Manu Prakash

Innovations that made expensive things cheap: a 50-cent microscope that folds like origami

Innovationen, die teure Dinge billig machten: Ein 50-Cent-Mikroskop, das sich wie Origami faltet

Innovaciones que hicieron que las cosas caras fueran baratas: un microscopio de 50 centavos que se pliega como el origami

Des innovations qui ont fait des choses chères à peu de frais: un microscope de 50 centimes qui se plie comme l’origami

Auf Deutsch

Wir schreiben das Jahr 1800. Über eine merkwürdige kleine Erfindung wird gesprochen. Es heißt ein Mikroskop. Was es Ihnen ermöglicht, ist, winzige Lebensformen zu sehen, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Bald kommt die medizinische Entdeckung, dass viele dieser Lebensformen tatsächlich Ursachen für schreckliche menschliche Krankheiten sind. Stellen Sie sich vor, was mit der Gesellschaft passiert ist, als sie realisierten, dass eine englische Mutter in ihrer Teetasse tatsächlich eine Monstersuppe trank, nicht sehr weit von hier. Dies ist aus London.

Fast forward 200 Jahre. Wir haben immer noch diese Monster-Suppe, und sie hat sich in den Entwicklungsländern rund um den tropischen Gürtel festgefahren. Nur für Malaria selbst gibt es eine Million Todesfälle pro Jahr, und mehr als eine Milliarde Menschen müssen getestet werden, weil sie ein Risiko für verschiedene Arten von Malaria-Infektionen haben.

Jetzt ist es wirklich sehr einfach, vielen dieser Monster ein Gesicht zu geben. Sie nehmen einen Fleck, wie Acridinorange oder einen fluoreszierenden Fleck oder Giemsa, und ein Mikroskop, und Sie sehen sie an. Sie alle haben Gesichter. Warum ist das so, dass Alex in Kenia, Fatima in Bangladesch, Navjoot in Mumbai und Julie und Mary in Uganda noch Monate warten müssen, um diagnostizieren zu können, warum sie krank sind? Und das liegt vor allem daran, dass die Skalierbarkeit der Diagnose völlig unerreichbar ist. Und erinnere dich an diese Zahl: eine Milliarde.

Das Problem liegt beim Mikroskop selbst. Die Forschungsmikroskope sind zwar nicht die Spitze der modernen Wissenschaft, aber nicht für Feldtests geeignet. Sie wurden auch nicht zuerst für die Diagnose entwickelt. Sie sind schwer, sperrig, sehr schwer zu warten und kosten viel Geld. Dieses Bild ist Mahatma Gandhi in den 40er Jahren mit dem gleichen Setup, das wir heute für die Diagnose von TB verwenden. in seinem Ashram in Sevagram in Indien.

Zwei meiner Schüler, Jim und James, reisten durch Indien und Thailand und begannen, über dieses Problem nachzudenken. Wir sahen alle Arten gespendeter Ausrüstung. Wir sahen Pilze auf Mikroskopobjektiven wachsen. Und wir haben Leute gesehen, die ein funktionierendes Mikroskop hatten, aber nur nicht wussten, wie man es anschaltet. Was aus dieser Arbeit und dieser Reise entstand, war eigentlich die Idee von dem, was wir Faltungsscopes nennen.

Was ist ein Faltungsscope? Ein Foldscope ist ein voll funktionsfähiges Mikroskop, eine Plattform für Fluoreszenz, Hellfeld, Polarisation, Projektion, alle Arten von fortgeschrittener Mikroskopie, die rein aus gefaltetem Papier besteht. Also, jetzt denkst du, wie ist das möglich? Ich werde Ihnen hier einige Beispiele zeigen, und wir werden einige von ihnen durchgehen. Es beginnt mit einem einzelnen Blatt Papier. Was Sie hier sehen, sind alle möglichen Komponenten, um ein funktionelles Hellfeld- und Fluoreszenzmikroskop zu bauen. Also, es gibt drei Stufen: Es gibt die optische Bühne, die Beleuchtungsstufe und die Maskenhaltestufe. Und es gibt eine Mikrooptik an der Unterseite, die tatsächlich in das Papier selbst eingebettet ist. Was Sie tun ist, nehmen Sie es an, und genau wie Sie spielen wie ein Spielzeug, was es ist, ich Tab ab, und ich breche es ab.

