TED日本語 - マヌ・プラカシュ: 紙を折るだけ―50セントでできる「折り紙顕微鏡」


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - マヌ・プラカシュ: 紙を折るだけ―50セントでできる「折り紙顕微鏡」

TED Talks

A 50-cent microscope that folds like origami
Manu Prakash




The year is 1800. A curious little invention is being talked about. It's called a microscope. What it allows you to do is see tiny little lifeforms that are invisible to the naked eye. Soon comes the medical discovery that many of these lifeforms are actually causes of terrible human diseases. Imagine what happened to the society when they realized that an English mom in her teacup actually was drinking a monster soup, not very far from here. This is from London.

Fast forward 200 years. We still have this monster soup around, and it's taken hold in the developing countries around the tropical belt. Just for malaria itself, there are a million deaths a year, and more than a billion people that need to be tested because they are at risk for different species of malarial infections.

Now it's actually very simple to put a face to many of these monsters. You take a stain, like acridine orange or a fluorescent stain or Giemsa, and a microscope, and you look at them. They all have faces. Why is that so, that Alex in Kenya, Fatima in Bangladesh, Navjoot in Mumbai, and Julie and Mary in Uganda still wait months to be able to diagnose why they are sick? And that's primarily because scalability of the diagnostics is completely out of reach. And remember that number: one billion.

The problem lies with the microscope itself. Even though the pinnacle of modern science, research microscopes are not designed for field testing. Neither were they first designed for diagnostics at all. They are heavy, bulky, really hard to maintain, and cost a lot of money. This picture is Mahatma Gandhi in the '40s using the exact same setup that we actually use today for diagnosing T.B. in his ashram in Sevagram in India.

Two of my students, Jim and James, traveled around India and Thailand, starting to think about this problem a lot. We saw all kinds of donated equipment. We saw fungus growing on microscope lenses. And we saw people who had a functional microscope but just didn't know how to even turn it on. What grew out of that work and that trip was actually the idea of what we call Foldscopes.

So what is a Foldscope? A Foldscope is a completely functional microscope, a platform for fluorescence, bright-field, polarization, projection, all kinds of advanced microscopy built purely by folding paper. So, now you think, how is that possible? I'm going to show you some examples here, and we will run through some of them. It starts with a single sheet of paper. What you see here is all the possible components to build a functional bright-field and fluorescence microscope. So, there are three stages: There is the optical stage, the illumination stage and the mask-holding stage. And there are micro optics at the bottom that's actually embedded in the paper itself. What you do is, you take it on, and just like you are playing like a toy, which it is, I tab it off, and I break it off.

This paper has no instructions and no languages. There is a code, a color code embedded, that tells you exactly how to fold that specific microscope. When it's done, it looks something like this, has all the functionalities of a standard microscope, just like an XY stage, a place where a sample slide could go, for example right here. We didn't want to change this, because this is the standard that's been optimized for over the years, and many health workers are actually used to this. So this is what changes, but the standard stains all remain the same for many different diseases. You pop this in. There is an XY stage, and then there is a focusing stage, which is a flexure mechanism that's built in paper itself that allows us to move and focus the lenses by micron steps.

So what's really interesting about this object, and my students hate when I do this, but I'm going to do this anyway, is these are rugged devices. I can turn it on and throw it on the floor and really try to stomp on it. And they last, even though they're designed from a very flexible material, like paper.

Another fun fact is, this is what we actually send out there as a standard diagnostic tool, but here in this envelope I have 30 different foldscopes of different configurations all in a single folder. And I'm going to pick one randomly. This one, it turns out, is actually designed specifically for malaria, because it has the fluorescent filters built specifically for diagnosing malaria. So the idea of very specific diagnostic microscopes comes out of this.

So up till now, you didn't actually see what I would see from one of these setups. So what I would like to do is, if we could dim the lights, please, it turns out foldscopes are also projection microscopes. I have these two microscopes that I'm going to turn -- go to the back of the wall -- and just project, and this way you will see exactly what I would see. What you're looking at -- (Applause) -- This is a cross-section of a compound eye, and when I'm going to zoom in closer, right there, I am going through the z-axis. You actually see how the lenses are cut together in the cross-section pattern. Another example,one of my favorite insects, I love to hate this one, is a mosquito, and you're seeing the antenna of a culex pipiens. Right there. All from the simple setup that I actually described.

So my wife has been field testing some of our microscopes by washing my clothes whenever I forget them in the dryer. So it turns out they're waterproof, and -- (Laughter) -- right here is just fluorescent water, and I don't know if you can actually see this. This also shows you how the projection scope works. You get to see the beam the way it's projected and bent.

