科研er的動手能力be like：手搓一台反浩克裝甲

對幾乎所有專(zhuan) 業(ye) 來說，趁手好用的科研工具都可算是決(jue) 定一個(ge) 項目成敗的關(guan) 鍵。但是，如果根本不存在正確的工具，會(hui) 發生什麽(me) 情況呢？

這種“潮流”背後的現實，即現成的工具往往存在不足：它們(men) 要麽(me) 成本太高，要麽(me) 無法完全滿足需求。在相對較新的研究領域，比如納米塑料等尤其如此，資助者和製造商跟不上這些研究的步伐。

不管是funding的壓力還是實驗的需求，新生代的科學家們(men) 正客串起臨(lin) 時工程師的角色。他們(men) 從(cong) 頭開始設計和編程機器，以填補自己研究需求的空白。

作為(wei) 未來各大lab的打工人，你一定會(hui) 想：坑爹呢這是！打工我還得自備生產(chan) 工具的嘛。可誰讓現實比人強，這不《Nature》前段時間就有篇文章介紹了三位科研狗“自製裝備”的經驗，希望對廣大童鞋有所幫助——

進化是我們(men) 擁有的用於(yu) 蛋白質工程最強大的工具之一。就像你可以培育狗來嗅出癌症或培育玫瑰具有某種顏色一樣，你可以在分子水平上指導進化——這對於(yu) 發現蛋白質很有用。

在 MIT 攻讀蛋白質工程博士學位時，我研究了一種名為(wei) PACE（phage-assisted continuous evolution 噬菌體(ti) 輔助連續進化）的技術，這是一種利用病毒進化來設計蛋白質的快速方法。我們(men) 使用了M13噬菌體(ti) ，這是一種感染細菌後能在短短20分鍾繁殖的病毒。

問題在於(yu) 進化是不可靠的：有時生物會(hui) 滅絕，因為(wei) 它們(men) 進化得太慢，跟不上環境的變化。當用它來設計蛋白質時，研究人員需要向生態係統提出適量的挑戰，以推動病毒進化而不殺死它們(men) 。

在攻讀博士學位期間，我設計了一個(ge) 機器人來照顧我的蛋白質的進化。PRANCE（phage and robotics assisted near continuous evolution 噬菌體(ti) &機器輔助的近連續進化）可以同時監測數百個(ge) 不斷進化的群體(ti) 。如果它注意到一個(ge) 種群即將滅絕，它會(hui) 讓環境變得更容易容忍——因此製造更好的蛋白質的命中率會(hui) 從(cong) 0 變成 100。

PRANCE 隻應用了基本的機器人技術，但卻能完成一些非常酷的事情。作為(wei) 一個(ge) 液體(ti) 處理機器人，它使用移液器來運輸物質。它還使用讀板器來測量微生物種群的發光，以了解它們(men) 是否生機勃勃或即將滅絕。

機器人可能不如人類聰明，但它們(men) 可以 24x7 地進行移液。生物學家往往喜歡複雜的事物，但現實往往是越簡單越好。我在 MIT 建造了兩(liang) 台這樣的機器，在弗朗西斯·克裏克研究所則有另一台。

隻需購買(mai) 、插入並按下按鈕即可的精美桌麵設備和自己手搓儀(yi) 器之間可謂天差地別。建造第二台 PRANCE 機器人是一個(ge) 真正的成熟過程：我們(men) 發現所有我們(men) 不知道的依賴關(guan) 係都很重要。實際上，每當我們(men) 製造新的工具時，事情就會(hui) 變得更容易。

發明來自於(yu) 冒險，你的第一版工具可能簡陋到是用膠帶攢起來的，但隨後你又製作了另一個(ge) 版本，然後又迭代到下一個(ge) 版本……然後某一天你會(hui) 突然發現自己的裝備已經從(cong) 馬克1變成了反浩克裝甲。

在 NPL，我們(men) 的主要職責是研究、開發和維護測量標準。我的專(zhuan) 業(ye) 領域涉及測量結構，正在與(yu) 英國鐵路運營商 Network Rail 開展合作以升級對全國火車隧道的監控。

NickMcCormick

英國的鐵路網是維多利亞(ya) 時代工程中的一項壯舉(ju) ，絕大部分建於(yu) 19世紀30到70年代。仍在運營的700條隧道總長約320公裏，其中約有 80% 還是用一兩(liang) 百年前的磚石建造的。考慮到它們(men) 的年齡，高頻率的安全檢查尤為(wei) 重要。

