การสร้างกล้องจุลทรรศน์จากเลโก้

 

          สมัยก่อนตอนเป็นเด็กจำได้ว่าที่บ้านมีอุปกรณ์ของเล่นตัวต่อเลโก้ ชอบเล่นมากสร้างเป็นบ้านและทำเป็นตึกต่างๆ โตมาแล้วก็ยังซื้อมาต่อเล่นเก็บสะสมบ้าง แม้เลโก้จะเป็นของเล่นสำหรับเด็กแต่มันก็สามารถนำมาสร้างสิ่งต่างๆได้มากมาย ที่ประเทศเยอรมนีคุณพ่อท่านหนึ่งเป็นนักชีวฟิสิกส์เล่นเลโก้กับลูกของเขาที่อายุ 10 ขวบ และก็ได้แนวคิดที่จะสร้างกล้องจุลทรรศน์จากเลโก้ แต่ก็พบว่ามันไม่ง่ายเลย กล้องจุลทรรศน์ต้องการชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวอย่างแม่นยำและปัญหาการสร้างแหล่งกำเนิดแสงไปยังตัวอย่างในกระจกสไลด์ พ่อ ลูกและนักวิจัยอีกหนึ่งท่านได้ออกแบบ ลองผิดลองถูกใช้เวลามากกว่า 1 ปี จึงปรับแต่ง เขียนแผนงานและสร้างได้สำเร็จและได้ตีพิมพ์งานวิจัยออกมาด้วย งานวิจัยนี้จึงมีเด็กอายุน้อยเป็นผู้เขียนร่วมในงานวิจัยด้วยนับว่าเก่งมาก 


          Bart E. Vos, Emil Betz Blesa และ Timo Betz ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง “Designing a High-Resolution, LEGO-Based Microscope for an Educational Setting” ลงในวารสารงานวิจัย The Biophysicist (เป็นวารสารแบบ open access สามารถเข้าไปอ่านบทความได้ฟรี) เมื่อวันที่ 22 มิถุนายน ค.ศ. 2021 งานวิจัยนี้แสดงขั้นตอนรายละเอียดการสร้างกล้องจุลทรรศน์จากเลโก้ รายละเอียดการคำนวณต่างๆ และการนำไปใช้จริง


          กล้องจุลทรรศน์ (microscope) นับเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่มีความสำคัญในหลายสาขาของวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตามด้วยที่มันมีราคาแพงและอาจเกิดความเสียหายได้ง่ายถ้าไม่ศึกษาวิธีใช้ให้เข้าใจ นักเรียนนักศึกษาจึงมีโอกาสได้ใช้เฉพาะในห้องเรียนในสถานศึกษาและมีน้อยคนที่มีใช้ในบ้าน งานวิจัยนี้จะสาธิตวิธีการสร้างกล้องจุลทรรศน์จากเลโก้ โดยราคาไม่แพงและใช้อุปกรณ์หลักเพียงไม่กี่อย่าง คือ 1.กล้องของไอโฟน 5 2.เลนส์แก้วเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 mm, f = 26.5 mm 3.เลนส์อะคริลิกเส้นผ่านศูนย์กลาง 34.5 mm, f = 106 mm 4.กระจกสไลด์กับกระจกปิดสไลด์และ 5.ชิ้นส่วนตัวต่อเลโก้เฉพาะแบบที่สามารถหาซื้อได้ไม่ยากนัก ซึ่งการทดลองนี้จะช่วยให้เข้าใจเรื่องของทัศนศาสตร์และหลักการทำงานเบื้องต้นของกล้องจุลทรรศน์ได้ดียิ่งขึ้น


          ในขั้นตอนการสร้าง โดยอาศัยคุณสมบัติของตัวต่อเลโก้ที่สามารถประกอบเป็นรูปร่างของสิ่งต่างๆที่หลากหลาย ซึ่งสามารถสร้างเป็น 1.ส่วนแหล่งกำเนิดแสง 2.ส่วนที่วางกระจกสไลด์ ที่มีที่ปรับให้สามารถเลื่อนขึ้นลงได้ 3 mm ทุกการหมุนครบ 1 รอบ ซึ่งเพียงพอแม้กระทั่งตอนส่องกล้องดูตัวอย่างที่ระดับไม่กี่ไมโครเมตร ส่วนนี้เป็นส่วนการสร้างที่ยากที่สุด 3. ชุดเลนส์ใกล้วัตถุประกอบด้วยเลนส์ไอโฟน(ชิ้นส่วนของกล้องไอโฟน 5) f=3.85 mm และเลนส์แก้ว f=26.5 mm 4. ส่วนของเลนส์ใกล้ตาและที่มองภาพประกอบด้วยเลนส์อะคริลิกเส้นผ่านศูนย์กลาง 34.5 mm, f = 106 mm นำทุกชิ้นส่วนมารวมประกอบกันสร้างเป็นกล้องจุลทรรศน์ โดยด้านบนสุดเป็นที่มองภาพ(สามารถใช้สมาทโฟนถ่ายภาพได้) และมีที่หมุนสีดำเพื่อปรับระดับของที่วางกระจกสไลด์
 

