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玩樂高還能發(fā)表論文？硬核科學(xué)家是這樣用樂高做科研的

狂丸科學(xué)

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對(duì)于科學(xué)家來說，推動(dòng)科技進(jìn)步的過程充滿了艱辛，很多研究項(xiàng)目過于枯燥，需要他們連續(xù)幾天甚至幾周時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室里重復(fù)進(jìn)行同一項(xiàng)操作；而且其中有些實(shí)驗(yàn)的開銷還非常高。所以，有沒有什么方案能夠解決這些問題？

對(duì)此，一些喜歡思(mō)考 (yú)的科學(xué)家們還真就找了一個(gè)有趣的解決辦法：為什么不在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，玩一會(huì)兒樂高呢？

沒錯(cuò)，很多科學(xué)家已經(jīng)開始嘗試把樂高玩具當(dāng)做實(shí)驗(yàn)工具。劍橋大學(xué)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一項(xiàng)人造骨骼的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)制作骨骼的枯燥過程快把他們逼瘋了：整個(gè)過程需要將一個(gè)物件浸入裝有鈣和蛋白質(zhì)的燒杯，然后取出清洗干凈，再浸入另外一個(gè)裝有磷酸鹽的燒杯，再重復(fù)多次。

制作這樣一個(gè)樣品可能需要好幾個(gè)小時(shí)，期間你只能機(jī)械地將樣品從一個(gè)燒杯移到另外一個(gè)燒杯。為了將自己從這片無聊的地獄中解放出來，團(tuán)隊(duì)中的機(jī)械工程博士Daniel Strange（你也是奇異博士？）決心將這個(gè)工序自動(dòng)化。

對(duì)于「奇異博士」來說，想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有連個(gè)選擇，一是到市面上購買昂貴的儀器。

或者干脆自己去買樂高做2個(gè)機(jī)器人。

因?yàn)橹谱鳂悠返墓ば蚓褪呛唵蔚摹?strong>放下樣品-等待-提起樣品-旋轉(zhuǎn)」，所以制作兩個(gè)樂高機(jī)器人來取代這種無聊的重復(fù)勞動(dòng)，對(duì)于工程博士來說完全就是小菜一碟。

不過，「奇異博士」用到的樂高可不是我們平時(shí)接觸到的那種款式，這2個(gè)自動(dòng)化機(jī)器人采用的是Lego Mindstorms「樂高機(jī)器人」平臺(tái)。該平臺(tái)集合了可編程主機(jī)、電動(dòng)馬達(dá)、傳感器、Lego Technic的部分（齒輪、輪軸、橫梁、插銷）。

基于NXT平臺(tái)的樂高機(jī)器人

根據(jù)「奇異博士」的說法，他使用套件附帶的NXT-G圖形語言來編程他的機(jī)器人，讓它們實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

只需要下達(dá)一個(gè)簡單的指令，它們就能非常精確地反復(fù)執(zhí)行這些操作，這時(shí)候研究人員可以把多出來的時(shí)間用于其他更有價(jià)值的工作上。

至于熬夜加班制作實(shí)驗(yàn)樣品什么的，還是讓這些不知疲倦的樂高機(jī)器人去做吧。

樂高除了能夠幫助研究人員「加班」，還能用來替代一些昂貴的實(shí)驗(yàn)器材。我們知道樂高的價(jià)格并不低，但是相比于昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，樂高的價(jià)格可以說能讓科研人員們偷著樂了。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們?cè)谑″X這個(gè)方面就頗有心得——他們用樂高建立了一個(gè)微流體實(shí)驗(yàn)室。目前這個(gè)樂高實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)的研究獎(jiǎng)學(xué)金。

對(duì)于微流體領(lǐng)域的科學(xué)家來說，精確就是一切，所以他們會(huì)使用一種叫做LOC（Lab-on-a-chip）的設(shè)備來對(duì)流體分類、混合、泵送。但是這種微流體設(shè)備的原型設(shè)計(jì)十分困難，不僅耗時(shí)耗力，還很貴。

LOC，來源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

為了能夠更有效率和低成本的實(shí)現(xiàn)微流體的控制，麻省理工的科學(xué)家們決定用樂高將這個(gè)平臺(tái)模塊化：將單個(gè)操作分配給單個(gè)模塊，這樣一來就可以根據(jù)需要來組合出想要的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)了。

樂高積木是可用于構(gòu)建模塊化系統(tǒng)的最均勻的材料，在每百萬件的樂高零件中，不良品率非常低。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授AnastasiosJohn Hart說，樂高積木的長度和典型的微流體芯片一樣長，是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的完美模板。

研究人員首先使用了一種被稱為「微銑削」的技術(shù)，在樂高積木上刻出了約500微米寬的通道——大概相當(dāng)于你4、5根頭發(fā)并列的寬度。

然后，他們用一種透明薄膜將刻出來的通道密封起來。

最后，將制作好的積木組裝成一個(gè)流體實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)液體成功的流過通道的時(shí)候，就說明樂高作為微流體模塊是可行的。

為了滿足不同的功能需要，他們用同樣的技術(shù)又制作了T型通道和Y型通道的模塊。這樣一來無論是分流還是混合都能通過組裝模塊來實(shí)現(xiàn)了。

但還有一個(gè)最大的問題：雖然樂高積木被設(shè)計(jì)成能緊密扣接在一起，但仍然會(huì)在接口處產(chǎn)生微小的縫隙——尺寸在100-500微米之間。這樣一來液體很可能會(huì)漏出來。

