如果要給科研實驗室的日常使用的神器排個名次，離心機必定是前三。目前為止，我還沒有見過哪個材料、化學和醫學實驗室沒有離心機。在材料化學領域，離心機可以分離納米材料或者結晶體。在生物醫學領域，離心機可于分離血液成分，使病原體更易于檢測。一臺冷凍高速離心機價格一般要到10萬元以上，一臺常規的離心機也要1萬元左右。就是這樣稀松平常的科研儀器，卻還是有很多地方都用不起。佐治亞理工的生物工程師Saad Bhamla專門研究服務于經濟落后地區的低成本的診斷工具。當他還在斯坦福大學讀博士的時候發現，在烏干達的鄉村診所，想要使用常規的離心機并不現實，太貴了，而且很多地方沒有電，人們需要一種新型的廉價的離心機，可以在沒有電的地區運行。全世界有十億多人沒有基礎設施，沒有道路，沒有電力。如果我們想徹底解決像瘧疾診斷這樣的關鍵問題，就需要設計一種離心機，并且其成本可以低于一杯咖啡。在現代診斷中，有害分子的分離對于快速診斷測試的準確性和可靠性至關重要，這些工具旨在檢測瘧疾，人類免疫缺陷病毒和結核病等疾病的低水平感染。典型的離心機中，液體樣品在電動旋轉滾筒中旋轉。當滾筒旋轉時，離心力通過密度將流體分離成樣品管內的層。就血液而言，較重的紅細胞聚集在試管的底部，含水血漿漂浮在頂部，寄生蟲（如那些引起瘧疾的寄生蟲）則在中間沉降。當前，由于常規機器體積大，價格昂貴且必須由電力驅動，因此在現場條件下通常無法進行離心分離。不需要點就能離心分離生物組成的需求，促使研究人員把蛋器和沙拉紡絲器提上議程。但是，它們的設計笨重且轉速極低，導致血漿分離的離心時間（> 10分鐘）不切實際。科學家就是這么腦洞大開，突然有一天，Saad Bhamla想到了陀螺。陀螺的基本原理：將麻線來回穿過陀螺上的兩個孔，抓住末端，然后有節奏地拉動。隨著麻線盤繞和松開，陀螺以令人眼花亂的速度旋轉。利用相同的機械原理，Saad Bhamla創造了一種超低成本，不需要用電，僅靠人力驅動的紙質離心機。該離心機由麻線和塑料制成，重量只有2 g，成本僅有20美分，轉速可以達到125,000 rpm，離心力高達30,000 Gs，只要1.5分鐘就能分離血液中的各個成分。斯坦福大學生物工程學助理教授Manu Prakash說：“據我所知，它是由人力驅動的最快的旋轉物體。”離心機對于檢測諸如瘧疾，非洲昏睡病，HIV和結核病等疾病至關重要，這種低成本的離心機可以在這些疾病最普遍的貧困，偏僻的地區幫助精確的診斷和治療。話說某一天晚上，Saad Bhamla正在玩紐扣和繩子。出于好奇，他安裝了一個高速攝像頭，以監測紐扣陀螺旋轉的速度。簡直不敢相信自己的眼睛，Bhamla發現紐扣旋轉速度為10,000到15,000 rpm。經過兩周的原型制作，他將血液毛細管裝在紙盤陀螺儀上，發現能夠將血液離心成多層。在他進入實驗的下一步之前，他和Prakash決定首先解決一個沒人問過的科學問題：陀螺儀實際上是如何工作的？Bhamla從MIT和Stanford招募了三名工程學本科生，來建立涉筆工作原理的數學模型。他們創建了一個計算機仿真程序來捕獲設計變量，例如圓盤尺寸，琴弦彈性和拉力。他們還借鑒了超螺旋DNA鏈的物理學方程式，以了解手的力量如何從纏繞的弦上運動來驅動旋轉的圓盤。一旦工程師針對真實的原型性能驗證了他們的模型，他們便能夠創建轉速高達125,000 rpm的原型機，其轉速大大高于其第一批原型。通過優化蜂鳴器以進行高速操作，并使用人手驅動蜂鳴器，旋轉速度提高了大約兩個數量級。同時，他們提高了設備的安全性，并開始測試可用于現場測試的配置。試驗中他們發現，瘧疾寄生蟲可以在15分鐘內與紅細胞分離。紙質離心機的簡單性和耐用性，使其可以使用紙以外的材料（包括木材，塑料和聚合物）來設計和構造設備。使用臺式3D打印機，可以快速打印重量輕（20克）的各種“3D-fuges”原型，它們以大約10,000 r.p.m的速度旋轉，這使得這種離心機的數百萬臺級別規?；圃斐蔀榱丝赡?。Saad Bhamla長期致力于節儉科學的研究，在節儉的設計理念下，他們重新思考傳統的醫療設備，以降低成本并將技術帶出實驗室，帶到資源貧乏地區的醫護人員手中。第一次，他們發明了一種功能齊全紙質顯微鏡，成本不到一美元，可用于診斷血液傳播疾病，例如瘧疾，非洲昏睡病和恰加斯病。迄今為止，世界各地的人們手中有50,000張折疊鏡，并且一家衍生公司最近發起了Kickstarter廣告系列，以增加100萬張。第二次，他們發明了一種價值5美元的可編程兒童化學套裝，靈感來自手搖音樂盒，可以在現場執行精確的化學分析。Prakash的夢想是，這些工具將使世界上最偏遠地區的衛生工作者，現場生態學家和兒童能夠在背包中攜帶完整的實驗室。第三次，他們發明了一種成本一美元的助聽器。只有火柴盒大小，戴起來就像項鏈一樣。這種廉價的設備，它可以幫助數百萬因年齡增長而喪失聽力的人恢復聽力，而所需的價格卻比一瓶水的價格還要低。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