Dieses Papier enthält keine Anweisungen und keine Sprachen. Es gibt einen Code, einen eingebetteten Farbcode, der genau sagt, wie man das spezifische Mikroskop faltet. Wenn es fertig ist, sieht es ungefähr so ​​aus, hat alle Funktionen eines Standardmikroskops, genau wie ein XY-Tisch, ein Platz, an dem eine Probenrutsche hingehen könnte, zum Beispiel genau hier. Das wollten wir nicht ändern, denn das ist der Standard, der über die Jahre optimiert wurde, und viele Gesundheitspersonal sind daran gewöhnt. Das ändert sich, aber die Standardflecken bleiben für viele verschiedene Krankheiten gleich. Sie knacken das ein. Es gibt einen XY-Tisch, und dann gibt es einen Fokussiertisch, ein Biegemechanismus, der selbst in Papier eingebaut ist und es uns ermöglicht, die Linsen in Mikronschritten zu bewegen und zu fokussieren.

Also, was ist wirklich interessant an diesem Objekt, und meine Schüler hassen, wenn ich das tue, aber ich werde das trotzdem tun, sind das robuste Geräte. Ich kann es einschalten und auf den Boden werfen und wirklich versuchen, darauf zu stampfen. Und sie halten, auch wenn sie aus einem sehr flexiblen Material wie Papier bestehen.

Eine weitere lustige Tatsache ist, dass wir tatsächlich als Standard-Diagnose-Tool dorthin gesendet werden, aber hier in diesem Umschlag habe ich 30 verschiedene Faltschemata mit unterschiedlichen Konfigurationen in einem einzigen Ordner. Und ich werde eins nach dem Zufallsprinzip auswählen. Es stellt sich heraus, dass es speziell für Malaria entwickelt wurde, weil es fluoreszierende Filter speziell für die Diagnose von Malaria hat. Daraus ergibt sich die Idee sehr spezifischer Diagnosemikroskope.

Bis jetzt haben Sie nicht wirklich gesehen, was ich von einem dieser Setups sehen würde. Also, was ich gerne tun würde, ist, wenn wir die Lichter dimmen könnten, bitte, es stellt sich heraus, dass Falttafeln auch Projektionsmikroskope sind. Ich habe diese zwei Mikroskope, die ich drehen werde – gehe zur Rückseite der Wand – und projiziere einfach, und auf diese Weise wirst du genau sehen, was ich sehen würde. Was Sie sehen – (Applaus) – Dies ist ein Querschnitt eines zusammengesetzten Auges, und wenn ich näher heranfahre, gehe ich direkt durch die z-Achse.

Sie sehen tatsächlich, wie die Linsen im Querschnittsmuster zusammengeschnitten werden. Ein anderes Beispiel, eines meiner Lieblingsinsekten, ich hasse dieses hier, ist eine Mücke, und Sie sehen die Antenne eines Culex Pipiens. Genau da. Alles von der einfachen Einrichtung, die ich tatsächlich beschrieben habe.

Meine Frau hat also einige unserer Mikroskope im Feld getestet, indem sie meine Kleidung gewaschen hat, wann immer ich sie im Trockner vergessen habe. Es stellt sich heraus, dass sie wasserdicht sind und – (Gelächter) – genau hier ist nur fluoreszierendes Wasser, und ich weiß nicht, ob du das tatsächlich sehen kannst.

Dies zeigt Ihnen auch, wie der Projektionsbereich funktioniert. Sie können den Strahl so sehen, wie er projiziert und gebogen wird. Können wir die Lichter wieder anschalten? Ich werde es Ihnen also schnell zeigen, da mir die Zeit davonläuft, wie viel es für uns kostet, die größte Idee war die Rolle-zu-Rolle-Fertigung, also haben wir diese aus 50 Cent gebaut von Teilen und Kosten. (Applaus)

Und was wir tun können, ist, über ein neues Paradigma in der Mikroskopie nachzudenken, das wir “Nutz-und-Wurf-Mikroskopie” nennen. Ich werde Ihnen einen kurzen Schnappschuss von einigen der Teile geben, die hineingehen. Hier ist ein Blatt Papier. Das war, als wir über die Idee nachdachten. Dies ist ein A4-Blatt Papier.

Dies sind die drei Phasen, die Sie tatsächlich sehen. Und die optischen Komponenten, wenn man sich die Einfügung auf der rechten Seite anschaut, mussten wir einen Weg finden, um Linsen in Papier selbst mit wirklich hohen Durchsätzen herzustellen, so verwendet es einen Prozess der Selbstmontage und Oberflächenspannung, um achromatische Linsen zu bauen in dem Papier selbst.