不過研究團(tuán)隊(duì)也找到了解決方法。他們將每個(gè)積木的入口或出口位置刻成圓形，再將一個(gè)O型環(huán)安裝進(jìn)去，這樣一來兩個(gè)積木拼在一起的時(shí)候O型環(huán)就會(huì)被壓縮形成密閉的空間。漏水的問題就解決了。

除了麻省理工的科學(xué)家外，愛荷華大學(xué)的樂高愛好者們也開發(fā)了一種利用樂高做實(shí)驗(yàn)的方法，不過他們的用法比較接地氣——用樂高來種菜。

對(duì)于植物學(xué)家和農(nóng)學(xué)家來說，了解土壤對(duì)植物根系的影響，能有助于提高作物的產(chǎn)量。

但是植物的生長是一個(gè)變化跨度很大的過程，科學(xué)家們也許需要建立100個(gè)不同受控環(huán)境下的樣本，每個(gè)樣本還要給植物留下足夠的生長空間，因此實(shí)驗(yàn)工具是最大的問題所在。

來源：flickr

為了解決這個(gè)問題，愛荷華大學(xué)選擇了一款透明的樂高組件來作為實(shí)驗(yàn)工具。這款透明的樂高由聚碳酸酯制成，可以進(jìn)行消毒處理，具有一定的化學(xué)惰性，因此不易與周圍的材料發(fā)生反應(yīng)，所以非常適合用于生物工作。

它們可以被組裝不同尺寸的植物容器，用于滿足不同的實(shí)驗(yàn)需要，然后往里面放入凝膠或其他的土壤替代品，就成了一個(gè)可以用于觀測的實(shí)驗(yàn)儀器了。

這種模塊化的結(jié)構(gòu)可以幫助研究人員構(gòu)筑不同的環(huán)境變量，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)候，科學(xué)家還可以將它們進(jìn)行拆分消毒，然后用到下一次的實(shí)驗(yàn)中去。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的樂高成本為每個(gè)3.1美元，已經(jīng)使用兩年了。

這算不算高端花盆？

除了這種專業(yè)正規(guī)的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)，還有一些獨(dú)立的個(gè)人實(shí)驗(yàn)也用到了樂高。

Donald Pettit曾擔(dān)任洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，現(xiàn)在是一名NASA宇航員，他在2012年的時(shí)候完成了一項(xiàng)史無前例的壯舉——在國際空間站上摸魚玩樂高，然后用樂高做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后還寫了一篇論文發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上。

這就是班上跟我一樣喜歡玩，還能考試拿第一的同學(xué)嗎？

Pettit在空間站上每天要工作14個(gè)小時(shí)，在其他的時(shí)間里，他喜歡做自己的事情，比如說自己設(shè)計(jì)一些小實(shí)驗(yàn)。他這么做并沒有什么特別的原因，就是因?yàn)樗袝r(shí)間，而且剛好在太空里。

Pettit用憤怒的小鳥氣球演示微重力

這一次，他拿出了官方的NASA空間站版樂高積木。

想要！

然后把官方的使用指南扔到了一邊，自己做了一個(gè)范德格拉夫起電機(jī)。

樂高說明書是什么，能吃嗎？

這是一種用來產(chǎn)生靜電高壓的裝置，由美國物理學(xué)家羅伯特·范德格拉夫發(fā)明，典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)長這樣：

Pettit的這個(gè)樂高版范德格拉夫起電機(jī)能夠產(chǎn)生80毫米的火花，他決定用這個(gè)玩具來做一個(gè)電荷對(duì)水滴的影響實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)通過將去離子化的水放在起電機(jī)的電荷收集裝置上，然后觀察水滴變成錐形。這一現(xiàn)象最早被英國物理學(xué)家杰弗里·泰勒爵士在理論上描述，所以也被稱為「泰勒錐」。

水滴的形狀一開始由表面張力所影響，當(dāng)電壓增加后，液體中的同性電荷會(huì)在表面聚集，這種電場施加的影響會(huì)讓半圓形的液體變成錐形。當(dāng)電壓增加到一個(gè)閾值的時(shí)候，錐體的尖端還會(huì)射出一道細(xì)流，這種原理也被用于噴墨打印機(jī)。

不過由于重力的關(guān)系，Pettit用樂高起電機(jī)制作的泰勒錐比地球上大了100倍。

泰勒錐的大?。╝)地球環(huán)境(b)國際空間站 (c)微重力環(huán)境

本來這個(gè)摸魚的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該就這么結(jié)束了，但是新澤西大學(xué)的化學(xué)工程教授Boris Khusid對(duì)他的這個(gè)實(shí)驗(yàn)很感興趣。因?yàn)樗惨恢痹趶氖骂愃频墓ぷ?，但是Boris Khusid沒有條件到太空去做實(shí)驗(yàn)，而Pettit有沒有時(shí)間在地球上做實(shí)驗(yàn)。所以他倆一拍即合，將兩個(gè)人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起發(fā)表了一篇論文。

就這樣NASA宇航員摸魚玩樂高，居然還寫文章發(fā)了期刊，所以......我們玩的真是同一個(gè)東西嗎？