Des scientifiques allemands ont construit un microscope haute résolution à partir de briques Lego

Des scientifiques allemands ont construit un microscope haute résolution à partir de pièces et de composants Lego récupérés à partir d’un téléphone portable, selon un article récent publié dans The Biophysicist. Ils ont découvert que les enfants qui ont entrepris le projet, y compris la construction de leurs microscopes et la réalisation de plusieurs expériences à domicile, ont acquis une meilleure compréhension du fonctionnement de la microscopie. Cela fait partie d’une tendance actuelle à la « science frugale » : utiliser du matériel grand public bon marché et des logiciels open source pour construire des instruments scientifiques à faible coût. Les outils de bricolage sont parfaits pour les environnements éducatifs et pour une utilisation sur le terrain dans les pays en développement.

“Une compréhension de la science est cruciale pour la prise de décision et apporte de nombreux avantages dans la vie quotidienne, tels que la résolution de problèmes et la créativité”, a déclaré le co-auteur Timo Betz de l’Université de Göttingen. « Pourtant, nous constatons que de nombreuses personnes, même des politiciens, se sentent exclues ou n’ont pas la possibilité de s’engager dans une réflexion scientifique ou critique. Nous voulions trouver un moyen de nourrir la curiosité naturelle, d’aider les gens à comprendre les principes fondamentaux et à voir le potentiel de la science. .”

L’instrument de bricolage à faible coût le plus connu à ce jour est peut-être le Foldscope, un microscope optique facilement assemblé à partir d’une feuille de papier et d’une lentille. Il est livré sous forme de kit, qui comprend des aimants pour que les utilisateurs puissent attacher un smartphone au Foldscope et prendre des photos des échantillons agrandis. Il est assez robuste pour survivre à une chute ou à l’humidité, et le grossissement est assez fort pour voir E. coli et les parasites du paludisme dans un échantillon.

Les briques Lego se sont avérées être une ressource utile pour des composants abordables pour de tels instruments de bricolage. Par exemple, en 2014, une équipe internationale d’étudiants a construit un microscope à force atomique (AFM) en utilisant des briques Lego comme composants. Contrairement à un microscope conventionnel, dans lequel l’utilisateur visualise un échantillon à travers l’oculaire, un AFM ressemble plus à un tourne-disque à l’ancienne. Une petite aiguille attachée à un porte-à-faux (bras) se déplace sur l’échantillon, montant et descendant en réponse aux bosses sur la surface de l’échantillon. Ces bosses sont “détectées” via des changements dans la lumière laser réfléchie par le cantilever.

Les étudiants ont construit leur AFM à partir de briques Lego, de pièces imprimées en 3D et d’ordinateurs Arduino. Les deux seuls composants qu’ils ont dû commander étaient un photodétecteur à quadrants divisés et des actionneurs piézoélectriques. Certes, l’AFM résultant ne convenait qu’à l’imagerie de très petites zones, mais le tout coûtait un peu plus de 400 $. C’est une bonne affaire par rapport au prix de plus de 100 000 $ pour un AFM de pointe et de qualité recherche. Et en 2015, les scientifiques du NIST ont développé une balance de watts à faible coût à partir de briques Lego et de certains composants électroniques de base.

Betz et ses collègues ont découvert que les principes de travail fondamentaux derrière le microscope sont juste assez contre-intuitifs pour être un défi pour les étudiants (et un bon nombre d’adultes). Ils ont également noté que bien que les microscopes soient un outil scientifique essentiel, leur utilisation dans les salles de classe – ou à la maison, en particulier pendant la pandémie mondiale – a été limitée, en raison du coût et de la fragilité des instruments. Ils ont donc décidé de construire une version moins chère à partir de briques Lego, inspirée d’une version précédente d’un microscope Lego appelée LegoScope. L’équipe pensait pouvoir améliorer la conception, car le LegoScope nécessitait toujours des pièces imprimées en 3D personnalisées.

Les seules pièces non Lego dans leur conception finale de microscope de bricolage sont les deux composants optiques : un objectif à fort grossissement et un objectif à faible grossissement. Betz et al. s’est rendu compte que les objectifs des appareils photo des smartphones sont désormais d’une qualité suffisamment élevée pour qu’il leur soit possible de résoudre des cellules individuelles – et ils coûtent généralement moins de 5 $ sur étagère. Ils ont utilisé l’objectif en plastique d’un module de caméra de remplacement pour iPhone 5 pour l’objectif à fort grossissement. “Après avoir soigneusement décollé la lentille de la puce, elle est fixée à une brique Lego à l’aide d’un ruban transparent et d’une lamelle en verre”, ont écrit les auteurs.

Ils ont utilisé une lentille en verre pour l’objectif à faible grossissement, intégrée dans un support lié à la même brique de fixation que l’objectif à fort grossissement. Pour l’éclairage, ils ont utilisé une brique Lego spéciale qui intégrait une LED orange, bien qu’ils l’aient remplacée par une autre de couleur différente. En cas d’éclairage non uniforme, ils ont montré comment fabriquer un diffuseur à partir d’une fine feuille de papier, en le plaçant entre la LED et l’échantillon. Une surface plane de briques Lego a fait un excellent porte-échantillon.

Le support d’objectif s’est avéré être le composant le plus difficile à construire à partir de Lego. En fin de compte, Betz et ses collègues ont combiné une crémaillère avec une vis sans fin, ce qui permet aux utilisateurs d’ajuster la mise au point. “Bien que le porte-objectif soit la plus petite de toutes les parties individuelles du microscope, c’est la plus exigeante en termes de compétences de construction”, ont écrit les auteurs. “Par conséquent, la construction de cette partie doit être soit effectuée par des enfants plus âgés et plus expérimentés, soit la construction doit être supervisée par un adulte pour éviter toute frustration lors d’une phase précoce de la construction du microscope.”

Betz et ses collègues ont également conçu un certain nombre d’expériences de base à domicile que les utilisateurs pourraient effectuer avec leurs microscopes Lego. Par exemple, une expérience a consisté à étudier une monocouche d’oignon rouge, en observant comment un choc osmotique appliqué (l’ajout d’une goutte de solution de NaCl) a fait perdre de l’eau et rétrécir la couche d’oignon. Un autre consistait à observer la formation de cristaux de sel, tandis qu’un troisième consistait à observer comment les crevettes Artemia (micronageurs) se déplacent dans l’eau.

Ils ont testé leur instrument de bricolage et leurs conceptions expérimentales avec l’aide d’un groupe d’enfants, âgés de 9 à 13 ans, qui ont construit les microscopes et effectué certaines des expériences, leur donnant suffisamment de liberté pour explorer également le fonctionnement du grossissement par eux-mêmes. Les chercheurs ont suivi les progrès des enfants tout au long du processus et leur ont ensuite demandé de remplir un questionnaire pour évaluer ce qu’ils avaient appris. Ils ont constaté que le processus a considérablement augmenté la compréhension des enfants de la microscopie.

Tous les plans et instructions pour le microscope Lego du groupe (y compris un didacticiel étape par étape) sont disponibles gratuitement en anglais, allemand, néerlandais et espagnol ici. “Nous espérons que ce microscope modulaire sera utilisé dans les salles de classe et les foyers du monde entier pour exciter et inspirer les enfants à propos de la science”, a déclaré Betz. “Nous avons montré que la recherche scientifique n’a pas besoin d’être séparée de la vie quotidienne. Elle peut être instructive, éducative et amusante.”

DOI: The Biophysicist, 2021. 10.35459/tbp.2021.000191 (À propos des DOI).