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讓「帶著顯微鏡闖蕩異世界」變成可能!從bench到口袋,uHandy 行動顯微鏡是如何煉成的?

講到顯微鏡,你腦中浮現的或許還是實驗室中的光學顯微鏡;不過近年來大家開始嘗試挑戰將顯微鏡越縮越小,手機顯微鏡的概念也逐漸出現。手機、平板的方便性和鏡頭的突飛猛進,讓這一切變得可能。而全球第一個將透光式手機顯微鏡商品化的公司,便是在台灣設計、台灣製造,土生土長由億觀生物科技公司所研發的 uHandy 行動生物顯微鏡。

從觀察牲畜精子的《iSperm》,到目前這個長得像車輪餅般討喜外觀的行動顯微鏡,中間到底是如何發展的呢?讓我們一起來一探究竟吧!

 

µHandy 行動生物顯微鏡,跟紅豆餅大小相近卻能做到傳統顯微鏡的放大效果。圖/億觀提供

口袋大小的裝備,讓你看見一微米的世界

全球第一個將商品化的透光式手機顯微鏡,便是在台灣設計、台灣製造,土生土長的 uHandy 行動生物顯微鏡。這次泛科學來拜訪億觀生物科技公司便是希望了解它的誕生過程。億觀生技開發的主要產品就是安裝在手機和平板上、可以攜帶的小型顯微鏡。其中兩位共同創辦人林建明和陳昌佑,我們沒聊幾句,便起身準備實際操作給我們看。只見他們拿起平板電腦,在後鏡頭上安裝一個黑色、棒狀的小裝置,再將樣本放入設計好的容器,螢幕上就出現了一顆顆的細胞。

陳昌佑指著螢幕上一顆一顆的細胞說,這些是豬精子樣本,昨天剛採集、非常新鮮、精子們都活蹦亂跳的。這些肉眼不可見的精子,在螢幕上可說是「粒粒分明」。我們能這麼快速看到精子,歸功於他們開發出的手機顯微鏡。平板後面接的小裝置,就是團隊的第一個產品《iSperm》,它讓畜產業者不再需要拿大型顯微鏡,就能看到豬、牛、馬、羊、雞、鴨等牲畜的精子。還可以透過專用app計算精子濃度、活性,快速提供分析結果和圖表。

顯微鏡,從一顆小玻璃珠開始

三百多年前,雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)用自製顯微鏡看見自己的精子,今天只要有個智慧型手機或平板電腦,搭上一個手機顯微鏡,想要看見只有一微米大小的精子尾巴不是一件難事。

陳昌佑說,微生物學之父雷文霍克最初製作的顯微鏡,就起源於使用小玻璃珠將物體放大。應用同樣的原理,直接將玻璃珠安裝在手機鏡頭後方,功能就類似現在的手機顯微鏡,製作上也相當省錢省力。理論上,玻璃珠可以將物體放大 270 到 330 倍,再加上手機鏡頭本身的放大倍率,確實可以製作出倍率很大的顯微鏡;但直接使用玻璃珠,球狀的邊緣容易變形、影響觀察。

雷文霍克,微生物學之父。圖/by Jan Verkolje@Wiki

陳昌佑說,一開始的研究目標就是為了觀察微小的精子,需要很好的解析度和放大倍率,因此選擇自己設計鏡頭。也因此多走了許多艱辛的路,他們先找光學工程師幫他們設計鏡頭,為了達到設定的「大視野、清楚、高解析度」,就得特別設計透鏡的曲面。設計好透鏡再拿去打樣,並根據實際和各款手機結合使用的結果微調,才終於得到團隊滿意的鏡頭。這個鏡頭成就了億觀生技後來的手機顯微鏡商品。

「我們是全球第一個將透光式手機顯微鏡商品化的公司!」

手機顯微鏡可以配合平板或手機使用。圖/億觀提供

手機顯微鏡還可以賣給誰?

在第一個產品 iSperm 問世後,團隊不斷地問自己,既然它可以看見精子這麼小的細胞,那應該不只能用在畜牧業中吧?心裡這麼想,卻不是很肯定,只好拿著 iSperm 到處找「受試者」。於是團隊找上長期經營部落格「阿簡生物筆記」的國中老師簡志祥,他常在部落格分享自己實驗、教學的紀錄與心得。他們想知道這樣的產品,能不能在學校使用。

陳昌佑回憶,當時阿簡老師為了測試 iSperm 的解析度,直接拿了採血刀來,現場將自己的血液樣本放入觀察,一顆一顆的紅血球就這麼顯現在平板上。不過當團隊問到:「iSperm 適不適合用在教學?」阿簡老師勉強回應:「還可以啦。不過如果你們能做出可以看玻片的版本,我願意在學校推廣。」

對於自然科老師來說,課程上會使用的標本目前大多是玻片,較少是液體;要推廣到學校,iSperm 還得經過一番大變身。

團隊設計使顯微鏡適用於觀察傳統玻片標本。圖/億觀提供

從長鋁棒到「紅豆餅」──設計到工廠加工的差距

為了要能夾起長形的玻片,團隊重新設計了顯微鏡的外型,從一根長棒狀改成像一個紅豆餅般的圓餅狀。這個造型就這麼一直延續到今天,雖然改了材料,但形狀就這麼訂下來了。

第一代手機顯微鏡的外殼是鋁做的,外表呈現金屬色,相當亮眼。但是這個設計讓整個團隊大吃苦頭。建明說最初是從一個實心的鋁棒,請加工廠根據他們的設計挖掉不要的部分。不過因為設計的細節很多,需要加工的次數也就跟著提升,加工廠老闆紛紛搖頭對他們說:「幹嘛設計成這樣!」「不能簡單一點嗎?」不是老闆不願意賺這個錢,而是估算下來一台機器光是製造一個外殼,就得花費 8 分鐘,對加工廠來說不只機器花費時間長,背後還有人力成本。

第一代的 uHandy 行動顯微鏡只能夾長方形玻片使用(左),而且金屬造型的外殼,讓研發團隊在找廠商製作時遇到很多困難。圖/作者拍攝

還好,最後團隊找到一個小加工廠願意幫忙,他們也改用模具鍛造的方式,先做模具再去洗形狀,加工時間減少到一個 3 分鐘,也稍微降低了成本。

「一開始我們用很工程的想法去做設計,後來才發現我們認為已經很簡單的設計,在加工上會遇到許多困難。」

製作第一代時,他們也跟加工廠要求要在外殼上刻字。「我們想要做成跟 iPad 背面刻字一樣的效果。」他們這麼跟加工廠要求,但結果卻不如預期,手機顯微鏡外殼的字就是沒有 iPad 的亮眼、清楚。他們和加工廠討論後,才了解兩者製造過程的差異,又上了一課。

他們將這一款由 iSperm 改良而來的手機顯微鏡,稱作「μHandy」。當時團隊想了很多版本,但他們認為這個產品最重要的是「方便」,因此用了「handy」這個詞。而「μ」(讀作 mu)則是微米(micrometer)的意思,團隊希望這個命名,能夠讓大家知道這個產品能看到微米大小的物體,例如只有 1 微米的精子尾巴。

第一代 uHandy 行動顯微鏡販售套組,目前已停產。圖/億觀提供

不過,因為大家無法直接在鍵盤上打出「μ」,或不知道讀音,也常常改叫它「uHandy」。團隊笑笑地說,「u」也可以是「you」也就是每個人的意思,每個人都會能使用,都能輕鬆探索世界。

然而,這個「輕鬆」卻止於「定價」。第一代金屬板的 uHandy 在台灣賣5900元,在國外賣 199 美元,讓消費者大喊吃不消。光是外殼製作成本就將近 500 元台幣,還不包括鏡頭和其他成本。另一個問題是,金屬製的手機顯微鏡雖然美觀,但貼在平板、手機上觀察時,卻容易因為重量太重,而導致鏡頭與光源吸不緊會在使用中掉落。

第一代賣不到兩千套,團隊又緊鑼密鼓開始構思該怎麼改良,讓 uHandy 能更符合大家的需求。現在能買到的 uHandy 行動顯微鏡是塑膠外殼,重量輕了許多。

uHandy Duet 豪華版》除了設計輕盈許多,還包括了適合收集樣本的貼紙。圖/億觀提供

玻片 bye bye!製作標本用貼紙一貼就上手

以往在學校用複式顯微鏡觀察,總是要先製作一片片的玻片;然而走出學校外,很少人會自己去買蓋玻片、載玻片,更別說把玻片帶出門。即使擁有了可以帶著走的顯微鏡,沒有辦法製作樣本,似乎也發揮不了用途。

「在第一代的時候,我們教使用者用市面上買得到的隱形膠帶貼樣本。」林建明說,只要將貼有樣本的膠帶,貼在 uHandy 的圓形玻片上就可以直接觀察。不過他們也發現,市售隱形膠帶是霧面設計,會影響觀察。也因此他們決定自己重新設計,打造一套更簡便的樣本製作模式。

現在的 uHandy 顯微鏡套組裡,都附有小放大鏡造型的採樣貼紙、長方形的置樣貼紙以及一本樣本紀錄簿。拿著採樣貼紙就可以黏起你想要觀察的樣本,再將採樣貼紙貼到置樣貼紙上,就像是以往製作玻片,將蓋玻片放在載玻片上夾住樣品的程序一樣。不同的是,以往玻片盒整盒裝滿很有重量,現在將製作完成的標本貼到樣本紀錄簿上,即使整本貼滿滿的,也就是一本小筆記本的重量,很輕鬆帶著走。

除了手機顯微鏡之外,研發團隊也開發樣本貼紙,有平面貼紙和厚樣本使用的立體貼紙。圖/億觀提供

甚至如果你是個連用貼紙作樣本都懶的人,他們也提供一個偷懶的觀察法。今(2017)年 uHandy 推出新版《uHandy Duet 豪華版》,一組裡面就有高低倍鏡兩種鏡頭,其中新的低倍鏡只要夾在前鏡頭上就能直接觀察。低倍鏡上有一個塑膠的圓形蓋子,蓋子正中間有一個圓形的凹槽,只要將樣本放在凹槽內就好,不再需要製作樣本。從生態池中採集而來的池水,可以直接滴在凹槽中,找找看有沒有水生微生物;或是拿一根訂書針滴一點硫酸銅,就可以看到銅析出的化學反應過程。

「uHandy 不只是顯微鏡,它還給了使用者製作樣本的能力。」

看見微小的力量

顯微鏡是一個工具、一種能力,它幫助人類超越我們眼睛看的極限。然而重要的是你怎麼使用這樣的能力,在採訪的過程中陳昌佑說,團隊希望透過這個產品給使用者一個方便取得的能力,「擁有這個能力,你可以去探索世界,或者它也是輔助研究的工具,帶領你發現一些從來沒有想過的事情。」

不管是雷文霍克或是虎克,都是出於好奇,而拿著當時剛開始發展的顯微技術看肉眼看不見的世界。現在顯微鏡已經進展到手機、平板搭配可攜式顯微鏡就能觀察的時代,你想要用這個能力做什麼呢?

現在的技術已經讓顯微觀察隨手可及,你想用來做什麼呢?圖/億觀提供

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關於作者

趙軒翎

在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:joanna3422[at]gmail.com