上班摸鱼玩乐高也能发论文？硬核科学家都这么玩

iamkfeng

对于科学家来说，推动科技进步的过程充满了艰辛，很多研究项目过于枯燥，需要他们连续几天甚至几周时间在实验室里重复进行同一项操作；而且其中有些实验的开销还非常高。所以，有没有什么方案能够解决这些问题？

　　对此，一些喜欢思（mō）考 （yú）的科学家们还真就找了一个有趣的解决办法：为什么不在做实验的时候，玩一会儿乐高呢？

　　没错，很多科学家已经开始尝试把乐高玩具当做实验工具。剑桥大学的一个科研团队正在进行一项人造骨骼的实验，这个制作骨骼的枯燥过程快把他们逼疯了：整个过程需要将一个物件浸入装有钙和蛋白质的烧杯，然后取出清洗干净，再浸入另外一个装有磷酸盐的烧杯，再重复多次。

　　制作这样一个样品可能需要好几个小时，期间你只能机械地将样品从一个烧杯移到另外一个烧杯。为了将自己从这片无聊的地狱中解放出来，团队中的机械工程博士Daniel Strange（你也是奇异博士？）决心将这个工序自动化。

　　对于‘奇异博士’来说，想要实现自动化有连个选择，一是到市面上购买昂贵的仪器。

　　或者干脆自己去买乐高做2个机器人。

　　因为制作样品的工序就是简单的‘放下样品-等待-提起样品-旋转’，所以制作两个乐高机器人来取代这种无聊的重复劳动，对于工程博士来说完全就是小菜一碟。

　　不过，‘奇异博士’用到的乐高可不是我们平时接触到的那种款式，这2个自动化机器人采用的是Lego Mindstorms‘乐高机器人’平台。该平台集合了可编程主机、电动马达、传感器、Lego Technic的部分（齿轮、轮轴、横梁、插销）。

基于NXT平台的乐高机器人

　　根据‘奇异博士’的说法，他使用套件附带的NXT-G图形语言来编程他的机器人，让它们实现了自动化。

　　只需要下达一个简单的指令，它们就能非常精确地反复执行这些操作，这时候研究人员可以把多出来的时间用于其他更有价值的工作上。

　　至于熬夜加班制作实验样品什么的，还是让这些不知疲倦的乐高机器人去做吧。

　　乐高除了能够帮助研究人员‘加班’，还能用来替代一些昂贵的实验器材。我们知道乐高的价格并不低，但是相比于昂贵的实验仪器，乐高的价格可以说能让科研人员们偷着乐了。

　　麻省理工学院的科学家们在省钱这个方面就颇有心得——他们用乐高建立了一个微流体实验室。目前这个乐高实验室的设计已经获得了美国国家科学基金会的研究奖学金。

　　对于微流体领域的科学家来说，精确就是一切，所以他们会使用一种叫做LOC（Lab-on-a-chip）的设备来对流体分类、混合、泵送。但是这种微流体设备的原型设计十分困难，不仅耗时耗力，还很贵。

LOC，来源：橡树岭国家实验室

　　为了能够更有效率和低成本的实现微流体的控制，麻省理工的科学家们决定用乐高将这个平台模块化：将单个操作分配给单个模块，这样一来就可以根据需要来组合出想要的实验室平台了。

　　乐高积木是可用于构建模块化系统的最均匀的材料，在每百万件的乐高零件中，不良品率非常低。麻省理工学院机械工程副教授AnastasiosJohn Hart说，乐高积木的长度和典型的微流体芯片一样长，是实现模块化设计的完美模板。

