PAPERFUGE VÀ FOLDSCOPE: LÀM KHOA HỌC NHƯ MANU PRAKASH
“By boxing ourselves in with constraints, we can think outside the box.” – Manu Prakash.
“Trong số 100 tỷ người ước tính đã sống trên hành tinh này. Hơn 51 tỷ sinh mạng đã chết vì sốt rét. Các triệu chứng của bệnh cũng tương tự như cảm cúm, vậy nên, tiêu chuẩn để chẩn đoán là lấy một giọt máu, quay nó trong máy ly tâm và sau đó nhìn vào dưới kính hiển vi. Trong lịch sử, điều này thực sự khó thực hiện ở những nơi cần nó nhất, bởi vì các thiết bị y sinh có thể tốn hàng chục ngàn đô la và nó cần điện. Hai phát minh này có thể chẩn đoán bệnh sốt rét, chi phí ít hơn một đô la và không cần điện.”
Đây là lời giới thiệu của Mark Rober – cựu kĩ sư của NASA dành cho 2 phát minh của một nhà vật lý và kĩ thuật Y-Sinh đến từ Ấn Độ trong video với tiêu đề “How to save 51 billion lives for 68 cents with simple Engineering”.
“Đây là Foldscope (tạm dịch là Kính hiển vi gập), một cái kính hiển vi nhưng chỉ tốn 97 xu (khoảng 22.000 VNĐ) tiền vật liệu”. Với cái thấu kính bé tí ở chính giữa vài mảnh giấy bìa, ta có thể nhìn vào đây để thấy được những thứ siêu nhỏ như khi nhìn bằng kính hiển vi.
Để chứng minh tác dụng của Foldscope, camera của điện thoại được kê vào thấu kính trên Foldscope. Trên màn hình điện thoại lúc này là những thứ chởm lởm, lông lá xuất hiện.
Đó là chân của một con bọ rùa, đó là vòi đẻ trứng của ruồi, kia là miệng vòi của một con muỗi, kia là con vi khuẩn bé tin hin,.. Chiếc kính đủ mạnh để quan sát hầu như mọi vật nhỏ bé thông thường, từ các chi của một con bọ rùa đến vi khuẩn và được phát triển và thiết kế sao cho thật gọn, nhẹ và rẻ hết sức có thể bởi Manu Prakash – một giáo sư trẻ tuổi người Ấn Độ hiện đang làm công việc nghiên cứu tại Stanford. Manu Prakash sinh ra ở Meerut, Ấn Độ và cho thấy sự xuất sắc trong các nghiên cứu từ giai đoạn đầu. Prakash tốt nghiệp IIT Kanpur từ Khoa Khoa học Máy tính năm 2002 và tiếp tục hoàn thành bằng Tiến sĩ Vật lý Ứng dụng tại MIT vào năm 2008. Anh hiện là Giáo sư phụ trợ về Kỹ thuật Sinh học tại Đại học Stanford.
“Vào năm 2010, tôi đến thăm một phòng khám sức khỏe ở Ấn Độ và tôi thấy một bức ảnh Mahatma Gandhi nhìn qua kính hiển vi để quan sát vi khuẩn gây bệnh phong. Lúc đó, Gandhi mặc dhoti và ngồi trên mặt đất trong khi sử dụng cái kính hiển vi đắt tiền của châu Âu, trông không thực tế tí nào ở một vùng nông thôn Ấn Độ cả. Nhưng Gandhi biết tầm quan trọng của thiết bị này vì nó giúp chống lại bệnh tật ở đất nước mình. Tấm hình này đã truyền cảm hứng để tôi có thể khám phá ra những cách mới mẻ hơn trong việc phát triển các thiết bị khoa học với chi phí thấp dành mọi người ở khắp nơi.”