          การทดลองวัดกำลังขยาย (magnification) ทำโดยถ่ายภาพวัตถุที่เราทราบความยาวแน่ชัดโดยไม่ใช้เลนส์และใช้เลนส์ของกล้องจุลทรรศน์จากเลโก้ กำลังขยายจะหาได้จากอัตราส่วนของมิลลิเมตร (mm) ต่อพิกเซล (px) จากสมการ

  โดยที่ M,L_{no lens},L_lens  คือ กำลังขยาย ความยาวของวัตุโดยไม่ใช้เลนส์และใช้เลนส์ตามลำดับ จากการทดลองพบกำลังขยายสูง M=254x และกำลังขยายต่ำ M=27x ตามลำดับ


การคำนวณกำลังขยายสามารถทำได้โดยใช้ความรู้เรื่องระยะทางระหว่างวัตถุ เลนส์ และผู้สังเกตการณ์ ความสัมพันธ์จากสมการเลนส์ และสมการ

 

โดยที่ M,d_intermediate,d_intermediate คือ กำลังขยาย ระยะภาพและระยะวัตถุตามลำดับ เมื่อนำค่าต่างๆไปแทนใน (2) จากการคำนวณพบกำลังขยายสูง M=220x และกำลังขยายต่ำ M=23x ตามลำดับซึ่งค่อนข้างสอดคล้องการวัดกำลังขยายจากการทดลอง
 
 

          ในขั้นตอนการทดลองใช้ ด้วยกำลังขยายที่มากถึง 254x จึงสามารถสังเกตวัตถุได้ในระดับไมโครเมตร ทำให้สามารถสร้างกิจกรรมการทดลองได้ โดยในบทความจะเน้นเกี่ยวกับเรื่องทางด้านชีวฟิสิกส์ ยกตัวอย่างเช่น ดูผลึกเกลือ เตรียมโดยนำสารโซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกง 5.8 g ไปละลายในน้ำอุ่น 100 mL หยดสารละลายลงในกระจกสไลด์และทิ้งไว้ในอุณหภูมิห้องประมาณ 1 ชั่วโมง น้ำจะระเหยและเกิดเป็นผลึกเกลือหรือการส่องดูจุลินทรีย์เช่นไรน้ำ (water flea) โดยอาจหาได้จากนำน้ำมาจากบ่อน้ำใส่ในขวดพลาสติกใส่หญ้าเข้าไปเพื่อให้ แบคทีเรียเจริญเติบโตเป็นแหล่งอาหารแก่ไรน้ำ ทิ้งไว้ประมาณ 1 สัปดาห์ในอุณหภูมิห้องเพื่อให้ไรน้ำเพิ่มจำนวนนำมาสังเกตเพื่อดูไรน้ำผ่านกล้องจุลทรรศน์เป็นต้น สำหรับผู้สนใจสามารถดูข้อมูลรายละเอียดการทดลองใน GitHub ได้ที่ https://github.com/tobetz/LegoMicroscope ซึ่งอธิบายวิธีการสร้างอย่างละเอียดและค่อนข้างครบถ้วนสามารถทดลองทำตามและอาจจะลองปรับเปลี่ยนพัฒนาได้อีกเช่น จะลองเพิ่มกำลังขยายให้เพิ่มขึ้นได้ไหม อย่างไรเป็นต้น

 

อ้างอิง

• Vos, B. E., Blesa, E. B., & Betz, T. (2021). Designing a high-resolution, LEGO-based microscope for an educational setting. The Biophysicist.
• https://physicsworld.com/a/high-resolution-microscope-is-made-from-lego-bricks/
• https://github.com/tobetz/LegoMicroscope