沒(méi)想到小時(shí)候玩的不起眼紙片玩具，關(guān)鍵時(shí)刻還能救人一命

你小時(shí)候玩過(guò)上面這種小玩具嗎？

別小看它哦，這個(gè)玩具有5千年的歷史了。更厲害的是，它的轉(zhuǎn)速超過(guò)了絕大多數(shù)汽車引擎，甚至可以媲美F1賽車引擎。

它有什么用？

利用這個(gè)成本低廉的道具，就可以制造醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)研究必備的離心機(jī)，讓液體快速分層。斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們想到用它來(lái)讓更多的人能夠獲得快速又方便的醫(yī)療檢測(cè)，拯救貧困地區(qū)的人民于水火。

一起來(lái)看看它的制作方法吧。

關(guān)鍵概念

超螺旋

材料和操作

線（棉線，釣魚線…）

硬紙板/紐扣

塑料小瓶

制作方法很簡(jiǎn)單。

1 裁剪一個(gè)圓形的硬紙板（半徑小于5厘米，半徑越小轉(zhuǎn)得越快），在中央靠近圓心的位置扎兩個(gè)小洞（間距2.5毫米左右），然后依次穿入棉線。當(dāng)然，你也可以用比較大的紐扣替代硬紙板。

2 接著制作需要分離的溶液。你可以用血液，也可以用淀粉和碘的混合液來(lái)做實(shí)驗(yàn)。把液體裝入透明的塑料小瓶里，然后綁在圓盤上。

淀粉和碘的混合液

@North Carolina Museum of Natural Sciences

3 玩的時(shí)候，讓圓轉(zhuǎn)盤繞著棉線轉(zhuǎn)幾圈，然后兩手拉住棉線的兩端讓圓盤轉(zhuǎn)起來(lái)，就可以了。

淀粉被離心機(jī)分離后，你可以觀察到紫色的物質(zhì)沉入了容器底部。

@North Carolina Museum of Natural Sciences

原理：這個(gè)紫色的物質(zhì)是淀粉碘絡(luò)合物。因?yàn)榈矸勖芏却?，所以被離心機(jī)甩分層了。

4 除了上面這種玩法，還可以玩色譜法。

拿一張咖啡濾紙，在上面用不同顏色的筆標(biāo)記一下，然后滴上幾滴水。把濾紙放到紙質(zhì)離心機(jī)上甩，就可以看出筆的顏料里包含幾種染料了。

原理：不同顏料在濾紙上的移動(dòng)速度不同，因此被離心機(jī)加速后，可以看出彩色筆的顏色是由幾種顏料調(diào)和而成的。

彩色筆的顏料在離心機(jī)上分層

@Flinnscientific

原理

對(duì)于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究來(lái)說(shuō)，離心機(jī)是基礎(chǔ)設(shè)備之一。

離心機(jī)

比如在檢測(cè)血液里的瘧原蟲、HIV病毒還有結(jié)核桿菌的時(shí)候，用離心分離血漿里的不同物質(zhì)是第一步，因?yàn)槿コ蓴_性的細(xì)胞雜質(zhì)可以提高檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性。

就拿引發(fā)瘧疾的瘧原蟲來(lái)說(shuō)。瘧原蟲會(huì)感染紅血球，而被感染的紅血球的密度比健康的紅血球要小。因此在經(jīng)過(guò)離心機(jī)分離后，被感染的紅血球的位置位于健康紅細(xì)胞和透明血漿之間。檢測(cè)這層液體里是否有瘧原蟲，就可以判斷一個(gè)人有沒(méi)感染瘧疾了。

被感染的紅血球的位置

@Manu Prakash

不過(guò)，傳統(tǒng)的離心機(jī)價(jià)格昂貴，非常笨重，而且需要插電，因此不適合背來(lái)背去，也不適合經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)。

許多科學(xué)家們?cè)?jīng)考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，他們利用日常生活中的工具，制造了一些低成本的離心機(jī)。

下面這種用沙拉脫水器制作的離心機(jī)就是一例。不過(guò)它的轉(zhuǎn)速只有每分鐘600次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到分離檢測(cè)物質(zhì)的要求。

沙拉脫水器離心機(jī)

@nature

怎樣制造高轉(zhuǎn)速，不插電的離心機(jī)？這是斯坦福大學(xué)生物工程學(xué)教授 Manu Prakash 一直在考慮的問(wèn)題。

Prakash 是節(jié)儉科學(xué)（frugal science）概念的提出者和推廣者。在此之前，他已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了折紙顯微鏡 foldscope。我們之前介紹過(guò)（點(diǎn)我查看）。

紙質(zhì)顯微鏡 foldscope

Prakash 一開始想要利用的是悠悠球和陀螺這些常見(jiàn)玩具。不過(guò)很遺憾，和沙拉脫水機(jī)一樣，它們的轉(zhuǎn)速也不夠。

后來(lái)，Prakash 注意到了另一個(gè)玩具——Whirligig。你可能也玩過(guò)。

Whirligig

Prakash 介紹，whirligig 是人類歷史上最古老的玩具之一，至少有5千年的歷史。

世界各地出土的whirligig

@Manu Prakash / TED

從 whirligig 出發(fā)，他設(shè)計(jì)出了紙質(zhì)離心機(jī) paperfuge。它的基本原理和傳統(tǒng)離心機(jī)一樣，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力，使不同密度的物質(zhì)分層。

Prakash 演示紙質(zhì)離心機(jī) paperfuge

@wired

Prakash 的離心機(jī)制作成本低廉。2017年，Prakash在TED演講上表示，paperfuge 的制造成本是每個(gè)0.179美金，差不多2塊錢不到。

紙質(zhì)離心機(jī)的操作也方便，只要把血液放入細(xì)管里，粘到紙質(zhì)離心機(jī)上就可以進(jìn)行離心了。只要轉(zhuǎn)90秒，它就可以把血液分離成紅血球、血小板和透明的血漿。

經(jīng)過(guò)紙質(zhì)離心機(jī)處理后的血液樣本

@nature

理論上，whirligig 的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘百萬(wàn)次。Prakash 的紙質(zhì)離心機(jī)可以達(dá)到每分鐘12萬(wàn)轉(zhuǎn)，能產(chǎn)生3萬(wàn)g的離心力，拉起來(lái)有呼呼的聲音，轉(zhuǎn)速妥妥地超過(guò)了大多數(shù)汽車引擎，也超過(guò)了80年代F1賽車的水平。

不過(guò)，whirligig，還有紙質(zhì)離心機(jī)是怎么轉(zhuǎn)起來(lái)的呢？

這是個(gè)好問(wèn)題，因?yàn)橹钡阶罱庞腥死斫馑奈锢碓怼?/p>

Prakash 介紹，一般來(lái)說(shuō)繩索扭成的螺旋數(shù)量是有限的。超過(guò)這個(gè)限度后，繩子就會(huì)在第三個(gè)維度紐結(jié)，這就是超螺旋。比如DNA就會(huì)形成超螺旋。Whirligig 和紙質(zhì)離心機(jī)就是利用超螺旋產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)速。

電話線上的螺旋(coil)和超螺旋(supercoil)

Prakash 說(shuō)：“我們常常忽略了玩具里藏著的深刻的物理現(xiàn)象。”不起眼的小玩具，不但經(jīng)歷了時(shí)間的考驗(yàn)，或許還會(huì)成為奮斗在一線的醫(yī)療武器呢。

知道阿姆斯特朗回旋噴氣加速式阿姆斯特朗炮為啥這么厲害了吧，都是因?yàn)槌菪。?/p>