Da gehen die Linsen hin. Es gibt einige Lichtquellen. Und im Endeffekt sind alle Teile aufgrund von Origami aneinander gereiht, weil Origami uns die Präzision der optischen Ausrichtung im Mikrometerbereich ermöglicht. Obwohl dies wie ein einfaches Spielzeug aussieht, sind die Aspekte des Engineerings, die so etwas beinhalten, ziemlich anspruchsvoll.

Also hier ist eine andere offensichtliche Sache, die wir typischerweise tun würden, wenn ich zeigen würde, dass diese Mikroskope robust sind, in den dritten Stock gehen und ihn vom Boden selbst fallen lassen. Da ist es, und es überlebt. Der nächste Schritt ist also eigentlich der Abschluss unserer Feldversuche. Wir fangen am Ende des Sommers an.

Wir sind in einem Stadium, wo wir Tausende von Mikroskopen machen werden. Das wäre das erste Mal, dass wir Feldversuche mit der höchsten Dichte an Mikroskopen an einem bestimmten Ort durchführen würden. Wir haben begonnen, Daten von Patienten für Malaria, Chagas-Krankheit und Giardia zu sammeln. Und ich möchte dich mit diesem Bild verlassen. Ich hatte das vorher nicht erwartet, aber eine wirklich interessante Verbindung zwischen praktischer wissenschaftlicher Ausbildung und globaler Gesundheit.

Was sind die Werkzeuge, die wir den Kindern zur Verfügung stellen, die diese Monster-Suppe für morgen bekämpfen werden? Ich würde es lieben, wenn sie ein Klappskop ausdrucken und in der Tasche tragen könnten.

Vielen Dank.

En español

Corre el año 1800. Se habla de un pequeño y curioso invento. Se llama microscopio. Nos permite ver diminutas formas de vida invisibles a simple vista. Pronto llega el descubrimiento médico de que muchas de estas formas de vida en realidad son la causa de enfermedades humanas terribles. Imagínese lo que le pasó a la sociedad cuando se dio cuenta de que una mamá inglesa en su taza de té estaba bebiendo una sopa monstruosa, no muy lejos de aquí. Esto es de Londres. Avanzamos 200 años.

Todavía estamos rodeados por esa sopa monstruosa y se ha afianzado en los países en desarrollo, en todo el cinturón tropical. Solo de malaria hay un millón de muertes al año, y más de 1000 millones de personas a examinar debido a que están en riesgo de contraer distintas especies de infecciones de malaria. Pero es muy fácil ponerle un rostro a muchos de estos monstruos. Con una mancha, como el naranja de acridina o una mancha fluorescente o de Giemsa, y un microscopio, se pueden ver. Todos tienen rostros. Entonces ¿por qué Alex en Kenia, Fátima en Bangladesh, Navjoot en Mumbai, y Julie y Mary en Uganda todavía esperan meses un diagnóstico de por qué están enfermos? Principalmente se debe a que por una cuestión de escala el diagnóstico es totalmente inaccesible.

Recuerden ese número: 1000 millones.

El problema está en el propio microscopio. A pesar de ser el pináculo de la ciencia moderna los microscopios de investigación no están diseñados para pruebas de campo. Ni fueron diseñados en primer lugar para el diagnóstico, en absoluto.Son pesados, voluminosos, muy difíciles de mantener, y cuestan mucho dinero. Esta foto es de Mahatma Gandhi en los años 40 y usa la misma configuración que nosotros hoy para el diagnóstico de tuberculosis en su ashramen Sevagram, India. Dos de mis estudiantes, Jim y James, viajaron por India y Tailandia y pensaron mucho en este problema. Vimos todo tipo de equipos donados. Vimos crecer hongos en las lentes de los microscopios. Y vimos gente que tenía microscopios en funcionamiento pero que no sabían ni cómo encenderlos. De ese trabajo y ese viaje nació la idea de lo que llamamos <i>pliegoscopio</i> [foldscope].

¿Qué es un <i>pliegoscopio</i>? Un <i>pliegoscopio</i> es un microscopio completamente funcional, una plataforma para fluorescencia, campo claro,polarización, proyección, todo tipo de microscopía avanzada que se construye meramente plegando papel.Pensarán, ¿cómo es posible? Les mostraré algunos ejemplos, y veremos algunos en funcionamiento. Empezamos con una hoja simple de papel. Lo que ven aquí son los posibles componentes para construir un microscopio de campo claro y fluorescencia. Hay 3 etapas: La etapa óptica, la etapa de iluminación y la etapa de la máscara de retención. Y hay micro óptica en la parte inferior incrustada en el propio papel.

