在世(shi)界上瘧疾病例最多(duo)的(de)國(guo)家烏干(gan)達，很多(duo)醫護人員需(xu)要承擔(dan)幾乎(hu)無止境的(de)瘧疾檢測(ce)工作。

這項(xiang)(xiang)工作是耗時費力(li)的(de)。首先(xian)，技術人員將血樣涂(tu)在載玻(bo)片上，進行染色處理，然(ran)后通過顯微鏡慢(man)慢(man)識(shi)別含有瘧(nve)(nve)原蟲(chong)的(de)細胞，之后用手持記(ji)錄儀記(ji)錄一(yi)共(gong)觀察到(dao)了多(duo)少只寄生蟲(chong)。這項(xiang)(xiang)過程(cheng)通常需要耗費 30 分(fen)鐘到(dao)一(yi)個(ge)小時。在瘧(nve)(nve)疾肆(si)掠的(de)烏干達，一(yi)個(ge)健康中心(xin)一(yi)天(tian)可能要接待幾十個(ge)病人，醫學檢驗人員不得不連續十幾個(ge)小時盯著顯微鏡，并且(qie)一(yi)刻(ke)都(dou)不能分(fen)心(xin)。

Manu Prakash 發現了這個問題。這位出生于印度，在斯坦福大學任教的生物物理學家，以為貧困地區發明廉價科學設備而知名。不過這次他意識到，僅(jin)有廉價是不(bu)夠的(de)，他發(fa)明(ming)的(de)設備還(huan)需(xu)要足(zu)夠的(de)快。

Manu Prakash 和他的同事 Hongquan Li 發明了一款能讓使用者自(zi)行組裝的瘧(nve)疾快速檢測(ce)顯微鏡(jing)——“Octopi”。Octopi 包含一個人工智能識別系統，擁有一個被兩萬多張包含瘧原蟲圖像訓練過的神經網絡。目前，Octopi 可以自動掃描含有瘧原蟲的血液涂片。

結合(he)自動玻片掃描和圖像處理(li)，Octopi 每分鐘可篩查(cha)超(chao)過 150 萬個感染紅細胞，比人工(gong)傳統顯微鏡(jing)的(de)分析速(su)度快(kuai) 120 倍(bei)。它的(de) DIY 成本在 250 美元(yuan)到 500 美元(yuan)之(zhi)間，比許多掃(sao)描顯(xian)微鏡和基本的自動玻片(pian)分(fen)析設備都要便宜。此外，Octopi 擁有(you)優秀的便攜性，重量(liang)不到 3 公斤，還(huan)可以通(tong)過手機充電(dian)器充電(dian)。

與傳統顯微鏡不同，Octopi 沒有目(mu)鏡，它用磁力將其獨立的(de)照明(ming)、掃(sao)描和(he)處(chu)理單元(yuan)連接在(zai)一起。由(you)于 Octopi 可(ke)組裝的(de)特性，技術(shu)人員可(ke)以在(zai)低放(fang)大率(lv)和(he)高放(fang)大率(lv)兩個模式(shi)之間自由(you)切換，前者(zhe)可(ke)以有效地(di)(di)在(zai)玻(bo)片上找到寄(ji)生(sheng)蟲(chong)(chong)，后(hou)者(zhe)可(ke)以更靈敏地(di)(di)在(zai)熱點區域內計(ji)數(shu)。這項計(ji)數(shu)功能(neng)還解(jie)決了現有瘧原蟲(chong)(chong)快速(su)檢(jian)測方法中不能(neng)計(ji)算(suan)寄(ji)生(sheng)蟲(chong)(chong)的(de)數(shu)量(liang)的(de)難(nan)題。因(yin)為計(ji)算(suan)寄(ji)生(sheng)蟲(chong)(chong)數(shu)量(liang)對(dui)于判斷患者(zhe)的(de)感染程度并選擇治療方法十分重要。

Octopi 還可以在不同(tong)類型的(de)成像(xiang)之間(jian)進行(xing)切換，從基本成像(xiang)(明(ming)場成像(xiang)下的(de)玻(bo)片)，到更(geng)復雜的(de)成像(xiang)(熒光(guang)(guang)染色(se)處理(li)后(hou)(hou)的(de)玻(bo)片)。對(dui)于瘧疾(ji)來(lai)說(shuo)(shuo)，后(hou)(hou)者至關重(zhong)要(yao)，因為發明(ming)人之一 Hongquan Li 發現(xian)熒光(guang)(guang)染色(se)后(hou)(hou)瘧原蟲的(de)顏色(se)（藍(lan)綠色(se)）與周圍(wei)血細(xi)胞(bao)的(de)顏色(se)（藍(lan)色(se)）差異很小——人類肉(rou)眼分(fen)辨(bian)有一定困難(nan)，但對(dui) Octopi 來(lai)說(shuo)(shuo)卻是顯而易見的(de)。起初，“我們以為 Octopi 認錯了，” Manu Prakash 說(shuo)(shuo)，“但是寄生(sheng)蟲發出的(de)熒光(guang)(guang)確實和血細(xi)胞(bao)不同(tong)。”

