У каждого школьника и специалиста будет карманный микроскоп за 50 центов

Редакция издания «Футурист» подготовила материал об учёном Ману Прокаше, которому во всех своих изобретениях удаётся сочетать научную строгость, смекалку дизайнера и небезразличие общественного активиста. С помощью своих приборов Прокаш предлагает простые решения, которые были бы доступны для жителей стран третьего мира.

В числе изобретений под руководством учёного бумажный микроскоп Foldscope, бумажная медицинская центрифуга Paperfuge и «капельный компьютер» в виде чипа, позволяющий программировать реакции.

Ману Пракаш

Билл Гейтс, Марк Цукерберг и другие ИТ-миллиардеры тратят огромные суммы на помощь странам третьего мира, однако разрыв между богатыми и бедными продолжает увеличиваться.

Недавно эксперты организации «Оксфам» подсчитали, что восемь богатейших бизнесменов мира владеют состоянием, равным доходу половины жителей земли. Четверо из этой восьмерки работают в сфере инноваций: помимо Гейтса и Цукерберга, это Джефф Безос из Amazon и Ларри Эллисон из Oracle.

В отличие от глав ИТ-корпораций, у Ману Пракаша нет миллиардов, которые он мог бы потратить на благотворительность, но есть идеи, как сделать трату этих средств излишней.

Идея Foldscope родилась в 2011 году, когда Пракаш и его аспиранты в Стэнфорде путешествовали по лабораториям в развивающихся странах. В Таиланде они обнаружили исследовательскую группу, у которой был хороший дорогой микроскоп для полевых исследований. Однако он стоял без дела.

Пракаш был поражен, насколько абсурдна ситуация: исследователи получают в пять раз меньше, чем стоит микроскоп, и просто боятся его поломать. Похожую картину биолог позже наблюдал в Африке, где недостаток микроскопов часто мешает проводить качественные медицинские анализы. Тогда Пракаш задался целью сделать микроскоп таким же доступным, как карандаш.

От задумки до первого прототипа прошло три года. В 2014 году была предложена конструкция Foldscope, где самые дорогие детали — это линза за 5,5 центов и светодиод. Всё остальное сделано из бумаги. Вес новинки составил всего восемь граммов, а стоимость — меньше доллара. Хотя чаще всего используется линза с небольшим 140-кратным увеличением, прибор существует во множестве модификаций и позволяет использовать более мощные линзы с увеличением до 2 тысяч раз.

Foldscope похож на обычный микроскоп, который расплющили гидравлическим прессом: объектив, предметный столик, винты фокусировки — всё оказывается толщиной с несколько плотных листов бумаги. Пракашу и его коллегам пришлось решить множество инженерных задач. Например, как встроить в плоское устройство механизм наведения фокуса.

Это хорошее упражнение для фантазии. Положите на стол лист бумаги и поставьте точку посередине. Положите ладони на лист. Переместите точку вправо-влево и вверх-вниз. Не очень сложно. А теперь поднимите точку над поверхностью стола.

Довольно быстро вы поймёте: достаточно свести ладони, чтобы бумага выгнулась посередине. Точно так же достигается настройка фокусировки в Foldscope. Большие пальцы вкладываются в трапециевидные отверстия по бокам и слегка выгибают фрагмент, содержащий линзу.

Пракаш обнаружил, что такой нехитрый приём позволяет контролировать расстояние с точностью до микрона — одной тысячной миллиметра. Это примерно в сто раз меньше, чем толщина волоса, и в семь раз меньше, чем диаметр эритроцита.

Помимо непосредственно инженерных находок, команда из Стэнфорда также предложила несколько ярких дизайнерских решений. Foldscope поставляется в виде листов А4. Все детали, в том числе линза, вытравлены прямо на листе. Пользователь выдавливает их и собирает, словно оригами. Никаких инструкций на листе нет: Пракаш использовал цветовое кодирование. Сборка занимает около десяти минут.

Исследователи постоянно думали о конечном потребителе и его нуждах. В комплекте есть две детали с магнитами, которые позволяют прикрепить смартфон на Foldscope и записывать мобильное видео. Кроме того, ноу-хау получилось очень долговечным: микроскоп можно ронять с третьего этажа, на него можно наступить, его можно намочить — и ничего с ним не произойдёт. Всё это Пракаш демонстрировал во время своего выступления на TED в 2014 году.

Хотя Foldscope стоит меньше доллара, чтобы запустить его в производство и поднять большую волну, Пракашу пришлось использовать все доступные каналы. В ноябре 2012 года, ещё на ранних стадиях разработки, он выиграл грант Фонда Билла и Мелинды Гейтс на $100 тысяч.

