发明纸片离心机的科学家,这次又发明了1美元助听器
2020-09-27 16:27

发明纸片离心机的科学家,这次又发明了1美元助听器

本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:魏潇,头图来自:SCIENCE


还记得三年前登上《自然》子刊的纸片离心机吗?这个成本只有一块钱、由纸片、绳子和塑料做成的“玩具”能在一分半的时间内将血液根据成分离心分层,对条件简陋的偏远地区有着非凡的意义,并且成功地将“节俭科学”又一次带入了公众的视野。


让人惊喜的是,这个纸片离心机的主要发明人之一、论文一作 Saad Bhamla 并没有停下他造福低收入人群的脚步——在本周发表于 PLOS ONE 的论文中,他带领自己的团队推出了“节俭科学”的最新作:1 美元助听器


成本 1 美元


美国佐治亚理工学院化学与分子生物工程学院的助理教授 Saad Bhamla 出生在印度孟买,15 年前他还是个本科生时,想帮年老耳背的外祖父母买一副助听器,却无奈地发现虽然自己买得起笔记本电脑和手机,但是根本负担不起这个小小设备的昂贵价格。


目前全球约有 2.3 亿 65 岁及以上的老年人存在衰老导致的听力障碍,比如难以区分电子蜂鸣声或者“嘶”“滋”这类的高频语音。这不仅会造成交流障碍,还会加速老年人的认知能力下降。但是根据使用者的具体听力定制的、能够放大特定频率声音的助听器十分昂贵,每副将近 5000 美元(约合人民币 3.4 万元),对于中低收入国家的人群来说几乎属于奢侈品。现在市场上也有相对便宜的助听器,它不能根据个人情况定制,但也需要花费大约 500 美元。


这给了 Bhamla 开发廉价设备的想法和动力,他和同事们抛弃了现代助听器使用的数字信号处理器,选择使用现成的低成本零件组装成了一副简易助听设备。首先,他们将微型麦克风焊接到一个小电路板上,用来捕获周围的声音。然后将滤波器和放大器组装进来——这个核心部件可以将频率大于 1000Hz 的声音音量放大,帮助佩戴者听清高频音。最后,用 3D 打印给它做了个外壳,装上音量控制按钮、电源开关以及耳机插孔和电池座,这个名为 LoCHAid 的助听器就完成了。


它看上去有点像二十多年前的随身听,可以被挂在脖子上或者放在衣服胸前的口袋里。最重要的是,只要能看懂 LoCHAid 的组装图,就算不是科学家也能用一把烙铁将这些零件在 30 分钟内装起来——Bhamla 说,按照上述组件的批发价来算,LoCHAid 的制作成本只有 98 美分


1 美元助听器的部件和佩戴效果图。图片来源:论文


在测试中,研究团队发现LoCHAid 可以有针对性地将高频声音提高 15 分贝,同时保证低频声音的质量不被破坏,它还能过滤掉狗叫、汽车喇叭声等突发性干扰。在人工耳上进行的测试也表明,LoCHAid 能够通过改善对话质量,提高个体的语音识别能力。研究者们在论文中表示,它符合世卫组织对于助听产品提出的 6 条建议中的 5 条。


来自美国约翰斯·霍普金斯大学的耳鼻喉医生 Frank Lin 在接受《科学》新闻(Science News) 采访时表示,这项发明“非常具有说服力”。他还指出,如果这一设备能够推广,那么它可能使很多处于认知能力下降边缘的人受益,“理论上来说,听力损伤得到改善后,老年人患痴呆的风险也会跟着降低。”


“节俭科学”传道者


对于 Bhamla 来说,LoCHAid 的诞生又一次证明了他“节俭科学”传道者的身份。2017 年他因为纸片离心机而获得世人关注的时候,还是一名斯坦福大学的博士后,整个发明的主意是由他的合作导师兼印度同胞、斯坦福大学生物工程学教授 Manu Prakash 提出的。Prakash 是一位推崇“节俭科学”并且脑洞巨大的发明者,除了纸片离心机,他还带领团队做出了可以和 iPhone 配套使用的折纸式手持显微镜、可以检测使用者是否感染寄生虫的皮肤贴片、可拆卸组装并且自带 AI 识别系统的便携式扫描显微镜……——全都是低成本用品。