Octopi 項目公開后(hou)在網(wang)上廣(guang)受好評，相關。目前 Prakash 正(zheng)在將(jiang)該設(she)(she)備引入秘魯、烏干達和印度的(de)臨(lin)床試(shi)驗。“瘧疾診(zhen)斷(duan)是費時(shi)的(de)，”西班牙 IPBLN－CSIC 的(de)瘧疾研(yan)究員 Elena Gomez-Diaz 評價，“這項設(she)(she)備以可(ke)承受(shou)的(de)成本(ben)，使整(zheng)個過程自動(dong)化。”

Prakash 做這項發明(ming)的(de)目的(de)并不(bu)是取代技(ji)術人(ren)員，而是想讓(rang)他們工(gong)作(zuo)得更加(jia)輕松。由(you)于(yu) Octopi 的(de)可組裝性，它可以很(hen)容易地通過重新配置來(lai)檢測其他疾病(bing)。目前，Prakash 的(de)團隊已使用(yong) Octopi 來(lai)研究引(yin)起肺結核和(he)肺炎(yan)的(de)細(xi)菌(jun)，以及引(yin)發昏睡(shui)病(bing)和(he)利什曼病(bing)的(de)寄(ji)生蟲。

為(wei)了能讓更多人(ren)學會(hui)組(zu)裝 Octopi，團隊(dui)免(mian)費提(ti)供(gong)了組(zu)裝說明和代碼，前提(ti)是利(li)用 Octopi 收集(ji)的所有(you)數(shu)據都必須公開(kai)，來實現這一裝置的普及。

Prakash 設想了這樣(yang)一個未來：世(shi)界各地的(de)衛生工作(zuo)者利用廉價的(de)自動化顯微鏡通(tong)過網(wang)絡在線診斷傳染病，然(ran)后通(tong)過 Octopi 社區(qu)收集(ji)的(de)數(shu)據不(bu)斷改進現有的(de)識別(bie)算(suan)法。

“如果你(ni)喜歡(huan)機器人、生(sheng)物學，并想解決這些方面的問題(ti)，就(jiu)要(yao)將(jiang)這些問題(ti)綜合起來考慮！”他在 Twitter 上說，“自(zi)己動手做工具吧(ba)，這樣就(jiu)能將(jiang)它們應用(yong)到(dao)你(ni)關(guan)心的問題(ti)上。”

Octopi 并不是 Prakash 發明的第一款顯微鏡。此(ci)前，只要一美(mei)元的紙質顯微(wei)鏡“Foldscope”的發(fa)明(ming)讓(rang)他得以聞(wen)名。

Foldscope 是(shi)通過一(yi)(yi)系列折(zhe)紙(zhi)式(shi)折(zhe)疊單(dan)元組成的(de)一(yi)(yi)張書簽大小的(de)手持顯微鏡(jing)(jing)。它的(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)是(shi)位于紙(zhi)張中心的(de)塑(su)料(liao)小圓片，它能(neng)提供 140 倍的(de)放(fang)大倍率。Prakash 還為該(gai)套件提供了(le)一(yi)(yi)個放(fang)大倍率更高的(de)替換鏡(jing)(jing)頭(tou)和(he)一(yi)(yi)組粘貼式(shi)磁鐵，可將 Foldscope 連(lian)接到智能(neng)手機(ji)，以便(bian)用手機(ji)攝像頭(tou)輕松記錄樣品圖(tu)像。

此外(wai)，Prakash 還發明(ming)了一系列的“黑科技”。比如 20 美分的“紙片(pian)離心機”（Paperfuge）。這種人工離心(xin)機僅由(you)紙片(pian)、繩(sheng)子(zi)、塑料組成，能在(zai)一分(fen)半鐘的時(shi)間(jian)內將血液根(gen)據(ju)成分(fen)離心(xin)分(fen)層，轉(zhuan)速(su)能達到每分(fen)鐘 125000 轉(zhuan)。

