Stanfords Paperfuge verwandelte ein Knopf-an-Schnur-Spielzeug in eine 20-Cent-Zentrifuge

Im Jahr 2013 besuchte der Stanford-Bioingenieur Manu Prakash abgelegene Kliniken in Uganda und sah in Tororo eine Zentrifuge, die als Türstopper verwendet wurde; defekte Geräte waren dort üblich. Zentrifugen trennen Plasma vom Blut, ein Schritt bei der Diagnose von Malaria und HIV, benötigen aber Strom und kosten Tausende Dollar. Frühere handbetriebene Versuche – ein Schneebesen in Harvard im Jahr 2008 und eine Salatschleuder in Rice im Jahr 2011 – erreichten nur 1.200 bzw. 600 U/min.

Prakashs Team wollte einen weit größeren Sprung und wandte sich Spielzeugen zu. Kreisel drehten sich nicht lange genug, und Jo-Jos erforderten zu viel Geschick. Anfang 2016 fädelte der Postdoc Saad Bhamla einen Knopf an einen Faden – ein Wirbelspiel aus seiner Kindheit in Indien –, und eine Hochgeschwindigkeitskamera zeigte, dass er sich mit 10.000 bis 15.000 U/min drehte.

Das Team modellierte das Spielzeug und fand heraus, dass die Überspiralung der Schnur Energie speichert und die Scheibe beschleunigt. Sie stimmten Schnurlänge und Scheibengröße ab und entschieden sich für wasserfestes synthetisches Papier, das Material, das im Foldscope verwendet wird. Das Ergebnis, veröffentlicht in Nature Biomedical Engineering, erreicht bis zu 125.000 U/min.

Behandle ein uraltes Kreiselspielzeug als physikalisches Problem: modelliere den Wirbel und optimiere ihn dann zu einem Laborinstrument.

Die Wirbelbewegung dreht sich in eine Richtung, stoppt und kehrt sich um, und laut dem Artikel liefert dies dasselbe Ergebnis bei der Plasmatrennung wie ein Hoch- und Herunterfahren im Labor.

Die Überspiralung der Schnur speichert zusätzliche Energie, wodurch die Scheibe viel höhere Geschwindigkeiten erreichen kann.

Die Modellierung des gesamten Designraums des Spielzeugs ermöglichte es dem Team, es zu optimieren, anstatt es nur nachzubauen.

Synthetisches Papier war wasserfest, stark und bereits aus der Foldscope-Arbeit vorhanden.

Wenn ein Laborgerät für den Feldeinsatz zu teuer oder zu zerbrechlich ist, suche nach einem billigen Spielzeug, das bereits dieselbe Physik nutzt, und optimiere dieses.

WIRED berichtete im Januar 2017, dass die Paperfuge Plasma in 90 Sekunden vom Blut trennt, gegenüber bis zu zwei Minuten bei einer StatSpin-MP-Zentrifuge, die maximal 15.800 U/min erreicht. Sie wiegt etwa 2 Gramm und kostet an Materialien unter 25 Cent. Prakash und Bhamla testeten sie anschließend in Madagaskar mit lokalen Gesundheitshelfern. Eine Malariatechnikerin dort sagte, sie habe jahrelang auf ein solches Werkzeug gewartet, da der Transport von Zentrifugen in Dörfer Jeeps und Generatoren erfordert habe.