积木搭建出“纳米级”显微镜

  在为期一周的暑期学校活动中,这30多位国际学生参与者接触并亲自运用包括3D打印、需求驱动的设计过程在内的最新科技。他们与清华、北大的多个实验室协作,并探访国家纳米科学技术中心、微电子研究所、北京创客空间,感受科技氛围。

来源:北京晚报 2013-9-17 张航

  这场由世界著名积木品牌乐高公司赞助的活动,鼓励大学生充分发挥创造性,用廉价简单的元件,甚至是乐高积木,设计、制造并推广适用于中国高中学校的低成本纳米级显微镜,构想如何通过未来广泛分布在全国各中学的显微镜及其联成的设备网络,使高中生主动地开展科学研究和理论实践。

  作为此次课程的组织者,顾学雍告诉记者,显微镜是高中常见的教学仪器,但一般的光学显微镜放大倍数不高,有时不能满足学生的需求。原子力显微镜造价又很高,平均造价在10万元以上。而积木显微镜的造价不会超过千元,两者相差100倍。这次暑期学校的课程,目的是启发大学生能够面向中学和中学生,设计出他们适用的原子力显微镜,作为课堂教学的道具。

  “原子力显微镜是非常高科技的东西,我在研究中经常会用到它。当我看到这个活动的时候,我想,这么高科技的东西,用积木造出来,不是很有挑战性吗?”张运炎说,“所以,我就从英国跑回来玩积木了!”

  顾学雍说,虽然评比结束,但是这个制造1000元以下原子力显微镜的活动会继续下去,中英两国的大学生们继续通过互联网推进这个项目,进一步完善他们的成果。

创新就是一切皆有可能

积木显微镜造价省了99%

  这些来自不同教育背景的大学生与研究生,在充满竞争与合作的环境中接受挑战,在一个星期内设计出低成本、适用于高中学校的原子力显微镜。

  此外记者了解到,部分积木显微镜的实践者还将获得海外交流的机会。4位中国大学生和4位英国大学生将获得推选参加明年的一项全球活动。“原子力电子显微镜项目到时候会向全世界发布,让全世界的人们按照我们的设计来制作便宜的原子力显微镜。”弗朗索瓦教授说。而在中学教师看来,这无异于一次新的教学技术革命。

  在各个小组做完设计成果的PPT展示之后,专家组成的评委对设备也进行了“验收”,他们分别按照设备的分辨率灵敏度;美学和工程设计成果的创新性、新颖性以及成本控制;显微镜科学实践应用的质量以及应用于初高中群体的适合度以及数据共享和网络元素这四项检验标准进行了评比。

  在评委到来前,第3组组员张运炎还在抓紧调试他们组制作的原子力显微镜,他毫不掩饰自豪感:“我们设计的装置结构非常巧妙,绝大部分积木,配合少量的金属元件固定就能完成。”这位英国伦敦大学博士二年级的学生今年科研做得不错,导师“特批”了他一个月的假期,他就报名参加了这个活动。“原子力显微镜是非常高科技的东西,我在研究中经常会用到它。当我看到这个活动的时候,我想,这么高科技的东西,用积木造出来,不是很有挑战性吗?所以,我就从英国跑回来玩积木了!”

  当然,最重要的活动还是制造原子力显微镜,“这是一个很有趣的活动,组员都是来自不同的背景的学生:不同的国家、不同的大学、不同的专业,因此我们有不同的思维模式和不同的观测角度。而我们用不同的观测角度来共同构建这个东西,尽管大家分别负责不同的部分,但又有共同交流。我也能看看他们看问题的角度是怎么样的。”张运炎说。

  搭建的学生告诉记者,不要小看这个略显粗糙的“机器人”,积木块上面安装了高精度的光电二极管、压电陶瓷管等元件。固定装置发射出的激光通过悬臂反射,照射在光电二极管上,随着不同位置的变化,得出不同的反射角度,这些角度数据通过计算机芯片还原,就能得到被观察物体的表面三维形状。

  这是清华大学主办的第三届中英暑期学校LEGO2NANO原子能显微镜设计大挑战的最后一天,也是大家最为激动的时刻,来自英国、中国的权威专家们会从这四个组中选出最终的优胜者。

  近日,记者在清华大学见到了这些显微镜。初一看,还以为就是用一块块小积木搭建出的玩具机器人,高约30厘米。唯一能看出“高科技”的地方就是它们布满了各种线路,“这样的家伙,能看到我们所看不到的东西?”

“从英国跑来玩积木”

  这个暑假,在清华大学国际暑期学校,来自牛津大学、伦敦大学、清华大学、北京大学等国内外高校的30多名大学生,5至7人分成一组,在五天的时间内连续奋战,用积木搭建出一台可以使用的原子力显微镜。整个搭建过程除了使用乐高积木外,学生们还使用基础工业训练中心的3D打印机,打印了一些部件。

  而其中还会有4位中国同学和4位英国同学被推选出来参加明年6月乐高公司的全球活动。“我们的这个项目会向全世界发布,让全世界的人们按照我们的设计来制作便宜的原子力显微镜。”弗朗索瓦教授说。

  相对于一些大学的“暑期学校”以游学、放松为主的课程,这个暑期学校挑战项目可谓是“高强度苦行军”,很少有娱乐活动安排,学生需要全方位调动自己的能力,长时间泡在实验室里,在极其有限的时间内完成一架显微镜的制作,这对每个人都是一项艰巨的挑战。

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