或许是受到了 Prakash 的影响和鼓舞,Bhamla 在斯坦福大学完成博士后研究、成为佐治亚理工学院的助理教授后,没有放弃对开发廉价科学设备的追求。其实在今年年初,他就发表过另一个可以媲美三年前纸质离心机的低成本“新作”:造价 23 美分的细胞电穿孔仪


对于从事分子细胞生物学研究的人来说,电穿孔仪可能是他们最熟悉的实验设备之一。它可以向细胞施加电击,暂时击穿细胞膜或细胞壁,从而使化合物、DNA 或 RNA 等小分子进入细胞内部,帮助研究者完成转染实验。显而易见,这种精细的设备不便宜,单价通常是数千乃至上万美元。Bhamla 和同事们为了找到电穿孔仪的核心替代部件,把打火机里的压电晶体卸了下来当做细胞的电击源,创造出了一种能够产生超过 2000V 短脉冲的简易电穿孔仪,并且利用它给大肠杆菌成功转染了一段绿色荧光蛋白基因。虽然用来做复杂精细的分子生物学实验还是有些勉强,但是他们认为这可以帮助中学生和偏远地区的人们进行分子生物学、甚至是基因编辑研究。


用打火机改造的电穿孔仪。图片来源:Christopher Moore, Georgia Tech


如果说纸片离心机和打火机电穿孔仪能够“拯救”贫穷实验室,那么这次的 1 美元助听器 LoCHAid 的目标则是帮助更多的普通人。此外,Bhamla 也像自己曾经的合作导师 Prakash 一样,收获了节俭科学的“新门徒”——研究论文的第一作者、同样在印度长大的 Soham Sinha 在佐治亚理工读本科时就加入了 Bhamla 的团队,现在是斯坦福的博士生。Sinha 出生时就患有听力障碍,直到高中时才得到了助听器的支持,他认为这个项目既为自己提供了一个学习机会,也让他找到了机会去帮助更多和自己处于同样窘境的人们。


仍不完美


但是,Bhamla 和他的团队还没有取得最后的胜利:LoCHAid 存在不少问题还没有得到解决。首先它无法针对使用者的个人需求进行微调,也无法适用于其他听力问题。尽管设计者考虑到了防水和减震的问题,但研究者们预计它的使用寿命最多只有一年半。另外,过大的体积也会“劝退”部分用户。


发明者们还面临着更严峻的挑战:只有完成临床试验,LoCHAid 才能在大多数国家获批上市——这将极大提升这款廉价助听器的开发成本。Bhamla 表示,他希望获得一项类似老花镜的生产许可,让这款只有 1 美元成本的助听器摆上普通货架。


LoCHAid 的组装过程。图片来源:Craig Bromley


此外,Bhamla 指出,衰老导致的听力下降而佩戴助听器在很多国家和地区被污名化了。“很多人并没有意识到自己存在听力障碍,在中低收入国家,只有 3% 的因衰老导致的听力障碍者佩戴助听器,即便在美国,这个数字也只有 20% 左右。”


现在,团队正在研究如何将 LoCHAid 改造得更加小巧精细,这将会使它的制造成本提高到 7 美元,并且还需要寻找一家经验丰富的制造商来进行组装。这个来自佐治亚理工学院的团队不打算参与这个设备未来可能出现的商业化推广,Bhamla 表示,他们只需要专注“节俭科学”就够了。


论文信息:

Sinha S, Irani UD, Manchaiah V, Bhamla MS (2020) LoCHAid: An ultra-low-cost hearing aid for age-related hearing loss. PLoS ONE 15(9): e0238922. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0238922  

Byagathvalli G, Sinha S, Zhang Y, Styczynski MP, Standeven J, Bhamla MS (2020) ElectroPen: An ultra-low–cost, electricity-free, portable electroporator. PLoS Biol 18(1): e3000589. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000589


主要参考资料:

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0238922

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000589

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/1-hearing-aid-could-treat-millions-hearing-loss

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/giot-uha092020.php

https://www.bhamla.gatech.edu/dr-saad-bhamla

https://en.wikipedia.org/wiki/Manu_Prakash


本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:魏潇

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