　　研究人员首先使用了一种被称为‘微铣削’的技术，在乐高积木上刻出了约500微米宽的通道——大概相当于你4、5根头发并列的宽度。

然后，他们用一种透明薄膜将刻出来的通道密封起来。

　　最后，将制作好的积木组装成一个流体实验室。当液体成功的流过通道的时候，就说明乐高作为微流体模块是可行的。

　　为了满足不同的功能需要，他们用同样的技术又制作了T型通道和Y型通道的模块。这样一来无论是分流还是混合都能通过组装模块来实现了。

　　但还有一个最大的问题：虽然乐高积木被设计成能紧密扣接在一起，但仍然会在接口处产生微小的缝隙——尺寸在100-500微米之间。这样一来液体很可能会漏出来。

　　不过研究团队也找到了解决方法。他们将每个积木的入口或出口位置刻成圆形，再将一个O型环安装进去，这样一来两个积木拼在一起的时候O型环就会被压缩形成密闭的空间。漏水的问题就解决了。

　　除了麻省理工的科学家外，爱荷华大学的乐高爱好者们也开发了一种利用乐高做实验的方法，不过他们的用法比较接地气——用乐高来种菜。

　　对于植物学家和农学家来说，了解土壤对植物根系的影响，能有助于提高作物的产量。

　　但是植物的生长是一个变化跨度很大的过程，科学家们也许需要建立100个不同受控环境下的样本，每个样本还要给植物留下足够的生长空间，因此实验工具是最大的问题所在。

　　为了解决这个问题，爱荷华大学选择了一款透明的乐高组件来作为实验工具。这款透明的乐高由聚碳酸酯制成，可以进行消毒处理，具有一定的化学惰性，因此不易与周围的材料发生反应，所以非常适合用于生物工作。

　　它们可以被组装不同尺寸的植物容器，用于满足不同的实验需要，然后往里面放入凝胶或其他的土壤替代品，就成了一个可以用于观测的实验仪器了。

　　这种模块化的结构可以帮助研究人员构筑不同的环境变量，当实验结束的时候，科学家还可以将它们进行拆分消毒，然后用到下一次的实验中去。研究团队表示，他们的乐高成本为每个3.1美元，已经使用两年了。

这算不算高端花盆？

　　除了这种专业正规的团队实验，还有一些独立的个人实验也用到了乐高。

　　Donald Pettit曾担任洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家，现在是一名NASA宇航员，他在2012年的时候完成了一项史无前例的壮举——在国际空间站上摸鱼玩乐高，然后用乐高做了一个实验，最后还写了一篇论文发表在学术期刊上。

这就是班上跟我一样喜欢玩，还能考试拿第一的同学吗？

　　Pettit在空间站上每天要工作14个小时，在其他的时间里，他喜欢做自己的事情，比如说自己设计一些小实验。他这么做并没有什么特别的原因，就是因为他有时间，而且刚好在太空里。

Pettit用愤怒的小鸟气球演示微重力

　　这一次，他拿出了官方的NASA空间站版乐高积木。

想要！

　　然后把官方的使用指南扔到了一边，自己做了一个范德格拉夫起电机。

　　这是一种用来产生静电高压的装置，由美国物理学家罗伯特·范德格拉夫发明，典型的内部结构长这样：

　　Pettit的这个乐高版范德格拉夫起电机能够产生80毫米的火花，他决定用这个玩具来做一个电荷对水滴的影响实验。

　　这个实验通过将去离子化的水放在起电机的电荷收集装置上，然后观察水滴变成锥形。这一现象最早被英国物理学家杰弗里·泰勒爵士在理论上描述，所以也被称为‘泰勒锥’。

　　水滴的形状一开始由表面张力所影响，当电压增加后，液体中的同性电荷会在表面聚集，这种电场施加的影响会让半圆形的液体变成锥形。当电压增加到一个阈值的时候，锥体的尖端还会射出一道细流，这种原理也被用于喷墨打印机。

　　不过由于重力的关系，Pettit用乐高起电机制作的泰勒锥比地球上大了100倍。

泰勒锥的大小（a）地球环境（b）国际空间站 （c）微重力环境

　　本来这个摸鱼的实验应该就这么结束了，但是新泽西大学的化学工程教授Boris Khusid对他的这个实验很感兴趣。因为他也一直在从事类似的工作，但是Boris Khusid没有条件到太空去做实验，而Pettit有没有时间在地球上做实验。所以他俩一拍即合，将两个人的实验数据结合在一起发表了一篇论文。