繼發(fā)明 1 美元的折疊顯微鏡、20 美分的紙質(zhì)離心機(jī)、10 美元的寄生蟲檢測貼片后，這位提倡“節(jié)儉科學(xué)”的印度裔生物物理學(xué)家 Manu Prakash 開始對人工智能下手了。他和同事們最近開發(fā)了一種新的掃描顯微鏡 Octopi，比傳統(tǒng)顯微鏡分析速度快 120 倍。
圖片來源：Prakash Lab
在世界上瘧疾病例最多的國家烏干達(dá)，很多醫(yī)護(hù)人員需要承擔(dān)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(shù)人員將血樣涂在載玻片上，進(jìn)行染色處理，然后通過顯微鏡慢慢識別含有瘧原蟲的細(xì)胞，之后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。在瘧疾肆掠的烏干達(dá)，一個健康中心一天可能要接待幾十個病人，醫(yī)學(xué)檢驗人員不得不連續(xù)十幾個小時盯著顯微鏡，并且一刻都不能分心。
Manu Prakash 發(fā)現(xiàn)了這個問題。這位出生于印度，在斯坦福大學(xué)任教的生物物理學(xué)家，以為貧困地區(qū)發(fā)明廉價科學(xué)設(shè)備而知名。不過這次他意識到，僅有廉價是不夠的，他發(fā)明的設(shè)備還需要足夠的快。
比人快 120 倍
Manu Prakash 和他的同事 Hongquan Li 發(fā)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 包含一個人工智能識別系統(tǒng)，擁有一個被兩萬多張包含瘧原蟲圖像訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前，Octopi 可以自動掃描含有瘧原蟲的血液涂片。
結(jié)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(xì)胞，比人工傳統(tǒng)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(shè)備都要便宜。此外，Octopi 擁有優(yōu)秀的便攜性，重量不到 3 公斤，還可以通過手機(jī)充電器充電。
Octopi 組裝分解圖（來源：biorxiv 論文）
與傳統(tǒng)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。由于 Octopi 可組裝的特性，技術(shù)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，后者可以更靈敏地在熱點區(qū)域內(nèi)計數(shù)。這項計數(shù)功能還解決了現(xiàn)有瘧原蟲快速檢測方法中不能計算寄生蟲的數(shù)量的難題。因為計算寄生蟲數(shù)量對于判斷患者的感染程度并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(jìn)行切換，從基本成像(明場成像下的玻片)，到更復(fù)雜的成像(熒光染色處理后的玻片)。對于瘧疾來說，后者至關(guān)重要，因為發(fā)明人之一 Hongquan Li 發(fā)現(xiàn)熒光染色后瘧原蟲的顏色（藍(lán)綠色）與周圍血細(xì)胞的顏色（藍(lán)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(rèn)錯了，” Manu Prakash 說，“但是寄生蟲發(fā)出的熒光確實和血細(xì)胞不同。”
Octopi 項目公開后在網(wǎng)上廣受好評，相關(guān)論文也已在預(yù)印本平臺 biorxiv 發(fā)布。目前 Prakash 正在將該設(shè)備引入秘魯、烏干達(dá)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(shè)備以可承受的成本，使整個過程自動化。”
Prakash 做這項發(fā)明的目的并不是取代技術(shù)人員，而是想讓他們工作得更加輕松。由于 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(tuán)隊已使用 Octopi 來研究引起肺結(jié)核和肺炎的細(xì)菌，以及引發(fā)昏睡病和利什曼病的寄生蟲。
為了能讓更多人學(xué)會組裝 Octopi，團(tuán)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(shù)據(jù)都必須公開，來實現(xiàn)這一裝置的普及。
Prakash 設(shè)想了這樣一個未來：世界各地的衛(wèi)生工作者利用廉價的自動化顯微鏡通過網(wǎng)絡(luò)在線診斷傳染病，然后通過 Octopi 社區(qū)收集的數(shù)據(jù)不斷改進(jìn)現(xiàn)有的識別算法。
