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繼發明 1 美元的摺疊顯微鏡、20 美分的紙質離心機、10 美元的寄生蟲檢測貼片後，這位提倡「節儉科學」的印度裔生物物理學家 Manu Prakash 開始對人工智慧下手了。他和同事們最近開發了一種新的掃描顯微鏡 Octopi，比傳統顯微鏡分析速度快 120 倍。
圖片來源：Prakash Lab
撰文 魯婧涵
編輯 魏瀟
在世界上瘧疾病例最多的國家烏幹達，很多醫護人員需要承擔幾乎無止境的瘧疾檢測工作。
這項工作是耗時費力的。首先，技術人員將血樣塗在載玻片上，進行染色處理，然後通過顯微鏡慢慢識別含有瘧原蟲的細胞，之後用手持記錄儀記錄一共觀察到了多少只寄生蟲。這項過程通常需要耗費 30 分鐘到一個小時。在瘧疾肆掠的烏幹達，一個健康中心一天可能要接待幾十個病人，醫學檢驗人員不得不連續十幾個小時盯著顯微鏡，並且一刻都不能分心。
Manu Prakash 發現了這個問題。這位出生於印度，在史丹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，僅有廉價是不夠的，他發明的設備還需要足夠的快。
比人快 120 倍
Manu Prakash 和他的同事 Hongquan Li 發明了一款能讓使用者自行組裝的瘧疾快速檢測顯微鏡——「Octopi」。Octopi 包含一個人工智慧識別系統，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塗片。
結合自動玻片掃描和圖像處理，Octopi 每分鐘可篩查超過 150 萬個感染紅細胞，比人工傳統顯微鏡的分析速度快 120 倍。它的 DIY 成本在 250 美元到 500 美元之間，比許多掃描顯微鏡和基本的自動玻片分析設備都要便宜。此外，Octopi 擁有優秀的便攜性，重量不到 3 公斤，還可以通過手機充電器充電。
Octopi 組裝分解圖（來源：biorxiv 論文）
與傳統顯微鏡不同，Octopi 沒有目鏡，它用磁力將其獨立的照明、掃描和處理單元連接在一起。由於 Octopi 可組裝的特性，技術人員可以在低放大率和高放大率兩個模式之間自由切換，前者可以有效地在玻片上找到寄生蟲，後者可以更靈敏地在熱點區域內計數。這項計數功能還解決了現有瘧原蟲快速檢測方法中不能計算寄生蟲的數量的難題。因為計算寄生蟲數量對於判斷患者的感染程度並選擇治療方法十分重要。
Octopi 還可以在不同類型的成像之間進行切換，從基本成像(明場成像下的玻片)，到更複雜的成像(螢光染色處理後的玻片)。對於瘧疾來說，後者至關重要，因為發明人之一 Hongquan Li 發現螢光染色後瘧原蟲的顏色（藍綠色）與周圍血細胞的顏色（藍色）差異很小——人類肉眼分辨有一定困難，但對 Octopi 來說卻是顯而易見的。起初，「我們以為 Octopi 認錯了，」 Manu Prakash 說，「但是寄生蟲發出的螢光確實和血細胞不同。」
Octopi 項目公開後在網上廣受好評，相關論文也已在預印本平臺 biorxiv 發布。目前 Prakash 正在將該設備引入秘魯、烏幹達和印度的臨床試驗。「瘧疾診斷是費時的，」西班牙 IPBLN－CSIC 的瘧疾研究員 Elena Gomez-Diaz 評價，「這項設備以可承受的成本，使整個過程自動化。」
Prakash 做這項發明的目的並不是取代技術人員，而是想讓他們工作得更加輕鬆。由於 Octopi 的可組裝性，它可以很容易地通過重新配置來檢測其他疾病。目前，Prakash 的團隊已使用 Octopi 來研究引起肺結核和肺炎的細菌，以及引發昏睡病和利什曼病的寄生蟲。
為了能讓更多人學會組裝 Octopi，團隊免費提供了組裝說明和代碼，前提是利用 Octopi 收集的所有數據都必須公開，來實現這一裝置的普及。
Prakash 設想了這樣一個未來：世界各地的衛生工作者利用廉價的自動化顯微鏡通過網絡在線診斷傳染病，然後通過 Octopi 社區收集的數據不斷改進現有的識別算法。
「如果你喜歡機器人、生物學，並想解決這些方面的問題，就要將這些問題綜合起來考慮！」他在 Twitter 上說，「自己動手做工具吧，這樣就能將它們應用到你關心的問題上。」
節儉「黑科技」
Octopi 並不是 Prakash 發明的第一款顯微鏡。此前，只要一美元的紙質顯微鏡「Foldscope」的發明讓他得以聞名。
使用者手持Foldscope（來源：www.foldscope.com）