此外，還有售價 10 美元、可以檢測使用者(zhe)是否感染(ran)寄生蟲(chong)的皮(pi)膚貼片（skin patch）——這是(shi)(shi)一(yi)種電磁貼(tie)片，可以(yi)(yi)非侵入性地檢(jian)(jian)測受感(gan)染患(huan)者體內(nei)的(de)(de)活(huo)寄生蟲。比(bi)如(ru)，導致盤尾絲蟲病或(huo)“河盲癥”的(de)(de)寄生蟲。目前“河盲癥”的(de)(de)診斷方(fang)法需要使用(yong)昂貴的(de)(de)超聲(sheng)設(she)備(bei)來確定(ding)寄生蟲是(shi)(shi)否在皮(pi)(pi)膚(fu)或(huo)淋巴結內(nei)存活(huo)，而皮(pi)(pi)膚(fu)貼(tie)片只需要一(yi)個創可貼(tie)大小(xiao)的(de)(de)貼(tie)片內(nei)置傳感(gan)器(qi)：當蠕(ru)蟲在皮(pi)(pi)膚(fu)下蠕(ru)動或(huo)形成鈣化(hua)囊腫(zhong)時，傳感(gan)器(qi)可以(yi)(yi)檢(jian)(jian)測微小(xiao)的(de)(de)電變(bian)化(hua)。

在這眾多“黑科技”發明的(de)背后是 Prakash 對能普(pu)遍適用的(de)“節儉科(ke)學(xue)”的擁護。“節儉(jian)科學”致力于創造(zao)低成本、易于使(shi)用的工(gong)具，主要解決(jue)在發展中國家存在的資源不足問題。

“可操作性是科學面臨的(de)一(yi)個挑戰(zhan)。所以我問(wen)自己：怎(zen)樣才(cai)能(neng)讓盡可能(neng)廣泛(fan)的(de)人群更好地獲(huo)得真正的(de)科學支持？我們試圖制造成本(ben)更低的工具，并且它們在功能上仍然能與(yu)其他同類科學儀器競爭。” Prakash 說。

Octopi 的(de)命名就(jiu)強調了節儉的(de)重要性。這個名字代表著“開(kai)放的(de)、可配置的(de)、高吞吐量的(de)傳染(ran)病平臺”。像章魚（octopus）一樣，這款(kuan)顯微(wei)鏡十(shi)分(fen)萬(wan)能(neng)，可能(neng)你會說這個以“pi”結尾的(de)單詞是“octopus”的(de)復數形式(shi)沒拼(pin)對，但(dan)它是對“節儉科學”倡(chang)議(yi)者 Raspberry pi 的(de)一種致(zhi)敬——一種只有信用卡大小且成本只有 5 美(mei)元(yuan)的(de)。

“節儉(jian)科學”的想法是(shi)(shi)很美好的。但這(zhe)些低成本科研工具的成功(gong)最終還是(shi)(shi)取決(jue)于用戶如何使(shi)用它。很多節儉(jian)科學工具的發(fa)明(ming)者在貫徹“節儉(jian)原則”的過程中發(fa)現，有時他們很難預測(ce)在一(yi)(yi)個相對不那(nei)么發(fa)達的社會中可能出現的問題。比如，曾有一(yi)(yi)項微流(liu)體技術(shu)的測(ce)試(shi)(shi)環境是(shi)(shi)為(wei)美國有空調的實驗室設計的，但實施該測(ce)試(shi)(shi)的印度(du)實驗室卻只有吊扇，發(fa)明(ming)團隊不得不更改它的保護性包裝。

因(yin)此(ci)，因(yin)地制宜、將一項經過實驗(yan)室驗(yan)證的(de)發明轉化為能被當(dang)地人使用的(de)實用工(gong)具(ju)至關重要(yao)。Prakash 認(ren)為，應該培養工(gong)具(ju)使用者(zhe)的(de)主觀能動性。這(zhe)也是他(ta)設計的(de)工(gong)具(ju)都是模塊化、可組裝的(de)原因(yin)，“你可以(yi)把它(ta)拆開，然后把它(ta)按照自己的想法組裝起來(lai)，這一點非常(chang)重要”。

Foldscope 證明了這一(yi)點。Prakash 目前已經向 130 個國家(jia)提供了近 8 萬臺(tai)這種(zhong)折疊式顯微(wei)鏡，并發現(xian)了很多沒有預料到的(de)用(yong)途，“尼(ni)日利亞的(de)一(yi)個孩子(zi)使用(yong) Foldscope 來(lai)檢測假幣，印(yin)度的(de)農民(min)使用(yong)它來識別(bie)植(zhi)物中(zhong)的病原(yuan)體來幫助自己及時清除(chu)患病作物(wu)。”

“你無法控制使用者的創意。” Prakash 說，“我們不做導(dao)師(shi)，生(sheng)活才是他們的導(dao)師(shi)。”

論文原文：

參考鏈(lian)接：

//www.theatlantic.com/science/archive/2019/08/cheap-automatic-microscope-could-change-how-diseases-are-detected/596440/

//www.hhmi.org/stories/qa-manu-prakash-philosophy-frugal-science

//www.newyorker.com/magazine/2015/12/21/through-the-looking-glass-annals-of-science-carolyn-kormann

//engineering.stanford.edu/magazine/article/stanford-bioengineer-developing-skin-patch-test-worms

//techxplore.com/news/2017-01-whirligig-toy-bioengineers-cent-hand-powered.html