“如果你喜歡機(jī)器人、生物學(xué)，并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(yīng)用到你關(guān)心的問題上。”
節(jié)儉“黑科技”
Octopi 并不是 Prakash 發(fā)明的第一款顯微鏡。此前，只要一美元的紙質(zhì)顯微鏡“Foldscope”的發(fā)明讓他得以聞名。
使用者手持Foldscope（來源：www.foldscope.com）
Foldscope 是通過一系列折紙式折疊單元組成的一張書簽大小的手持顯微鏡。它的鏡頭是位于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 連接到智能手機(jī)，以便用手機(jī)攝像頭輕松記錄樣品圖像。
此外，Prakash 還發(fā)明了一系列的“黑科技”。比如 20 美分的“紙片離心機(jī)”（Paperfuge）。這種人工離心機(jī)僅由紙片、繩子、塑料組成，能在一分半鐘的時間內(nèi)將血液根據(jù)成分離心分層，轉(zhuǎn)速能達(dá)到每分鐘 125000 轉(zhuǎn)。
紙片離心機(jī)（來源：Stanford University 官網(wǎng)）
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(nèi)的活寄生蟲。比如，導(dǎo)致盤尾絲蟲病或“河盲癥”的寄生蟲。目前“河盲癥”的診斷方法需要使用昂貴的超聲設(shè)備來確定寄生蟲是否在皮膚或淋巴結(jié)內(nèi)存活，而皮膚貼片只需要一個創(chuàng)可貼大小的貼片內(nèi)置傳感器：當(dāng)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(fā)明的背后是 Prakash 對能普遍適用的“節(jié)儉科學(xué)”的擁護(hù)?！肮?jié)儉科學(xué)”致力于創(chuàng)造低成本、易于使用的工具，主要解決在發(fā)展中國家存在的資源不足問題。
“可操作性是科學(xué)面臨的一個挑戰(zhàn)。所以我問自己：怎樣才能讓盡可能廣泛的人群更好地獲得真正的科學(xué)支持？我們試圖制造成本更低的工具，并且它們在功能上仍然能與其他同類科學(xué)儀器競爭?！?Prakash 說。
Octopi 的命名就強(qiáng)調(diào)了節(jié)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(jié)尾的單詞是“octopus”的復(fù)數(shù)形式?jīng)]拼對，但它是對“節(jié)儉科學(xué)”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(jī)。
源于生活，用于生活
“節(jié)儉科學(xué)”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于用戶如何使用它。很多節(jié)儉科學(xué)工具的發(fā)明者在貫徹“節(jié)儉原則”的過程中發(fā)現(xiàn)，有時他們很難預(yù)測在一個相對不那么發(fā)達(dá)的社會中可能出現(xiàn)的問題。比如，曾有一項微流體技術(shù)的測試環(huán)境是為美國有空調(diào)的實驗室設(shè)計的，但實施該測試的印度實驗室卻只有吊扇，發(fā)明團(tuán)隊不得不更改它的保護(hù)性包裝。
因此，因地制宜、將一項經(jīng)過實驗室驗證的發(fā)明轉(zhuǎn)化為能被當(dāng)?shù)厝耸褂玫膶嵱霉ぞ咧陵P(guān)重要。Prakash 認(rèn)為，應(yīng)該培養(yǎng)工具使用者的主觀能動性。這也是他設(shè)計的工具都是模塊化、可組裝的原因，“你可以把它拆開，然后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(jīng)向 130 個國家提供了近 8 萬臺這種折疊式顯微鏡，并發(fā)現(xiàn)了很多沒有預(yù)料到的用途，“尼日利亞的一個孩子使用 Foldscope 來檢測假幣，印度的農(nóng)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(chuàng)意。” Prakash 說，“我們不做導(dǎo)師，生活才是他們的導(dǎo)師?！?/p>
論文原文：https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2019/06/27/684423.full.pdf
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