我來自位于瑞士蘇黎世的IBM歐洲研發(fā)中心，我們團(tuán)隊(duì)的主要工作是針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)微流體技術(shù)。兩年前，我要為一場(chǎng)大型技術(shù)活動(dòng)提供我們微流控芯片的高質(zhì)量照片和視頻。我向同事借了一臺(tái)4K攝影機(jī)，在上面增加了一個(gè)微距鏡頭，用LED矩陣和聚酯薄膜制作了一個(gè)專用的光擴(kuò)散器，再用高端三腳架和幾個(gè)顯微操縱器定位所有部件。當(dāng)液體充滿微流體通道時(shí)，我拍出了非常吸引人的視頻。我很清楚，這應(yīng)成為出版物和各類展示質(zhì)量與風(fēng)格的新水準(zhǔn)。但是，我的拍照裝置占據(jù)了實(shí)驗(yàn)室的半個(gè)工作臺(tái)，需要幾個(gè)小時(shí)的細(xì)致調(diào)整才能拍出一張照片。

IBM歐洲研發(fā)中心一直有發(fā)明顯微鏡的傳統(tǒng)。1981年，格爾德?賓尼（Gerd Binnig）和海因里希?羅勒（Heinrich Rohrer）在這里創(chuàng)造了掃描隧道顯微鏡。作為DIY愛好者，我很快開始著手制造更好的設(shè)備。結(jié)果便是價(jià)值300美元的模塊化電動(dòng)顯微鏡，并融入了我成年后的3項(xiàng)最愛：微控制器Arduino、樹莓派和樂高。 給微流控芯片拍照片并不容易。這些芯片通常尺寸過大，無法全部納入標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡的視野中，但它們的精細(xì)特性又無法通過常規(guī)相機(jī)解析。由于芯片多以高反射率材料或透明材料制成，均勻的照明也非常關(guān)鍵。看看其他研究小組的出版物便會(huì)發(fā)現(xiàn)，這顯然是一項(xiàng)具有共性的挑戰(zhàn)。為此，我利用部分空閑時(shí)間設(shè)計(jì)了一款多功能的緊湊型實(shí)驗(yàn)室儀器，幾乎可以從任意角度拍攝微距照片。

我的第一個(gè)原型機(jī)是樹莓派相機(jī)模塊，模塊安裝在基座平臺(tái)上，用舊CD-ROM驅(qū)動(dòng)器中的線性步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)3個(gè)維度上的移動(dòng)。樹莓派相機(jī)是理想的選擇，可以手動(dòng)調(diào)整ISO設(shè)置和曝光時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。小心地卸下固定鏡頭的塑料外殼，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器便露出來了，我設(shè)計(jì)了精細(xì)的機(jī)械部件，可對(duì)鏡頭的前后移動(dòng)進(jìn)行微調(diào)，以便拍攝高倍放大的微距照片。這臺(tái)裝置正常工作了一段時(shí)間，但它非常脆弱。有好幾次，我無意中將移動(dòng)部件推出了最大活動(dòng)范圍，導(dǎo)致鏡頭機(jī)械部件和圖像傳感器損壞。

于是我決定換個(gè)方法。我將整個(gè)鏡頭從樹莓派相機(jī)上取下，然后從一臺(tái)廉價(jià)的USB顯微鏡中取出物鏡，安裝在另一個(gè)CD-ROM線性傳動(dòng)器上，令物鏡可以沿著樹莓派相機(jī)的光軸前后移動(dòng)。我用樂高積木造了個(gè)外殼，保護(hù)裸露的相機(jī)傳感器。 然而，這次嘗試除了讓我認(rèn)識(shí)到顯微鏡線性平移臺(tái)昂貴的價(jià)格外，一無所獲。CD-ROM傳動(dòng)器的行程太短，無法實(shí)現(xiàn)高倍放大。 我又換了3D打印機(jī)使用的絲杠機(jī)構(gòu)。用3毫米直徑的組件替代常用的8毫米直徑螺紋、軸和軸承，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。此外，移動(dòng)物鏡會(huì)導(dǎo)致在消除雜散光時(shí)出現(xiàn)問題，因此我決定改為移動(dòng)相機(jī)傳感器。我建了一個(gè)平臺(tái)，拍攝對(duì)象可以沿著x軸和y軸移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)。我一共用了6個(gè)帶齒輪箱的微型步進(jìn)電機(jī)，用于移動(dòng)平臺(tái)、調(diào)整顯微鏡的傾角、調(diào)節(jié)顯微鏡與拍攝對(duì)象的距離并進(jìn)行圖像對(duì)焦。

為實(shí)現(xiàn)更緊湊的結(jié)構(gòu)，我常常自己設(shè)計(jì)Arduino電路板。這次，我設(shè)計(jì)的是18毫米×18毫米的電路板，配備了ATtiny84微控制器和DRV8834步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。此裝置的圖像質(zhì)量令人驚嘆，不僅可拍攝精美的芯片圖片，還能用于觀查物體尺寸僅為幾微米的特征，甚至還可以用作測(cè)量接觸角的數(shù)字測(cè)角儀。我做這個(gè)項(xiàng)目本是為了滿足特定的需求，但我逐漸認(rèn)識(shí)到，它也可以成為能夠在家中或?qū)W校組裝并使用的多功能圖像系統(tǒng)。

IBM和我的經(jīng)理都支持我公開共享組裝說明。但當(dāng)我準(zhǔn)備公開發(fā)布組裝說明時(shí)，卻遇到了一系列問題。在制作過程中，我用的是最先進(jìn)的3D打印機(jī)和設(shè)備齊全的機(jī)械車間。另外，小型步進(jìn)電機(jī)價(jià)格昂貴，在一般的電子產(chǎn)品商店中難以找到。通過專用的ISP編程器對(duì)ATtiny84進(jìn)行編程也肯定不如通過USB端口對(duì)商業(yè)Arduino主板編程那么容易。于是，我坐回繪圖板前，用常見的組件重新設(shè)計(jì)了所有內(nèi)容，例如Arduino主、Adafruit Industries的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以及28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，這些花上幾美元便能在任何地方買齊。為了對(duì)DIY人士更友好，同時(shí)降低成本，我還替換掉了LED矩陣光源，以3美元的價(jià)格從Adafruit買了LED背光模塊并連接了大功率LED。強(qiáng)度略低于原始的LED矩陣，但反射光和透射光顯微鏡的光照均勻度都很好。至于新的線性傳動(dòng)裝置，我用FreeCAD的齒輪工具箱設(shè)計(jì)了齒條齒輪組合，將它與樂高的“滑動(dòng)”塊組裝在一起，用自己的Creality Ender 3打印機(jī)打印出來。新設(shè)計(jì)與原先版本相比，即使沒有改進(jìn)，但也效果不錯(cuò)。 改進(jìn)的空間可能還有許多，我希望這一原型能夠帶動(dòng)其他DIY人士嘗試更好的新想法。有可能替代實(shí)驗(yàn)室顯微鏡嗎？也許不能，但對(duì)預(yù)算有限的學(xué)校而言卻不失為一個(gè)極好的解決方案，所以我們開源了說明文件，供大家調(diào)取并享受動(dòng)手的樂趣。