Ý tưởng của việc tạo ra một cái kính hiển vi gọn nhẹ chỉ thật sự đến sau khi Manu có một chuyến đi thực địa vào năm 2011 tại Thái Lan. Sau khi quan sát, anh nhận thấy rằng ở trạm thực địa có những cái kính hiển vi huỳnh quang phải nằm dưới đất và đóng bụi vì chúng quá đắt đỏ và dễ vỡ khi phải mang vác ra ngoài khiến ai cũng ái ngại khi dùng. Vì lẽ đó, Manu Prakash quyết định chế tạo kính hiển vi với chi phí tuy chỉ 1 USD nhưng vẫn có phạm vi hiệu suất cần thiết để thu thập dữ liệu hữu ích.
Làm việc với sơ đồ ban đầu trong chuyến bay trở về từ Thái Lan, nguyên mẫu đầu tiên của Foldscope đã trở thành hiện thực vào năm 2014.
Foldscope có thể được lắp ráp trong 7 phút ngay khi bóc tách các mảng, miếng từ tấm bìa chỉ vừa cỡ tờ giấy A4. Được gấp lại và đan xen chồng chéo với nhau theo nguyên tắc Origami, Foldscope còn có những thước điều chỉnh ngang dọc cho phép người định vị thủ công theo thang micromet và độ chính xác đến nanomet, chỉ cần bạn lẩy nhẹ hai ngón tay cái của mình trong khi đưa mắt vào giữa thấu kính. Loại kính hiển vi quang học được sử dụng trên Foldscope là một thấu kính thủy tinh hình cầu giá rẻ và một đi-ốt phát sáng có thể chạy bằng pin đồng hồ. Foldscope có kích thước của một miếng bookmark, nặng 8 gram và có thể phóng đại từ 140X đến 2.000X. Chưa kể, Foldscope sau khi lắp ráp vẫn siêu bền, có thể chịu mọi loại va đập và rơi từ trên cao nhưng không bị hư hại. Thậm chí, vợ của Manu đã thực nghiệm một vài chiếc kính hiển vi của anh bằng việc… giặt rồi sấy quần áo mỗi khi Manu bỏ quên chúng trong túi quần áo. Hóa ra, nó còn chống nước cơ đấy. Sau đó, 12 phiên bản kế tiếp xuất hiện nhằm xác định riêng từng tác nhân gây bệnh cụ thể. Giá của chúng rất rẻ, chỉ dao động từ 50 xu đến 97 xu.
Vào tháng 10 năm 2015, Bộ Công nghệ Sinh học của Ấn Độ đã công bố một chương trình cung cấp Foldscope trên khắp Ấn Độ tại 80 trường Đại học và chương trình giáo dục đạt chuẩn. Chúng sẽ được sử dụng như một công cụ giảng dạy cho sinh viên và học sinh ở các môn Sinh học, Hóa học và Vật lý. Sau chương trình thí điểm, Bộ hy vọng sẽ hợp tác với Prakash để phát triển thêm các công cụ khoa học với chi phí thấp nhất. Các bộ Foldscope cũng sẽ được sản xuất và thử nghiệm ở Kenya và Uganda.
“Tầm nhìn của công ty chúng tôi là phân phối rộng rãi các công cụ khoa học như Foldscope đồng thời phát triển các nền tảng xã hội trực tuyến như từ Micromosmos để cho phép kết nối và chia sẻ thông tin cho bất kỳ ai tò mò muốn khám phá khoa học. Foldscope hiện đã đến được hơn 135 quốc gia và đã làm được rất nhiều điều như: xác định trứng siêu nhỏ của sâu hại cho nền nông nghiệp ở Ấn Độ, lập danh mục đa dạng sinh học của những loài chân đốt trong đất ở Amazon, phát hiện tiền giả và thuốc giả và lập bản đồ đa dạng phấn hoa trong cảnh quan thành phố . Hy vọng của tôi là nhân rộng mô hình “khoa học giản đơn”, trong nhiều công cụ chẩn đoán, bao gồm máy ly tâm trên giấy và thậm chí là kính hiển vi điện tử có giá đến 100 USD.” – Jim Cybulski, cựu sinh viên của Manu và là nhà đồng sáng lập Foldscope Instruments vào tháng 12 năm 2015.
Đó là câu chuyện của Foldscope.