Can we get the lights back on again?

So I'm quickly going to show you, since I'm running out of time, in terms of how much it costs for us to manufacture, the biggest idea was roll-to-roll manufacturing, so we built this out of 50 cents of parts and costs. (Applause) And what this allows us to do is to think about a new paradigm in microscopy, which we call use-and-throw microscopy. I'm going to give you a quick snapshot of some of the parts that go in. Here is a sheet of paper. This is when we were thinking about the idea. This is an A4 sheet of paper. These are the three stages that you actually see. And the optical components, if you look at the inset up on the right, we had to figure out a way to manufacture lenses in paper itself at really high throughputs, so it uses a process of self-assembly and surface tension to build achromatic lenses in the paper itself. So that's where the lenses go. There are some light sources. And essentially, in the end, all the parts line up because of origami, because of the fact that origami allows us micron-scale precision of optical alignment. So even though this looks like a simple toy, the aspects of engineering that go in something like this are fairly sophisticated.

So here is another obvious thing that we would do, typically, if I was going to show that these microscopes are robust, is go to the third floor and drop it from the floor itself. There it is, and it survives.

So for us, the next step actually is really finishing our field trials. We are starting at the end of the summer. We are at a stage where we'll be making thousands of microscopes. That would be the first time where we would be doing field trials with the highest density of microscopes ever at a given place. We've started collecting data for malaria, Chagas disease and giardia from patients themselves.

And I want to leave you with this picture. I had not anticipated this before, but a really interesting link between hands-on science education and global health. What are the tools that we're actually providing the kids who are going to fight this monster soup for tomorrow? I would love for them to be able to just print out a Foldscope and carry them around in their pockets.

Thank you.


1800年のことです 好奇心をそそる発明が生まれ 人々の話題になります 「顕微鏡」です 顕微鏡によって 肉眼では見えない 微生物の姿が 見られるように なりました これは 医学上の発見にも つながりました こうした微生物の多くが 人々にひどい病をもたらす― 原因だと 分かったのです この発見に 社会がどう反応したか 想像してみてください 英国夫人がティーカップで 口にしていたのは とんでもないモンスター入りの スープだったのです これは ここから遠くない ロンドンでのことです

それから 200年後 まだ このモンスタースープはあり 熱帯の開発途上国を 席巻しています マラリアだけを見ても 毎年 何百万もの人が命を失い 十億という人が 検査を必要としています マラリア感染には さまざまな種類が あるからです

実は こうしたモンスターの 正体を調べるのは とても簡単なことです まず染色をします アクリジン・オレンジ染色や 蛍光染色 ギムザ染色などを 使います そして顕微鏡で のぞいて見ます そうすれば 何か分かります では なぜ― ケニヤのアレックスや バングラデシュのファティマ ムンバイのナヴジュート ウガンダのジュリーとマリーは 何ヶ月も待たなければ 病気の原因を 診断してもらえないんでしょう? それは主に 現在の診断法は そこまで行き渡らせることが できないからです 思い出してください 十億人です

問題は 顕微鏡にあります 近代科学の 頂点でありながら 研究用顕微鏡は 現場向けに設計されたのでも 病気の診断用に 設計されたのでもありません ですから 顕微鏡というのは 重くて嵩張り 手入れも大変で 値段もとても高く なっています こちらは 40年代に撮られた マハトマ・ガンディーです 私たちが現在使用しているのと 全く同じ顕微鏡を使って 結核の検査を しているところで インドのセバグラムの 僧院でのことです

私の教え子の ジムとジェームズは インドやタイに 足を運んでから この問題について 深く考えるようになりました そこには寄付された 様々な機材がありましたが 顕微鏡レンズには カビが生えていました 使える顕微鏡が あっても スイッチの入れ方さえ知らない 有様だったのです この研究や訪問から 生まれたのが 「折り紙顕微鏡(Foldscope)」 というアイデアです

折り紙顕微鏡とは 何でしょう? 折り紙顕微鏡は とても実用的な顕微鏡で 蛍光、明視野、偏光 投影顕微鏡など 検査で必要になる 顕微鏡を 紙を折るだけで作れるようにしよう というものです そんなこと可能なのか とお思いでしょうか? では 実際に ご覧いただきましょう 通して見ていただきます はじめは1枚の 紙になっています ここには 実用性を備えた― 明視野の蛍光顕微鏡に 必要な部品がそろっています 3つの部分から なっています 光学的部分 照明部分 それから 機械的部分です 一番下には マイクロ光学レンズが 紙自体に 埋め込まれています どうするかというと まず手に取り おもちゃで 遊ぶような感じで 実際そうですからね 切り抜いて 離します