但現實是，隧道檢查仍然像十九世紀那樣靠人眼辨別。工人們(men) 拿著手電穿過隧道，觀察內(nei) 部情況，偶爾用棍子敲擊隧道，看看是否有任何材料鬆動或開始碎裂。工作環境困難且危險；長長的隧道髒亂(luan) 不堪。列車必須停下來等待檢查，幾乎所有工作都在周日淩晨2點至4點之間，否則將造成乘客延誤。

為(wei) 了完成 Network Rail 的委托，我們(men) 開發了名為(wei) DIFCAM Evolution 的高分辨率攝像係統，以此遠程繪製隧道內(nei) 部地圖。該設備基於(yu) 非常複雜的立體(ti) 線掃描相機，可以捕獲全彩圖像，還可以生成高度圖。它可以安裝在火車上，在時速 100 公裏的情況下工作。它掃描隧道表麵，拍攝數千張照片，使我們(men) 能夠評估隧道的形狀和紋理。

DIFCAM 還能夠幫助識別各種各樣潛在的問題。例如，可以通過隧道高度和砂漿深度的微小變化來檢測有從(cong) 隧道內(nei) 部掉落危險的磚塊。比較一段時間內(nei) 的圖像使我們(men) 能夠監測變化率，預測一塊磚石是否即將倒塌，並確定周圍的砂漿是否仍然足夠。

我們(men) 使用數字圖像相關(guan) 性——在非常高的放大倍率下逐個(ge) 像素地比較兩(liang) 幅圖像，並觀察結構是如何變化的。

最大的挑戰來自穿過隧道時，無法使用 GPS 定位。因此我們(men) 使用車輪上的編碼器來觸發攝像頭，從(cong) 而一次生成一行圖像。我們(men) 還使用特殊的相機來測量設備沿火車軌道床的位置，以提高測量的可靠性。高度比較圖像還可用於(yu) 估計修複可能需要多少材料，然後評估修複是否正確完成。

圖像數據能幫助處理各種各樣的問題。最重要的是，成像使我們(men) 能夠從(cong) 方程式中消除人眼的主觀性。

2017年，我在阿爾卑斯山上海拔3000多米的鬆布裏克天文台（Sonnblick Observatory）工作，收集和分析雪樣，研究比如冰芯中的有機物，以此揭示大氣變化如何影響氣溶膠和有機物。為(wei) 了準確起見，尋找未受汙染的雪原地帶非常重要，這也是我到鬆布裏克的原因。

我們(men) 蒸發樣本中的水，然後燃燒殘留物並分析蒸汽。結果顯示：到處都發現了塑料納米粒子的證據，主要是聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯，直徑通常小於(yu) 200微米。這讓我意識到需要自己動手開發一台儀(yi) 器，以便更準確地分析這些塑料顆粒。

海洋中的微塑料汙染眾(zhong) 所周知，科學家們(men) 通常使用孔徑大約300微米的網來過濾測量。但最近我們(men) 才意識到塑料會(hui) 碎裂成越來越小的顆粒並通過空氣傳(chuan) 播。用光譜法識別納米尺寸顆粒具有挑戰性，因為(wei) 設備中使用的波長對於(yu) 顆粒尺寸來說太大，並且激光會(hui) 引起太多反射。

我花了三周的時間埋頭編碼。這台基於(yu) TD-PTR-MS（熱解吸 - 質子轉移反應 - 質譜法）方法的機器既是一部物理設備，也是一個(ge) 軟件。物理組件使用真空從(cong) 樣品中除去水分而不汙染樣品。然後，水被轉移到我開發的另一個(ge) 係統中——實際上是一個(ge) 黑匣子，可以像一個(ge) 非常小的烤箱一樣控製溫度。我需要使盒子能夠與(yu) TD-PTR-MS 儀(yi) 器通信，以分析樣品並識別其中發現的塑料痕跡，因此需要定製軟件，然後我又使用開源程序從(cong) 頭開始構建該軟件。

我們(men) 在烏(wu) 得勒支大學（Utrecht University）開發了幾個(ge) 這樣的係統，然後在萊比錫的亥姆霍茲(zi) 環境研究中心（Helmholtz Centre for Environmental Research）也有一個(ge) 。

因為(wei) 這套係統的加持，我現在已獲準招聘博士生，並將項目範圍拓展到城市和鄉(xiang) 村居住空間以及湖泊和海洋中的納米塑料。