Còn đây là Paperfuge (tạm dịch là Máy li tâm bằng giấy) (hình)
Với tổng tiền nguyên vật liệu là 0,179 USD (khoảng 4.200 VNĐ) được làm từ một cái đĩa mỏng bằng giấy, vài sợi dây và hai cái tay cầm.
Vào năm 2013, lúc đó Manu Prakash đang đi thực địa để thử nghiệm một vài ý tưởng của mình ở Uganda. Anh nhìn thấy một cái Máy ly tâm ở một phòng khám được dùng để làm… đồ chặn cửa. Ở đấy, họ không dùng được thứ này chỉ vì một lí do đơn giản: không có điện. Chính từ giây phút đó gợi cho Manu một vấn đề nan giải:
Làm thế nào để biến một cái máy ly tâm to, cồng kềnh và phải sử dụng điện thành một thiết bị đơn thuần chỉ cần dùng sức người?
Manu và đội của mình bắt đầu nghĩ về những món đồ chơi – những vật dụng nhỏ bé có tiềm năng lợi hại. Đầu tiên là xem xét nguyên lý của máy ly tâm vào những món đồ chơi này. Thiết bị được chọn là yo-yo. Chỉ với một vài thay đổi cấu trúc của chiếc yo-yo nguyên thủy, các giáo sư trẻ của Stanford đã thật sự tách được các tế bào hồng cầu ra khỏi huyết tương. Tuy nhiên, với 4000 đến 5000 vòng/phút (RPM – rounds per minute) là con số chưa đạt đến kì vọng của họ. Ly tâm để tách mẫu máu là một quá trình mang tính liên tục và phải nhanh hơn nữa, nhưng những lần ngắt quãng khi dùng yo-yo không đáp ứng được điều đó. Thêm nữa, để xoay yo-yo đủ nhanh đòi hỏi người chơi phải có kỹ năng tốt.
Bước đột phá đến vào đầu năm 2016, khi Saad Bhamla (một postdoc trong phòng thí nghiệm Prakash) đã quyết định phân tích cơ chế quay của một món đồ chơi từ thời thơ ấu ở Ấn Độ, được gọi là ‘xoáy nước’ (whirligig). Thiết kế này vốn đã có từ hàng ngàn năm trước: đính một cái nút hoặc đĩa trên một chuỗi dây và kéo các hai đầu dây hai bên để chúng bắt đầu xoay. Chúng giật lên, giật xuống và chạy đủ phương và hướng khác nhau.
“Trông chúng đơn giản mà, thế nên, một đêm nọ, tôi tự làm một cái. Bạn gái của tôi cho tôi mượn một sợi từ bộ đồ may vá của cô ấy và tôi xâu nó qua một nút bấm” – Blama nói. Anh đặt món đồ chơi trước máy quay tốc độ cao và bắt đầu kéo nó. Khi anh phân tích các cảnh quay, Bhamla nhận ra rằng cái nút đã xoay được không phải 5.000 vòng, không phải 7.000 vòng
“từ 10.000 đến 15.000 vòng mỗi phút. Đó là số vòng quay mỗi phút nhiều gấp đôi so với những gì mà yo-yo mang lại”
– Bhamla nhớ lại cái cảm giác đó: NÓ ĐÂY RỒI!
Bhamla biết rằng nếu anh ta hiểu được cơ chế của cái ‘xoáy nước’, anh có thể tối ưu hóa tốc độ của nó. Nhưng khi anh ta tìm kiếm xem có ai đã từng mô hình hóa động lực học của món đồ chơi này hay chưa, anh ta chỉ tìm thấy những mô phỏng cơ bản. Đó là một bài nghiên cứu hay, tuy nhiên, các tác giả chưa tính tới các giới hạn cơ bản của món đồ chơi này. Nói cách khác, các mô hình toán học kia quá đơn giản cho mục đích của những giáo sư trẻ của phòng thí nghiệm tại Stanford. Họ muốn tìm hiểu rộng hơn về cấu trúc và nguyên lý của món đồ chơi này.
Bắt tay ngay vào việc, sau 10 trang tính toán, Saad Bhamla cùng cộng sự đã cho ra được mô hình lí thuyết và công thức để tối ưu hóa vòng quay của món đồ chơi có tuổi đời 5000 năm này. Theo như tính toán, số vòng quay mà món đồ chơi này có thể đạt được lên đến 1 triệu vòng/phút. Với mô hình Paperfuge đầu tiên, số vòng quay mà nó có thể đạt được không chỉ dừng ở 10.000 hay 30.000 vòng
mà là 120.000 vòng/phút (tương đương với lực ly tâm = 30.000g)
Thế là với hình mẫu Paperfuge đầu tiên, Manu Prakash và cộng sự đã có thể tách huyết tương khỏi các tế bào hồng cầu chỉ với 90 giây. Paperfuge bao gồm một cái đĩa được làm từ giấy phủ một lớp nhựa và có chứa khe để chúng ta có thể gắn các ống mao dẫn. Sau đó, chúng ta có thể lắp đầy bằng bất cứ loại chất lỏng nào cũng được (máu, nước bẩn,..) và lắc Paperfuge trước vài vòng để tạo thế rồi bắt đầu kéo nhẹ nhàng để tăng dần tốc độ của chúng, sau vài giây khi chúng đạt vận tốc như ý, Paperfuge tiến vào trạng thái “dao động ly tâm không đồng đều”, tức là nó giật lắc lên và xuống, đồng thời cùng quay theo chiều kim đồng hồ và đổi chiều ngay sau đó. Sự thay đổi về hướng này không ảnh hưởng đến kết quả vì lực ly tâm vẫn hướng ra ngoài và luôn liên tục chứ không như yo-yo. Trong vòng 10 phút, họ có thể tách các tế bào hồng cầu mang ký sinh trùng sốt rét ra khỏi những tế bào không mang bệnh (trong máu có hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu, khi đặt vào máy ly tâm và quay thật nhanh, những ‘hạt’ sẽ được sắp xếp theo một trật tự nhất định và tế bào hồng cầu mang mầm bệnh sốt rét sẽ nằm giữa nhóm hồng cầu khỏe mạnh và huyết tương).
“Trong bối cảnh sức khỏe toàn cầu, máy ly tâm trên thị trường vừa đắt tiền, cồng kềnh và phải chạy bằng điện. Chính điều này đã gây ra những hạn chế nghiêm trọng trong việc phát triển các thiết bị chẩn đoán không cần dùng pin cho các trạm y tế ở những nơi hẻo lánh. Trong báo cáo này, chúng tôi giới thiệu một máy ly tâm bằng giấy siêu rẻ (20 xu), nhẹ (2g), làm từ giấy và được vận hành bằng sức người (đó là lí do chúng tôi gọi nó là Paperfuge), được thiết kế trên cơ sở mô hình lý thuyết lấy cảm hứng từ cơ học cơ bản của món đồ chơi con quay kéo dây (hoặc cái còi; 3,300 năm trước công nguyên). Paperfuge đạt được tốc độ 125.000 vòng/phút. (và lực ly tâm tương đương 30.000 g), với giới hạn lý thuyết dự đoán là 1.000.000 vòng/phút. Chúng tôi diễn giải rằng Paperfuge có thể tách huyết tương tinh khiết khỏi máu trong chưa đầy 1,5 phút và phân lập ký sinh trùng sốt rét trong 15 phút. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng các thiết bị ly tâm kênh dẫn vi lưu giống như Paperfuge có thể được làm bằng polydimethylsiloxane, nhựa và vật liệu polyme bằng cách in 3D. Siêu rẻ, máy ly tâm không-dùng-điện này sẽ mở ra cơ hội cho việc chẩn đoán của các trạm y tế ở các khu vực không có nhiều điều kiện và cho các ứng dụng trong giáo dục khoa học và sinh thái thực địa.” – nhóm nghiên cứu chỉ ra.
Tiếp đến, nhóm cũng phát triển thêm một số mô hình mẫu khác của Paperfuge nhằm phục vụ cho những mục đích khác nhau như: tách axit nucleic, phân tách máu để xác định kí sinh sốt rét, phân tách mẫu rời, thí nghiệm đa phức hợp.
Trong một chuyến đi Madagascar, một nơi mà Manu và Bhamla đưa Paperfuge ra thử nghiệm. “Tôi nghĩ rằng những người đầu tiên mà bọn tôi gặp sẽ cười phá lên vì chúng tôi đưa cho họ xem thứ như này” – Bhamla nghĩ. Nhưng anh đã sai, những chuyên viên xét nghiệm Sốt rét tại Madagascar đã tìm kiếm những công cụ như thế này hàng năm trời và họ vô cùng cảm kích vì điều đó. Hồi trước, cô nói với anh ta rằng để chuyển máy ly tâm đến các ngôi làng xa xôi thì phải cần xe jeep và cả máy phát điện cồng kềnh để cấp điện cho nó nữa.
Giờ, cô chỉ cần bỏ chúng vào túi.
Sinh ra và lớn lên ở Ấn Độ, Manu Prakash hiểu rõ những bất lợi mà một vùng quê nghèo luôn gặp phải. Sốt rét và hàng trăm loại bệnh khác vẫn luôn chực chờ để tước đi sinh mạng của hàng triệu người nghèo mỗi năm. Bên cạnh các phát kiến trên trên sự cố gắng ngăn chặn và phát hiện sốt rét, Manu Prakash còn lập ra một trong những bản đồ dữ liệu âm thanh lớn nhất với 20 đến 25 loài muỗi mang mầm bệnh cho con người chỉ bằng chức năng ghi âm của điện thoại di động (thông qua việc ghi âm tần số vỗ cánh).
Một tỷ người đang sinh sống trên Trái Đất mà không có cơ sở hạ tầng hay kiến trúc thượng tầng, không có điện, không có công cụ và thiết bị y tế chính là động lực để anh luôn nỗ lực không ngừng nghỉ thiết kế các công cụ có chi phí thấp, nhưng vẫn mang tính cạnh tranh và có đủ chức năng như các công cụ khoa học khác.
Nhìn ở một khía cạnh nào đó, nó giống như chia sẻ triết lý của khoa học – cái kết mở cho sự tò mò. Bạn không nói cho mọi người biết phải làm gì; bạn cung cấp cho họ các công cụ và để họ tự trải nghiệm khoa học cho chính họ. Đó chính là triết lý của ‘frugal science’, hay có thể gọi là ‘khoa học giản đơn’.
“Chúng ta sẽ làm cho khoa học thật dễ để tiếp cận không chỉ đối với những người có đủ khả năng, mà còn với một tỷ người khác không thể. Hãy khiến khoa học và tri thức trở thành quyền của con người. Khoảnh khắc mà bạn truyền cảm hứng khám phá đến một đứa trẻ khác, bạn đang giúp chúng trở thành những người trong tương lai thực sự giải quyết các vấn đề này.” – Manu Prakash
.
“The moment that you pass the tingling feeling of making a discovery to another child, you’re enabling them to be the next group of people who will actually solve these problems.”
Tham khảo:
Krishna Vedavyas’s answer to What are the best new products or inventions that most people don’t know about?
Ravi Teja’s answer to Who are some great Indians that most people have not heard of?
Krishna Vedavyas’s answer to What are the best new products or inventions that most people don’t know about?
Lifesaving scientific tools made of paper | Manu Prakash : TED
Manu Prakash: A 50-cent microscope that folds like origami: TED
How to save 51 billion lives for 68 cents with simple Engineering
Wildly frugal: Manu Prakash’s dream is science tools for everyone, everywhere
A Conversation with Manu Prakash – Melissa Pandika
Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge(link is external). Bhamla MS, Benson B, Chai C, Katsikis G, Johri A, Prakash M. Nat. Biomed. Eng. 1, 0009 (2017)
Foldscope: Origami-Based Paper Microscope. James S, Cybulski,James Clements,Manu Prakash
Every Child in the World Should Carry a Microscope in Their Pocket. M Prakash – Microscopy and Microanalysis, August, 2018
The Paperfuge: A 20-Cent Device That Could Transform Health Care
Q&A with Manu Prakash: The Philosophy of Frugal Science