Entonces, tomamos el papel y, como si de un juguete se tratase, que lo es, cortamos el troquelado, y desprendemos la pieza. Este papel no tiene instrucciones ni idiomas. Tiene un código, un código de color, que indica exactamente cómo plegar ese microscopio específico. Cuando está listo, tiene este aspecto, con las funcionalidades de un microscopio estándar como una platina XY, un lugar donde podría ir el portaobjetos por ejemplo aquí. No queríamos cambiar esto, porque este es el estándar que ha sido optimizado en los últimos años, y muchos trabajadores de la salud están acostumbrados a esto.

Esto es lo que cambia pero las manchas estándar siguen siendo las mismas para muchas enfermedades diferentes. Lo insertamos aquí. Hay una platina XY, y, luego, hay una etapa de enfoque que es un mecanismo de flexión que se construye en el papel mismo que nos permite movernos y enfocar las lentes en pasos de micrones. Lo realmente interesante de este objeto, y mis estudiantes odian cuando hago esto, pero lo haré de todos modos, es que son dispositivos resistentes. Puedo encenderlo y tirarlo en el piso y tratar de pisarlo.Y duran, a pesar de estar diseñados de un material muy flexible, como el papel.

Otro dato curioso es que esto es lo que en realidad mandamos como herramienta de diagnóstico pero aquí, en este sobre, tengo 30 <i>pliegoscopios</i> diferentes con distintas configuraciones, todos en una sola carpeta. Tomaré uno al azar. Este resulta que está diseñado específicamente para la malaria, porque tiene los filtros fluorescentes específicos para el diagnóstico de la malaria. Así, la idea de los microscopios de diagnóstico muy específicos surgió de esto. Hasta ahora no han visto lo que yo vería con una de estas configuraciones.

Por eso me gustaría si pudiéramos bajar las luces, por favor, resulta que los <i>pliegoscopios</i> también son microscopios de proyección. Tengo estos 2 microscopios que voy a girar, ir detrás de la pared, y proyectar, de ese modo verán exactamente lo que yo vería.Lo que están viendo… (Aplausos) Esta es una sección transversal de un ojo compuesto, y cuando me acerque más, justo ahí, me muevo en el eje Z. Ven realmente cómo los lentes están cortados juntos en el patrón de sección transversal.

Otro ejemplo, uno de mis insectos preferidos, me encanta odiarlo, es un mosquito, están viendo la antena de un Culex pipiens. Ahí mismo. Todo a partir de la configuración simple que describí. Mi esposa ha hecho pruebas de campo con algunos de estos microscopios lavando mi ropa cuando los olvido en la secadora. Así que resulta que son a prueba de agua y… (Risas) aquí hay agua fluorescente, y no sé si en realidad se puede ver esto.Esto también muestra cómo funciona el alcance de la proyección. Pueden ver el rayo, cómo se proyecta y se curva.

¿Podemos encender las luces de nuevo? Rápidamente les mostraré, porque me estoy quedando sin tiempo, lo que nos cuesta fabricarlo. La idea principal era la fabricación de rollo a rollo, así construimos este a 50 centavos de partes y costos. (Aplausos) Y esto nos permite pensar en un nuevo paradigma en microscopía, que llamamos microscopía de usar y tirar. Les daré un panorama general de algunas de las partes involucradas. Esta es una hoja de papel. Aquí estábamos pensando la idea. Esta es una hoja de papel A4. Estas son las 3 etapas que ven. Y los componentes ópticos, si miran el recuadro arriba a la derecha, teníamos que encontrar una manera de fabricar lentes en papel para muy altas producciones, por eso usa un proceso de autoensamblado y tensión superficial para construir lentes acromáticas en el propio papel. Ahí van las lentes.

Hay algunas fuentes de luz. Y, esencialmente, a la postre, todas las piezas se alinean gracias al origami, gracias a que el origami nos permite una precisión a escala micrométrica de la alineación óptica. A pesar de parecer un juguete sencillo, los aspectos de ingeniería que contiene algo como esto son bastante sofisticados. Aquí vemos otra cosa obvia que hicimostípicamente para demostrar que estos microscopios son robustos, fuimos al tercer piso y lo dejamos caer al suelo.Ahí está, y sobrevive. Para nosotros, el siguiente paso en realidad es terminar las pruebas de campo.

Estamos empezando a finales del verano. Estamos en una etapa en la que haremos miles de microscopios. Esa sería la primera vez que estaríamos haciendo pruebas de campo con la mayor densidad de microscopios en un lugar dado. Hemos empezado la recolección de datos para la malaria, la enfermedad de Chagas y la giardia de los propios pacientes. Y quiero dejarles esta imagen. Yo no lo había previsto, pero es un vínculo muy interesante entre la educación práctica en ciencias y la salud mundial. ¿Cuáles son las herramientas que les estamos dando a los niños que van a combatir esta sopa monstruosa mañana? Me encantaría que ellos pudieran imprimir un <i>pliegoscopio</i> y llevárselo en sus bolsillos.

Gracias.

En français

Nous sommes en 1800. Une curieuse invention défraie la chronique : le microscope. Il vous permet d’observer des formes de vie minuscules qui sont invisibles à l’œil nu. Peu après, des découvertes médicales ont montré que ces organismes provoquent de nombreuses pathologies graves chez l’homme. Imaginez l’impact dans la société quand on s’est rendu compte que dans sa tasse de thé, une maman anglaise buvait en fait un bouillon de monstres ! Ça se passe près de chez vous. A Londres.

200 ans plus tard. Le bouillon de monstres est toujours là, bien installé dans les pays en voie de développement aux environs de la ceinture tropicale. Le paludisme à lui seul fait un million de morts par an. Il faudrait dépister plus d’un milliard de personnes en situation de risque d’infections.

Pourtant, c’est aujourd’hui très facile de mettre un visage sur ces monstres. Il suffit de prendre une coloration d’acridine orange, ou un colorant fluorescent, du Giemsa par exemple, et de l’observer avec un microscope. Ils ont tout une identité propre. Comment se fait-il alors qu’Alex au Kenya, Fatima au Bangladesh, Navjoot à Bombay, ou Julie et Mary en Ouganda, doivent patienter plusieurs mois pour un diagnostic de leur pathologie ? La cause principale réside dans l’impossibilité de mettre en place des diagnostics évolutifs. Gardez ce nombre à l’esprit : un milliard.

C’est le microscope qui pose problème. Bien qu’ils soient le summum de la science moderne, les microscopes de recherche ne sont conçus ni pour le terrain, ni pour faire des diagnostics. Ils sont lourds, encombrants et difficiles à entretenir. Ils coûtent aussi beaucoup d’argent. Voilà une photo de Mahatma Gandhi dans les années 1940, dans son ashram, à Sevagram, en Inde. Cet endroit est utilisé aujourd’hui tel quel pour dépister la tuberculose.

Deux de mes étudiants, Jim et James ont voyagé à travers l’Inde et la Thaïlande, ce qui les a amené à réfléchir beaucoup à ce problème. Nous avons vu toutes sortes d’équipements dont on avait fait don. On a observé de la moisissure grandir sur des lentilles des microscopes. Et on a vu des gens qui possédaient un microscope en état de marche, mais qui ne savaient pas l’allumer. Ce qui est né de notre voyage et de notre travail, c’est la conception des Foldscopes.

Un “Foldscope”, qu’est-ce que c’est ? Il s’agit d’un microscope tout à fait fonctionnel, qui permet toutes sortes de microscopies avancées : polarisation, projection, fluorescence et fond clair. Ce microscope est fabriqué à partir de pliage en papier. Comment est-ce possible ? Je vais vous montrer quelques exemples. On commence avec une feuille de papier. Ce que vous voyez ici, ce sont tous les composants nécessaires pour construire un microscope fond clair et un à fluorescence. Il y a trois étapes : les stade optique, l’illumination et la table de masque. En bas, il y a des micro-éléments optiques incorporés dans le papier. Pour monter le microscope, on prend la feuille, comme si c’était un jouet. En fait, c’en est un. On enlève les bordures. On sépare chaque élément.

Il n’y a pas d’instruction ou de langue sur cette feuille de papier. Il y a un code couleur, qui indique exactement comment plier ce microscope. Quand c’est fait, il ressemble à peu près à ceci. Ce microscope de papier remplit toutes les fonctions d’un microscope standard, avec une table XY, pour y déposer un échantillon. Ici par exemple. Nous ne voulions pas changer ça car c’est la norme, optimisée au fil des ans. Beaucoup de techniciens y sont habitués. Seule la partie en papier a changé. Mais tous les colorants standards sont identiques pour beaucoup de maladies. On met ça à l’intérieur. Il y a la table XY, et puis il y a la phase de mise au point, qui est un mécanisme de flexure intégré dans le papier et qui nous permet de déplacer la lentille et de faire la mise au point de l’objectif avec précision.

 

 

Ce qui est vraiment génial, c’est qu’ils sont très robustes. Mes étudiants détestent que je fasse cela mais je vais le faire quand-même : Je peux l’allumer et le jeter par terre et essayer de le piétiner. Et ils résistent bien, même s’ils sont construits avec un matériau extrêmement flexible comme le papier.

Un autre fait amusant, et c’est ce que nous envoyons en tant qu’outil standard de diagnostic. Mais dans cette enveloppe, il y a 30 “Foldscopes” différents, avec des configurations différentes, rassemblées dans un seul kit. J’en choisis un au hasard. Celui-ci est destiné au dépistage du paludisme, On le reconnait à ses filtres fluorescents, fabriqués précisément pour diagnostiquer cette maladie. C’est de là que vient l’idée des microscopes pour diagnostic spécifique.

Vous n’avez pas encore vu ce que je vois grâce à l’un de ces appareils. Peut-on baisser la lumière ? Vous remarquerez, que les “Foldscopes” sont aussi des microscopes à projection. J’allume ces deux microscopes et en les orientant vers le mur, je vais y projeter ce que je vois, pour vous montrer le résultat. Ce que vous voyez, (Applaudissements) – C’est une coupe transversale d’un oeil composé, et quand je zoome plus près, juste là, je passe l’axe z. Vous pouvez voir comment les lentilles sont assemblées dans le motif de la section transversale. Un autre exemple : un de mes insectes préférés, que j’adore détester, est le moustique. Voici l’antenne d’un culex pipiens, ou moustique commun. Juste là. Tout ça grâce au simple équipement que je vous ai décrit.

Ma femme a réalisé des essais sur le terrain pour certains microscopes. Elle lave mes vêtements quand je les oublie dans le sèche-linge. Il s’avère que les microscopes sont imperméables aussi. (Rires) – Quand je le plonge dans de l’eau fluorescente, vous pouvez voir comment fonctionne le principe de projection. Vous pouvez voir le rayon tel qu’il est projeté et diffracté.

Peut-on rallumer les lumières ?

Puisqu’il me reste peu de temps, je vais vous parler rapidement du coût de fabrication. L’idée centrale est de fabriquer à partir de rouleaux. Nos coûts de production sont de 50 cents. (Applaudissements) C’est un nouveau paradigme : la microscopie jetable. Je vais vous montrer rapidement quelques composants. Voilà une feuille de papier, format A4. Voilà les trois étapes, très visibles. Vous voyez les composants optiques en haut à droite. On a dû développer dans le papier un système de production de lentilles à haut rendement. On utilise un processus d’auto-assemblage et de tension de surface pour fabriquer des lentilles achromatiques en papier. Donc, les lentilles vont là. Il y a des sources de lumière. Fondamentalement, tous les composants s’alignent à cause de l’origami. L’origami permet en effet une incroyable précision d’alignement des éléments optiques. Alors même si ça ressemble à un simple jouet, l’ingénierie que nous appliquons est vraiment sophistiquée.

Je pourrais aussi vous démontrer que ces microscopes sont robustes en le jetant du troisième étage. Le voici, et il fonctionne toujours.

Les essais de terrain sont notre prochaine étape Nous commencerons à la fin de l’été. Nous allons fabriquer des milliers de microscopes. Ce sera une grande première de réaliser des tests sur le terrain avec un nombre record de microscopes concentrés sur un endroit donné. Nous avons commencé à recueillir chez des patients des données sur le paludisme, la maladie de Chagas et le Giarda.

Je vais terminer avec cette image. C’était tout à fait imprévu mais nous avons découvert un lien intéressant entre l’enseignement pratique des sciences et la santé mondiale. Quels sont les outils que nous allons transmettre à nos enfants afin qu’ils puissent combattre ce bouillon de monstres? J’aimerais beaucoup qu’ils puissent imprimer un “Foldscope” pour l’emporter dans leur poche.

Merci.

In English

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.

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