Foldscope 是通過一系列摺紙式摺疊單元組成的一張書籤大小的手持顯微鏡。它的鏡頭是位於紙張中心的塑料小圓片，它能提供 140 倍的放大倍率。Prakash 還為該套件提供了一個放大倍率更高的替換鏡頭和一組粘貼式磁鐵，可將 Foldscope 連接到智慧型手機，以便用手機攝像頭輕鬆記錄樣品圖像。
此外，Prakash 還發明了一系列的「黑科技」。比如 20 美分的「紙片離心機」（Paperfuge）。這種人工離心機僅由紙片、繩子、塑料組成，能在一分半鐘的時間內將血液根據成分離心分層，轉速能達到每分鐘 125000 轉。
紙片離心機（來源：Stanford University 官網）
此外，還有售價 10 美元、可以檢測使用者是否感染寄生蟲的皮膚貼片（skin patch）——這是一種電磁貼片，可以非侵入性地檢測受感染患者體內的活寄生蟲。比如，導致盤尾絲蟲病或「河盲症」的寄生蟲。目前「河盲症」的診斷方法需要使用昂貴的超聲設備來確定寄生蟲是否在皮膚或淋巴結內存活，而皮膚貼片只需要一個創可貼大小的貼片內置傳感器：當蠕蟲在皮膚下蠕動或形成鈣化囊腫時，傳感器可以檢測微小的電變化。
在這眾多「黑科技」發明的背後是 Prakash 對能普遍適用的「節儉科學」的擁護。「節儉科學」致力於創造低成本、易於使用的工具，主要解決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一個挑戰。所以我問自己：怎樣才能讓儘可能廣泛的人群更好地獲得真正的科學支持？我們試圖製造成本更低的工具，並且它們在功能上仍然能與其他同類科學儀器競爭。」 Prakash 說。
Octopi 的命名就強調了節儉的重要性。這個名字代表著「開放的、可配置的、高吞吐量的傳染病平臺」。像章魚（octopus）一樣，這款顯微鏡十分萬能，可能你會說這個以「pi」結尾的單詞是「octopus」的複數形式沒拼對，但它是對「節儉科學」倡議者 Raspberry pi 的一種致敬——一種只有信用卡大小且成本只有 5 美元的單板計算機。
源於生活，用於生活
「節儉科學」的想法是很美好的。但這些低成本科研工具的成功最終還是取決於用戶如何使用它。很多節儉科學工具的發明者在貫徹「節儉原則」的過程中發現，有時他們很難預測在一個相對不那麼發達的社會中可能出現的問題。比如，曾有一項微流體技術的測試環境是為美國有空調的實驗室設計的，但實施該測試的印度實驗室卻只有吊扇，發明團隊不得不更改它的保護性包裝。
因此，因地制宜、將一項經過實驗室驗證的發明轉化為能被當地人使用的實用工具至關重要。Prakash 認為，應該培養工具使用者的主觀能動性。這也是他設計的工具都是模塊化、可組裝的原因，「你可以把它拆開，然後把它按照自己的想法組裝起來，這一點非常重要」。
Foldscope 證明了這一點。Prakash 目前已經向 130 個國家提供了近 8 萬臺這種摺疊式顯微鏡，並發現了很多沒有預料到的用途，「奈及利亞的一個孩子使用 Foldscope 來檢測假幣，印度的農民使用它來識別植物中的病原體來幫助自己及時清除患病作物。」
「你無法控制使用者的創意。」 Prakash 說，「我們不做導師，生活才是他們的導師。」
論文原文
原標題：
發明了1美元顯微鏡、20美分離心機之後，他又做了一個拯救貧窮實驗室的新儀器
參考資料：
https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/08/cheap-automatic-microscope-could-change-how-diseases-are-detected/596440/
https://www.hhmi.org/stories/qa-manu-prakash-philosophy-frugal-science
https://www.newyorker.com/magazine/2015/12/21/through-the-looking-glass-annals-of-science-carolyn-kormann
https://engineering.stanford.edu/magazine/article/stanford-bioengineer-developing-skin-patch-test-worms
https://techxplore.com/news/2017-01-whirligig-toy-bioengineers-cent-hand-powered.html
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