На эти деньги ученый отправился в Индию, Таиланд и Уганду, где провёл серию полевых тестов. В 2013 году подоспела помощь от Фонда Гордона и Бетти Муров, и было заявлено о планах бесплатно распространить по миру 10 тысяч бумажных микроскопов. Сумма гранта составила $757 тысяч.

В 2014 году про Foldscope написали The New Yorker, The Wall Street Journal, Wired и десятки других изданий. Летом 2016 года снова активизировался фонд Муров, на этот раз заявив, что поможет раздать школьникам со всего мира миллион микроскопов. Также Пракаш провёл успешную кампанию на Kickstarter. Вместо заявленной цели в $50 тысяч долларов удалось собрать почти $400 тысяч. Первые доставки Foldscope планируются в августе 2017 года.

Следует отметить, что медики не спешат вооружаться бумажными микроскопами. Всё-таки для серьёзной диагностики его мощности не достаточно. В 2014 году в Гане обнаружили, что Foldscope не годится для обнаружения возбудителей шистосомоза: при изучении образцов мочи появлялся риск заражения, так как микроскоп нужно было подносить вплотную к лицу.

Пока что Foldscope в большей степени остаётся образовательным инструментом, а также используется для необычных задач за границами медицины: например, пасечники приспособили изобретение для поиска паразитов у пчел, а сборщики цветных металлов — для изучения своих находок.

Все фото и ролики, снятые первыми пользователями Foldscope, собраны в специальном разделе «Микрокосмос» на сайте проекта. Сам учёный на своем Vimeo-канале постоянно публикует короткие видео кофейной пены, паучьих лапок, инфузорий на чешуйках рыбьего хвоста и другие. Стандартная линза Foldscope со 140-кратным увеличением позволяет даже увидеть красные кровяные тельца.

Пока разворачивалась история успеха Foldscope, Ману Пракаш продолжал работу над другими проектами в своей Стэнфордской лаборатории. В январе 2017 года он представил ещё одно изобретение — Paperfuge, бумажную центрифугу, которая стоит 20 центов, но позволяет готовить образцы для анализа крови.

Центрифуги стоят в каждой медицинской лаборатории. Благодаря центробежной силе они позволяют отделять плазму крови от красных кровяных телец и делать другие анализы. Это необходимо для диагноза многих болезней, от малярии до ВИЧ-инфекции.

В 2013 году Пракаш увидел, как в Уганде медицинской центрифугой подпирали дверь. К тому моменту он уже не раз был свидетелем «кладбищ» научных инструментов в африканских клиниках. Именно тогда он задумался над тем, как сделать анализы доступными там, где нет электричества и где велик риск механических повреждений, то есть в условиях «диагностики под деревом».

На первом этапе биоинженер и его команда экспериментировали с волчками, но те вращались недостаточно быстро. Затем пришла идея использовать йо-йо. Однако вращение должно быть равномерным. Чтобы научиться долго крутить йо-йо с постоянной скоростью, нужны месяцы тренировки.

Только в начале 2016 года состоялся прорыв. Решение нашлось на родине Пракаша. Его аспирант и соотечественник Саад Бамла вспомнил, что в Индии есть народная игрушка — «жужжалка». Аналоги известны во многих культурах. В русских деревнях её делали из пуговицы или хрящевой кости свиньи. В самом простом виде жужжалка представляет собой колесо на двух шнурках. Тянете в стороны в определённом ритме — и колесо делает 125 тысяч оборотов в минуту, издавая высокое жужжание.

Следующие несколько месяцев в лаборатии Пракаша велось исследование игрушки, которое затем было опубликовано в журнале «Nature Biomedical Engineering». Ученые исследовали феномен сверхспирализации, или сворачивания спиралью второго порядка (supercoiling). Когда бумажная центрифуга достигает наибольшей скорости, шнурки сворачиваются не просто спиралью, а спиралью из спиралей. Похожий эффект можно наблюдать на примере ДНК: в хромосомах она упакована в сложные сверхскрученные формы.

Именно сверхспирализация позволяет жужжалке накапливать дополнительную энергию и достигать давления в 30 тысяч атмосфер. Этого достаточно, чтобы изолировать возбудителей малярии за несколько минут. Нужно просто разместить по ободу колеса ампулы с образцами крови.

Ещё несколько месяцев исследователи искали, из какого материала лучше всего изготовить прибор, чтобы он был дешевым и долговечным, и в итоге остановились на бумаге.

