Foldscope, 1달러 미만의 종이 한 장에 2,000배율 현미경을 인쇄하다

2000년대 중반의 현장 방문에서 스탠퍼드 생명공학자 마누 프라카시는 늘 같은 장면을 보았다. 현미경이 없는 진료소와 교실, 또는 아무도 수리할 수 없어 고장 난 채 방치된 부피 큰 기구였다. 기존 현미경은 정밀도를 훈련된 손이 조정하는 가공 금속 프레임에 집중시켜, 구매 비용도 비쌀 뿐 아니라 기술자가 없는 곳에서는 유지 비용도 비싸다. 2012년 그는 박사과정 학생 짐 사이불스키와 함께 반대 질문을 던졌다. 배송용 종이 자체가 기구라면 어떨까?

Foldscope는 평평한 종이 한 장에 인쇄된 종이접기 기반 광학 현미경이다. 날카로운 접힘은 탄성 에너지를 도입하고, 접힌 종이의 닫힌 구조 고리는 기구학적 구속을 만들어낸다. 따라서 사용자가 인쇄된 접힘선을 따라 접으면 볼 렌즈, 조명 장치, 스테이지가 수십 마이크론의 반복 가능한 정확도로 스스로 정렬된다. 조립은 도구 없이 10분 이내에 끝나며, 정렬 상태는 훈련받지 않은 손이 여러 번 접고 펴도 유지된다.

교체 가능한 구형 볼 렌즈가 배율을 결정하며, 배율은 렌즈 지름에 반비례하여 100배 미만에서 2,000배를 넘는 범위까지 가능하다. 기본형은 무게 8.8그램, 70×20×2mm로 주머니에 들어가며, LED는 버튼형 전지로 50시간 작동한다. 평평한 형식이 명시야, 암시야, 형광 구성을 모두 수용하기 때문에 같은 인쇄 플랫폼이 단순 시연뿐 아니라 혈액 도말 검사와 현장 생태학에도 쓰인다.

2014년 PLOS ONE 논문은 설계를 무료로 연구할 수 있게 공개했다. 부품 비용은 1달러 미만, 분해능은 서브마이크론이며, 연구팀은 롤투롤 인쇄로 연간 10억 개까지 확장할 수 있다고 주장했다. 프라카시는 2012년 TED 무대에서 50센트 시제품을 시연했고, 2018년까지 Foldscope Instruments는 생산을 250만 개 규모로 확대하고 있었으며, 인도 생명공학부는 445개 공립 학교와 대학에 Foldscope와 보조금을 지원했다.

평평하게 인쇄하고, 접는 것이 곧 조립 라인이다.

정밀도를 제조에서 끌어냈다. 접힘과 구형 볼 렌즈가 수동적으로 스스로 정렬되므로, 교실 책상 위에서 숙련되지 않은 조립으로도 정확도가 유지된다.

볼 렌즈는 회전 대칭인 범용 부품이므로 전체 자재 명세서는 종이, 구 하나, LED, 코인형 전지뿐이며 비용은 1달러 미만이다.

평평하게 인쇄된 종이는 문구처럼 배송되고, 떨어지거나 위에 앉아도 견디며, 고장 난 기구가 보통 고장 난 채로 남는 곳에서도 서비스 계약이 필요 없다.

설계 공간은 렌즈 교체로 확장된다. 같은 인쇄 본체가 명시야, 암시야, 형광을 수용하므로 하나의 플랫폼이 진단과 교육을 모두 포괄한다.

설계를 공개적으로 발표함으로써 지식재산권을 지키는 대신 모든 과학 교사를 유통 채널로 바꾸었다.

도구가 너무 비싸서 보급할 수 없다면, 가장 저렴한 공정인 인쇄가 정밀 작업까지 수행하도록 재설계하라. 자기 정렬은 규모를 공장이 아니라 인쇄 작업으로 바꾼다.

사이불스키가 공동 창업한 Foldscope Instruments는 2018년 말까지 대량 생산을 250만 개 규모로 끌어올렸고, 단일 수출 공장 대신 지역별 제조를 계획했다. 인도 생명공학부는 445개 공립 학교와 대학에 Foldscope 키트와 보조금을 지원했으며, 인도 연구 기관들은 질병 진단을 위해 이 종이 현미경을 임상용 벤치 기구와 비교 시험하기 시작했다. 이 설계는 이후 연구실의 종이 원심분리기와 함께 검소한 과학의 표준 참조점이 되었다.