2017年9月2日 星期六

超越專業的新一代儀器自造: 屬於未來新世代的科學Maker手機顯微鏡!



自製科學儀器的活動在很多年來一直持續在世界各地進行,從各種電子實驗儀器,光學儀器到各種零配件都有很多人在默默推動。這是一個改變的過程,希望科學能夠重新回到社會該有科學的角落,不是再被限制在少人能接觸的實驗室裡。

但受限於專業知識與製造設計能力,自製科學儀器所採取的製造與設計策略往往是利用替代性的物品來替代性達到現有儀器工具的效果。因為性能常比不上專業的商業儀器,所訴求的對象也常常限制在自造的過程體驗或是教育領域的實做學習上,而無法跟專業的儀器達到一樣的效果或是只能達到有條件的觀察能力。

但是這不該是必然的方式,如同眾所周知的特斯拉電動車(Tesla),由於捨棄了傳統的設計思維,即使在高度成熟的汽車產業,仍然能從無到有設計出最好的新一代電動車,SpaceX即使必須跟NASA這樣累積無數經驗與全球菁英的火箭設計競爭,仍然從無到有開發出新一代可回收式火箭,開始新一代的商業太空運轉模式。傳統儀器受限於開始發展儀器時的設計與一直以來已僵化觀測使用方式,在新的電子資訊環境下,尤其是手機轉為主要計算與感測元件下,部分沿襲的設計已經不是最合理的設計。

以顯微鏡而言,傳統的顯微鏡以人眼的觀察出發,考慮到人眼的光學,設計出了各種光程的目鏡與物鏡系統,然後在以此為基礎衍伸出利用CCD或相機的觀察模式,主體的設計仍然沿著傳統的方式。也因為這樣,目前專業可以接CCD攝影機或相機的顯微鏡都必須非常龐大笨重,操作方式也越來越遠離直覺。這樣大型化的發展下,儀器也越昂貴與需要專業的操作人員。

而這些也正是目前顯微鏡在更多應用上最欠缺的地方,目前一般只能在有裝配的實驗室或工廠使用,需要由專業的人員才能正確操作。像是在野外調查,環境監測,偏遠地區的醫療等就顯得不合用,另一方面對大眾來說,專業可數位記錄的顯微鏡就幾乎是不可得。

科學影像 Scimage在三年多前開始了科學儀器製作計畫,以新一代的手機設計演進軌跡為設計對象,直接以依照原理設計出新一代基於手機的科學儀器,所設計製造的手機顯微鏡手機光譜儀,不僅已經是台灣最廣泛使用的的自製科學儀器,在全國各地的學校,從小學到大學的正規教育都被廣泛使用,各種自然社團,自學團體,偏遠地區教學,科學活動,全國科學競賽等也開始應用這些儀器來改變環境與科學觀察。
(左到右:手機顯微鏡,手機偏光顯微鏡,手機螢光顯微鏡)



                    手機光譜儀  

但是在專業的領域上,常常會有迷思自製儀器一定比不上專業儀器。但科學原理只有一種,對於科學儀器,基於原理的設計才是儀器能力的關鍵所在,製造流程只是合理的實現手段。只要能依照原裡並找出符合目前數位自造的方式能忠實呈現設計,就只剩下對於原理與設計邏輯的適用與選擇取捨,對於好的儀器,每種儀器常都是一種妥協,基於原裡,因為要增強部分所以有犧牲的部分,在顯微鏡上,只要願意矲脫人眼的直接光學觀測,改以手機為核心,可以開創出新一代的顯微鏡,也就是手機顯微鏡!例如以下的植物觀測,完全可以達到傳統顯微鏡該有的效果。


圖像裡可能有食物和室內沒有自動替代文字。
           (左:番茄的表面細胞,右: 蜘蛛百合花粉)


為了實現這設計構想,陸續實現了手機顯微鏡,偏光手機顯微鏡,螢光手機顯微鏡外,新一代的手機顯微鏡也可以整合各種專業物鏡的手機顯微鏡,利用手機顯微鏡的鏡頭做為手機專用的複式成像鏡頭,整合各種物鏡進入手機顯微鏡。也因為是基於手機的成像設計,在景深收光角度上可以在不太影響成像品質下讓傳統上較長的鏡筒長度縮短而保有等效的倍率與有效的進光。

這套裝置(通用物鏡模組)讓有手機顯微鏡可以自行增加物鏡的能力,也可以同時保有手機顯微鏡原本的輕便自由的觀察方式,形成高低倍率的組合。在解析度上,依照物鏡的能力,在正確照明下可以達到跟傳統光學顯微鏡同樣的效果。不管是血球,細菌,各種微小的生物或植物的結構都可以觀察清楚,配合手機顯微鏡已有的模組如偏光模組等,也能變成更專業的偏光顯微鏡。


沒有自動替代文字。

以同樣的原理,也可以組成高倍率的倒立顯微鏡,直接觀察各種水中的小生物,微生物。

圖像裡可能有大家坐著和電話



雖然顯微鏡的光學原理已經發展的很完整了,但是配合著各種資訊電子載體的發展,以手機而言,新一代的手機顯微鏡可以提供最合適的與方便的結合方式,也可以讓專業顯微鏡從笨重與複雜的操作中解放,在各樣的使用環境下幫更多人探索了解我們的世界,或許有天傳統的顯微鏡大廠能像這樣的設計看齊,也一起做出屬於未來世代的顯微鏡,解放顯微鏡真正的能力與賦予更多可能性 !


最後也謝謝科學Maker 社群的朋友,提供這些使用照片與影像,也歡迎對科學與科工具有興趣的朋友一起加入我們!


科學Maker 

期待實現一個每個家裡都有自由科學家,創造工程師,有小小實驗室跟工作室的社會! 歡迎好奇又善良的朋友一起來加入完成~



以下一起欣賞各種在家裡可以開始自己觀測的專業科學觀察影片! 

















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