Первые тесты Paperfuge были проведены на Мадагаскаре, где проблема малярии стоит очень остро. Отзывы от рядовых врачей положительные, но профессиональное сообщество пока не успело оценить новое изобретение индийца.

Самое удивительное в работе Ману Пракаша — то, как совмещаются наука и дизайн. Есть такое популярное выражение: «to think outside the box» — буквально «думать за пределами коробки», то есть думать нешаблонно. Парадокс индийца в том, что он сначала помещает себя в коробку, то есть в строгие рамки (например, ставит цель снизить стоимость изобретения до минимума), а затем пытается выйти за них.

«Мне кажется совершенно поразительной простота игрушек, — говорит Пракаш, — и то, как можно использовать те же механизмы в наших инструментах».

Пракаш называет свою философию frugal science — то есть «скудная» или «бережливая» наука. Чтобы продемонстрировать смысл этого понятия, во время лекции в Индии в 2015 году Пракаш извлёк моток скотча, резко оторвал его и сообщил аудитории, что только что испустил рентгеновское излучение.

Это действительно так. Правда, рентгеновских фотонов испускается очень мало. Обнаружить эффект можно, только поместив скотч в вакуум. Однако свечение в видимом диапазоне заметно и в обычных условиях.

Ещё в середине прошлого века явлением интересовался академик Борис Дерягин. В 2008 группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела сделать рентген пальца с помощью скотча. Феномен основан на разрушении кристаллов, во время которого между частицами проскакивают разряды. До сих пор здесь много неясного.

Пракаш уверен, что открытие можно сделать, изучая самые обычные вещи. На лекции он заявляет: «Вы можете открыть новый вид комара прямо сейчас, сидя в последнем ряду».

Именно так в ходе наблюдения за бытовыми феноменами аспирант Пракаша Нэйт Сира пришёл к ещё одной идее: танцующим каплям. Во время учёбы в Университете Висконсина в 2009 году он пролил пищевой краситель на стеклянную пластину и заметил, что капли начали двигаться. В 2011 году Сира попал в Стэнфорд и присоединился к лаборатории Пракаша.

Потребовалось три года экспериментов, чтобы понять, что происходит: в красителе есть молекулы пропилен-гликоля и воды. Вода быстрее испаряется и имеет более высокое поверхностное натяжение. В верхней части капли больше концентрация воды, в нижней — пропилен-гликоля. В итоге внутри капли создаются маленькие вихреподобные потоки.

Учёные потратили немало времени, пытаясь найти оптимальную концентрацию каждого из веществ, и научили капли «чувствовать» присутствие друг друга. Красители были добавлены для наглядности, они не влияли на динамику, а только помечали капли с разным балансом воды и пропилен-гликоля. Вместе со статьей в журнале Nature в 2015 году команда учёных выпустила видео, где продемонстрировала всё, на что способны «водные акробаты».

Исследованием малых объёмов жидкости занимается микрогидродинамика. Именно ей была посвящена диссертация Пракаша в Массачусетском технологическом институте, которую он защитил в 2008 году. Особенно его интересовала возможность создания «капельного компьютера».

В 2015 гожу Пракаш совместно с коллабораторами Джимом Цыбульски и Джорджем Кацикисом наконец представил первый прототип устройства, где роль электрических импульсов играет жидкость с магнитными наночастицами. На смену транзисторам пришли специальные каналы, которые учёные сравнили с уровнями в Pac-Man.

Особенно долго работали над точной синхронизацией капель. Её удалось добиться с помощью вращающихся магнитных полей. Исследователи воссоздали все логические элементы традиционных компьютеров.

Среди возможных областей применения «капельного компьютера» — создание химической лаборатории на чипе, где реакции можно было бы программировать.

Лаборатория Ману Пракаша в Стэнфорде постепенно становится одним из крупнейших мозговых центров в области биоинженерии. В сентябре 2016 года Пракаш удостоился «гранта для гениев» — Стипендии Мак-Артура. В течение пяти лет он получит $625 тысяч.

Интересно, что большинство получателей гранта — люди искусства и специалисты в гуманитарных областях. Компания очень пёстрая: автор графических романов Джин Луэн Янг, поэтесса Клодия Ранкин, абстрактный скульптор Винсент Фикто, лингвист Дэрил Болдуин, ответственный за возрождение языка, на котором говорили индейцы Майами.

Обычного учёного было бы странно видеть в таком окружении, но Пракаш — особый случай: его работа способна по-настоящему вдохновлять. Учёный пока не сообщил, на что собирается потратить грант, — видимо, об этом мы узнаем очень скоро.

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: