一款多功能的紧凑型实验室仪器

我来自位于瑞士苏黎世的IBM欧洲研发中心，我们团队的主要工作是针对医疗应用开发微流体技术。两年前，我要为一场大型技术活动提供我们微流控芯片的高质量照片和视频。我向同事借了一台4K摄影机，在上面增加了一个微距镜头，用LED矩阵和聚酯薄膜制作了一个专用的光扩散器，再用高端三脚架和几个显微操纵器定位所有部件。当液体充满微流体通道时，我拍出了非常吸引人的视频。我很清楚，这应成为出版物和各类展示质量与风格的新水准。但是，我的拍照装置占据了实验室的半个工作台，需要几个小时的细致调整才能拍出一张照片。

IBM欧洲研发中心一直有发明显微镜的传统。1981年，格尔德•宾尼（Gerd Binnig）和海因里希•罗勒（Heinrich Rohrer）在这里创造了扫描隧道显微镜。作为DIY爱好者，我很快开始着手制造更好的设备。结果便是价值300美元的模块化电动显微镜，并融入了我成年后的3项最爱：微控制器Arduino、树莓派和乐高。 给微流控芯片拍照片并不容易。这些芯片通常尺寸过大，无法全部纳入标准显微镜的视野中，但它们的精细特性又无法通过常规相机解析。由于芯片多以高反射率材料或透明材料制成，均匀的照明也非常关键。看看其他研究小组的出版物便会发现，这显然是一项具有共性的挑战。为此，我利用部分空闲时间设计了一款多功能的紧凑型实验室仪器，几乎可以从任意角度拍摄微距照片。

我的第一个原型机是树莓派相机模块，模块安装在基座平台上，用旧CD-ROM驱动器中的线性步进电机机构来实现3个维度上的移动。树莓派相机是理想的选择，可以手动调整ISO设置和曝光时间等关键参数。小心地卸下固定镜头的塑料外壳，互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器便露出来了，我设计了精细的机械部件，可对镜头的前后移动进行微调，以便拍摄高倍放大的微距照片。这台装置正常工作了一段时间，但它非常脆弱。有好几次，我无意中将移动部件推出了最大活动范围，导致镜头机械部件和图像传感器损坏。

于是我决定换个方法。我将整个镜头从树莓派相机上取下，然后从一台廉价的USB显微镜中取出物镜，安装在另一个CD-ROM线性传动器上，令物镜可以沿着树莓派相机的光轴前后移动。我用乐高积木造了个外壳，保护裸露的相机传感器。 然而，这次尝试除了让我认识到显微镜线性平移台昂贵的价格外，一无所获。CD-ROM传动器的行程太短，无法实现高倍放大。 我又换了3D打印机使用的丝杠机构。用3毫米直径的组件替代常用的8毫米直径螺纹、轴和轴承，使结构更为紧凑。此外，移动物镜会导致在消除杂散光时出现问题，因此我决定改为移动相机传感器。我建了一个平台，拍摄对象可以沿着x轴和y轴移动并旋转。我一共用了6个带齿轮箱的微型步进电机，用于移动平台、调整显微镜的倾角、调节显微镜与拍摄对象的距离并进行图像对焦。

为实现更紧凑的结构，我常常自己设计Arduino电路板。这次，我设计的是18毫米×18毫米的电路板，配备了ATtiny84微控制器和DRV8834步进电机驱动器。此装置的图像质量令人惊叹，不仅可拍摄精美的芯片图片，还能用于观查物体尺寸仅为几微米的特征，甚至还可以用作测量接触角的数字测角仪。我做这个项目本是为了满足特定的需求，但我逐渐认识到，它也可以成为能够在家中或学校组装并使用的多功能图像系统。

IBM和我的经理都支持我公开共享组装说明。但当我准备公开发布组装说明时，却遇到了一系列问题。在制作过程中，我用的是最先进的3D打印机和设备齐全的机械车间。另外，小型步进电机价格昂贵，在一般的电子产品商店中难以找到。通过专用的ISP编程器对ATtiny84进行编程也肯定不如通过USB端口对商业Arduino主板编程那么容易。于是，我坐回绘图板前，用常见的组件重新设计了所有内容，例如Arduino主、Adafruit Industries的步进电机驱动器，以及28BYJ-48步进电机，这些花上几美元便能在任何地方买齐。为了对DIY人士更友好，同时降低成本，我还替换掉了LED矩阵光源，以3美元的价格从Adafruit买了LED背光模块并连接了大功率LED。强度略低于原始的LED矩阵，但反射光和透射光显微镜的光照均匀度都很好。至于新的线性传动装置，我用FreeCAD的齿轮工具箱设计了齿条齿轮组合，将它与乐高的“滑动”块组装在一起，用自己的Creality Ender 3打印机打印出来。新设计与原先版本相比，即使没有改进，但也效果不错。 改进的空间可能还有许多，我希望这一原型能够带动其他DIY人士尝试更好的新想法。有可能替代实验室显微镜吗？也许不能，但对预算有限的学校而言却不失为一个极好的解决方案，所以我们开源了说明文件，供大家调取并享受动手的乐趣。