯離子包圍著較小的鈉離子而形成面心立方晶格。當我們將鹽溶液的薄膜放在顯微鏡載玻片上時,鹽的濃度會由於水的蒸發而緩慢增加。

使用樂高(LEGO)做成的顯微鏡,其分辨率接近光的衍射極限。很多實驗也可以用家用的食材進行。使用樂高顯微鏡後,人們對顯微鏡的了解有所增加。顯微鏡本身的模塊化設計也使其可以輕鬆地納入學生光學的課程中。

所有材料,包括零件清單,建築計劃,工作流程和項目建議都可查看原文。

參考資料

biorxiv

(本文經 新智元 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈樂高還能這麼玩?科學家用樂高構造透鏡顯微鏡,低成本探索微米級物體 〉。)

你可能會有興趣


點關鍵字看更多相關文章: