用1美元改變科學:1美元紙片離心機之後,「節儉科學家」又出手了

還記得三年前登上《自然》子刊的紙片離心機嗎?這個成本只有一塊錢,由紙片、繩子和塑料做成的「玩具」能在一分半的時間內將血液根據成分離心分層,對條件簡陋的偏遠地區有着非凡的意義,並且成功地將「節儉科學」又一次帶入了公眾的視野。

用1美元改變科學:1美元紙片離心機之後,「節儉科學家」又出手了

Saad Bhamla( 圖片來源:CRAIG BROMLEY | SCIENCE)

讓人驚喜的是,這個紙片離心機的主要發明人之一、論文一作 Saad Bhamla 並沒有停下他造福低收入人群的腳步——在本周發表於 PLOS ONE 的論文中,他帶領自己的團隊推出了「節儉科學」的最新作:1 美元助聽器。

成本1美元

美國佐治亞理工學院化學與分子生物工程學院的助理教授 Saad Bhamla 出生在印度孟買,15 年前他還是個本科生時,想幫年老耳背的外祖父母買一副助聽器,卻無奈地發現雖然自己買得起筆記本電腦和手機,但是根本負擔不起這個小小設備的昂貴價格。

目前全球約有 2.3 億 65 歲及以上的老年人存在衰老導致的聽力障礙,比如難以區分電子蜂鳴聲或者「嘶」「滋」這類的高頻語音。這不僅會造成交流障礙,還會加速老年人的認知能力下降。但是根據使用者的具體聽力定製的、能夠放大特定頻率聲音的助聽器十分昂貴,每副將近 5000 美元(約合人民幣 3.4 萬元),對於中低收入國家的人群來說幾乎屬於奢侈品。現在市場上也有相對便宜的助聽器,它不能根據個人情況定製,但也需要花費大約 500 美元。

這給了 Bhamla 開發廉價設備的想法和動力,他和同事們拋棄了現代助聽器使用的數字信號處理器,選擇使用現成的低成本零件組裝成了一副簡易助聽設備。首先,他們將微型麥克風焊接到一個小電路板上,用來捕獲周圍的聲音。然後將濾波器和放大器組裝進來——這個核心部件可以將頻率大於 1000Hz 的聲音音量放大,幫助佩戴者聽清高頻音。最後,用 3D 打印給它做了個外殼,裝上音量控制按鈕、電源開關以及耳機插孔和電池座,這個名為 LoCHAid 的助聽器就完成了。

它看上去有點像二十多年前的隨身聽,可以被掛在脖子上或者放在衣服胸前的口袋里。最重要的是,只要能看懂 LoCHAid 的組裝圖,就算不是科學家也能用一把烙鐵將這些零件在 30 分鍾內裝起來——Bhamla 說,按照上述組件的批發價來算,LoCHAid 的製作成本只有 98 美分。

用1美元改變科學:1美元紙片離心機之後,「節儉科學家」又出手了

1 美元助聽器的部件和佩戴效果圖(圖片來源:論文)

在測試中,研究團隊發現LoCHAid 可以有針對性地將高頻聲音提高 15 分貝,同時保證低頻聲音的質量不被破壞,它還能過濾掉狗叫、汽車喇叭聲等突發性干擾。在人工耳上進行的測試也表明,LoCHAid 能夠通過改善對話質量,提高個體的語音識別能力。研究者們在論文中表示,它符合世衛組織對於助聽產品提出的 6 條建議中的 5 條。

來自美國約翰·霍普金斯大學的耳鼻喉醫生 Frank Lin 在接受《科學》新聞采訪時表示,這項發明「非常具有說服力」。他還指出,如果這一設備能夠推廣,那麼它可能使很多處於認知能力下降邊緣的人受益,「理論上來說,聽力損傷得到改善後,老年人患痴呆的風險也會跟着降低。」

「節儉科學」傳道者

對於 Bhamla 來說,LoCHAid 的誕生又一次證明了他「節儉科學」傳道者的身份。2017 年他因為紙片離心機而獲得世人關注的時候,還是一名斯坦福大學的博士後,整個發明的主意是由他的合作導師兼印度同胞、斯坦福大學生物工程學教授 Manu Prakash 提出的。

Prakash 是一位推崇「節儉科學」並且腦洞巨大的發明者,除了紙片離心機,他還帶領團隊做出了可以和 iPhone 配套使用的折紙式手持顯微鏡、可以檢測使用者是否感染寄生蟲的皮膚貼片、可拆卸組裝並且自帶 AI 識別系統的便攜式掃描顯微鏡……——全都是低成本用品。

或許是受到了 Prakash 的影響和鼓舞,Bhamla 在斯坦福大學完成博士後研究、成為佐治亞理工學院的助理教授後,沒有放棄對開發廉價科學設備的追求。其實在今年年初,他就發表過另一個可以媲美三年前紙質離心機的低成本「新作」:造價 23 美分的細胞電穿孔儀。

對於從事分子細胞生物學研究的人來說,電穿孔儀可能是他們最熟悉的實驗設備之一。它可以向細胞施加電擊,暫時擊穿細胞膜或細胞壁,從而使化合物、DNA 或 RNA 等小分子進入細胞內部,幫助研究者完成轉染實驗。顯而易見,這種精細的設備不便宜,單價通常是數千乃至上萬美元。Bhamla 和同事們為了找到電穿孔儀的核心替代部件,把打火機里的壓電晶體卸了下來當做細胞的電擊源,創造出了一種能夠產生超過 2000V 短脈沖的簡易電穿孔儀,並且利用它給大腸桿菌成功轉染了一段綠色熒光蛋白基因。雖然用來做復雜精細的分子生物學實驗還是有些勉強,但是他們認為這可以幫助中學生和偏遠地區的人們進行分子生物學、甚至是基因編輯研究。

用1美元改變科學:1美元紙片離心機之後,「節儉科學家」又出手了

用打火機改造的電穿孔儀(圖片來源:Christopher Moore, Georgia Tech)

如果說紙片離心機和打火機電穿孔儀能夠「拯救」貧窮實驗室,那麼這次的 1 美元助聽器 LoCHAid 的目標則是幫助更多的普通人。此外,Bhamla 也像自己曾經的合作導師 Prakash 一樣,收獲了節儉科學的「新門徒」——研究論文的第一作者、同樣在印度長大的 Soham Sinha 在佐治亞理工讀本科時就加入了 Bhamla 的團隊,現在是斯坦福的博士生。Sinha 出生時就患有聽力障礙,直到高中時才得到了助聽器的支持,他認為這個項目既為自己提供了一個學習機會,也讓他找到了機會去幫助更多和自己處於同樣窘境的人們。

仍不完美

但是,Bhamla 和他的團隊還沒有取得最後的勝利:LoCHAid 存在不少問題還沒有得到解決。首先它無法針對使用者的個人需求進行微調,也無法適用於其他聽力問題。盡管設計者考慮到了防水和減震的問題,但研究者們預計它的使用壽命最多隻有一年半。另外,過大的體積也會「勸退」部分用戶。

發明者們還面臨着更嚴峻的挑戰:只有完成臨床試驗,LoCHAid 才能在大多數國家獲批上市——這將極大提升這款廉價助聽器的開發成本。Bhamla 表示,他希望獲得一項類似老花鏡的生產許可,讓這款只有 1 美元成本的助聽器擺上普通貨架。

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LoCHAid 的組裝過程(圖片來源:Craig Bromley)

此外,Bhamla 指出,衰老導致的聽力下降而佩戴助聽器在很多國家和地區被污名化了。「很多人並沒有意識到自己存在聽力障礙……在中低收入國家,只有 3% 的因衰老導致的聽力障礙者佩戴助聽器,即便在美國,這個數字也只有 20% 左右。」

現在,團隊正在研究如何將 LoCHAid 改造得更加小巧精細,這將會使它的製造成本提高到 7 美元,並且還需要尋找一家經驗豐富的製造商來進行組裝。這個來自佐治亞理工學院的團隊不打算參與這個設備未來可能出現的商業化推廣,Bhamla 表示,他們只需要專注「節儉科學」就夠了。

來源:cnBeta