この紙には何の言葉も 説明も書かれていません 色で印が つけられていますので それに従って折り進めれば 顕微鏡を作ることができます 完成すると こんな感じになります 標準的な顕微鏡にある すべての機能を備えています XYステージもそうです 試料のスライドを 載せるところで ちょうどここです ここは変えたく なかったんです というのも これが標準として 長年 使われてきていて 医療関係者の多くは これに慣れているからです こちらは 変えましたが 標準的な染色法は そのまま 様々な病気診断に 使うのです これを 差し込みます XYステージも ありますし 焦点を合わせることも できます たわんだ構造が 紙に組み込まれており これによって レンズを動かし ミクロン単位で 焦点を調整できるのです

この顕微鏡の 面白いところは― これをすると 学生は嫌うんですが やってしまいます― 面白いのは 頑丈さです スイッチを入れたまま 床に落として 思いっきり 踏みつけても 大丈夫です これは― 紙のような 柔軟性が非常に高い 素材でできていますから

もう一つ面白いことがあります これが診断機材として実際に 送られているものですが この封筒には 様々な構成の― 折り紙顕微鏡 30種類が入っています 1つのファイルに すべて入っています 適当に 1つ選びましょう こちらは― マラリア診断専用です マラリア診断用の 特殊な蛍光フィルターが 埋め込まれているんです ここから 特定の病気専用の 顕微鏡を 作るという アイデアが生まれたんです

ここまで こうしたもので 何が見えるのか まだ ご覧いただいていませんね ですから― 照明を少し 落としていただけば この折り紙顕微鏡には 投影機能もあることが分かります この2つの 顕微鏡で 後ろの壁に 映してみます 投影すると ご覧のとおり 顕微鏡をのぞいたままが 映し出されます ご覧いただいているのは― (拍手) こちらは 複眼の断面です ズームしてみますと そこには― Z軸で調整します 複眼のレンズが どう組み合わされているか 断面の模様から 見て取れますね もう一つの例です お気に入りの虫です これを嫌うのが 大好きなんですが 蚊です 家蚊(イエカ)の触角が 見えます ここです ご説明した簡単なもので ここまで できるんです

妻も この顕微鏡の 実地テストを してくれていて 私がポケットに入れっぱなしにした 顕微鏡を 服と一緒に 洗濯機にかけてくれました それで水にも耐えられることが わかりました (笑) 蛍光水に 入れてみます 見えるかどうか 分かりませんが 投影顕微鏡の 仕組みが分かります 光線が投影され 屈折していますね

照明を 戻してください

時間も 押していますので 駆け足でご紹介します 生産コストの点で 一番大きなポイントは ロール・ツー・ロール方式で 作るということでした その結果 この顕微鏡を 50セントで作れました (拍手) これによって 顕微鏡検査に 新しいパラダイムを もたらすことができます 「使い捨て式 顕微鏡検査」です 簡単に この顕微鏡が どんな構造に なっているのか ご紹介します まず1枚の紙です 私たちは こんな風に 考えていたんです A4サイズの紙で 3つの部分が ありますね そして光学部品 右上の はめ込み部分ですが このレンズをどうやって 非常に高い生産性で 紙に埋め込むかを 考えないといけませんでした それで自己組織化過程と 表面張力を使い 紙にアクロマート・レンズを 埋め込むことにしました そこにレンズがあり こちらに光源があります そして 最後には 折り紙の原理によって 全ての部品がきれいに並びます 折り紙をすることで ミクロン単位の 正確さで光学調整が できるのです シンプルなおもちゃに 見えるかもしれませんが その背後にある 工業技術は 本当に 精巧なものです

もう一つ 私たちがするのは― この顕微鏡が 頑丈というのを 示すために よくすることですが― 3階から 下に顕微鏡を落とすことです ご覧のとおり 無事でしたね

ですから 私たちが次に目指しているのは 実地試験を 仕上げることです この夏の終わりから 始めるつもりですが 顕微鏡を千個単位で 量産します これほどまでに たくさんの顕微鏡を 一つの場所で 使って実地試験をするのは 初めてのことになります マラリアやシャーガス病 ランブル鞭毛虫症の患者さんに 自らデータを送ってもらっています

最後に この写真を お見せしたいと思います 私自身 思いも よらなかったことですが 実践的な科学教育と 世界的な健康問題は つながっています 私たちは 子どもたちに 何を残せるでしょう? 子どもたちは 明日のため モンスタースープと 戦っていかなければ いけないのです 子どもたちには 顕微鏡を印刷して ポケットに入れ 持ち歩いてほしい そう願っています



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