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科學和技術的進步可以從不起眼的跳板開始。 1609 年，伽利略改進了一個玩具般的望遠鏡，將其指向月球和木星（而不是鄰居），天文學由此實現了量子飛躍。 大約 150 年後，據報道，本傑明·富蘭克林使用風箏 試驗了最早的已知電容器之一。 延續這一傳統，這些研究人員證明，玩具不僅僅能啟發兒童玩耍。
觀看啟發技術突破的四種玩具的幻燈片 繪畫板
匹茲堡大學物理學教授 傑里米·利維 說：“實驗室基本上是一個光榮的娛樂室。 當我們做實驗時，這是一種高度先進的玩耍形式……我們正在探索新事物。”
利維目前的研究源於他對童年繪畫玩具的記憶。 2006 年訪問德國奧格斯堡大學時，他觀察到一種由兩層絕緣層製成的微小晶片。 這個晶片引起了利維的興趣，因為當研究人員施加電壓時，層之間的區域可以切換屬性——從絕緣到導電，然後再回到絕緣。 “當他們向我展示資料時，我正在思考繪畫板，”利維說。
為了畫線，玩具的觸筆從玻璃螢幕的底面刮下鋁粉。 利維想知道繪畫板的方法是否可以建立在德國研究人員的發現之上，從而繪製和擦除奈米線？
利維和他的同事使用原子力顯微鏡和兩層絕緣體（氧化鑭鋁和氧化鈦鍶），製造出了納米級電晶體。 與繪畫板不同，他們的技術不涉及刮擦。 當顯微鏡的尖端向材料表面施加正電壓時，它會繪製出存在於氧化層之間空間的導電線。 這使得研究人員能夠製造出 2 奈米寬的導線。（一奈米是十億分之一米，或約四十億分之一英寸。）他們的工作去年發表在《科學》雜誌上，也克服了繪畫板長期以來的挫敗感——一個錯誤的動作，你就必須擦除整個該死的東西。 奈米電子繪畫板則不然，它可以透過施加負電壓來選擇性地擦除它建立的導電線。
利維說，這種電晶體的面積比當今電子產品中使用的矽基電晶體小約 1000 倍。 有朝一日，它可能會滿足半導體行業對 不斷縮小的元件 的渴望。 但還不是時候：“製造一個電晶體和製造數億個都能正常工作的電晶體之間，還有很大的差距。”
樂高
很少有孩子會將樂趣與“微流體裝置中定向鎖定和不可逆相互作用在確定性流體動力學分離中的作用”聯絡起來——一篇 2009 年《物理評論快報》論文，由 喬爾·弗雷謝特 和 赫爾曼·德雷澤 共同撰寫，他們是 約翰·霍普金斯大學化學與生物分子工程系 的助理教授。 但該研究的主要工具恰好是一個流行的玩具。
由於樂高易於重新配置，因此它們是孩子們著迷的玩具——也是約翰·霍普金斯大學研究人員的實用工具。 弗雷謝特說：“它讓我們真正做好了科學研究。” 她和德雷澤研究了一種特殊的微流體技術，用於分離粒子混合物。 微流體涉及透過微小通道操縱流體（有時以皮升或萬億分之一升為單位）。 微流體裝置通常被稱為 “晶片實驗室”，微流體裝置 具有廣泛的應用，包括醫療診斷和藥物輸送。 為了測試其潛在機制，他們構建了一個大型結構，幫助模擬微觀粒子的行為。
對於粒子分離實驗，研究人員用圓柱形樂高積木覆蓋了一塊大型樂高板，並將該板垂直放置在裝滿甘油（一種粘性液體）的魚缸中。 他們將各種尺寸的滾珠軸承放入魚缸中，並觀察滾珠在積木周圍的軌跡。 弗雷謝特說：“這有點像 彈珠機，”她指的是日本的一種立式彈珠遊戲機。 研究人員旋轉木板以檢視不同角度如何影響結果，並投放了數百個滾珠以獲得他們需要的統計資料。
這項研究使用了價值約 50 美元的樂高積木。 包括滾珠軸承和甘油在內，弗雷謝特估計整個裝置的成本不到 300 美元。 她說：“我的學生一天在化學品上的花費就這麼多。”
神奇膠片
當 米歇爾·凱恩 首次分享她關於 神奇膠片 微流體的想法時，她擔心有些人會認為這不成熟。 “我以前的一位實驗室夥伴說，‘你是否意識到人們會喜歡這個東西，它將徹底改變一切——或者他們會嘲笑你。’” 2008 年，《晶片實驗室》（英國皇家化學學會期刊）發表了凱恩的作品。 它是當年該期刊訪問量排名前三的論文之一，她收到了來自世界各地實驗室的數十封電子郵件，表達的是讚揚，而不是嘲笑。
凱恩小時候花了無數時間在神奇膠片塑膠上創作設計，並觀看它們在烤箱中收縮。 多年後，當她加入一所全新的大學後，由於缺乏製造微流體晶片的必要設施，她又回到了她最喜歡的玩具。 凱恩在廚房裡度過一段時間時，突然想到了神奇膠片的靈感（“我在那裡進行大部分思考，”她說）。
凱恩知道，當神奇膠片收縮時，塑膠上的任何墨線都會凸起——這正是她在微流體模具中尋求的。 她購買了專為電腦印表機使用的神奇膠片塑膠，列印了一個圖案，並在她的烤麵包機中烘烤了幾分鐘。 結果超出了她的預期。 凱恩最終不僅製作了模具，還開發了一種直接用神奇膠片塑膠製作微流體晶片的技術。 凱恩說：“它實際上效果非常好”，足以創立一家基於這一基本前提的公司。 為了創造幹細胞研究裝置和太陽能電池等產品，Shrink Nanotechnologies 開發了一種超越玩具能力的新材料。 凱恩說：“神奇膠片收縮 60%，但 我們的新型聚合物收縮 95%。 而且效能收縮更一致。”
氣球中的氣球
2002 年的一天早上，希拉迪亞·森古普塔 凝視著火車窗外，看到了一個棘手問題的解決方案。 他和其他癌症治療研究人員希望在阻止腫瘤供血後將化療藥物輸送到腫瘤內部。 波士頓哈佛醫學院醫學與健康科學與技術助理教授森古普塔說：“這幾乎就像，在水龍頭被關掉後，你如何裝滿一桶水？”
他的頓悟來自於一位兜售在較大氣球內充氣氣球的供應商。 森古普塔意識到，氣球中的氣球結構可以幫助他應對藥物輸送的挑戰。 他設想一個更大的“氣球”會爆裂並釋放藥物以切斷腫瘤血管——然後一個更小的氣球會釋放化療藥物。
他說：“我認為人們對這個想法的簡單性感到驚訝。”
森古普塔和他的同事將氣球突破轉化為一種新的癌症治療策略：奈米細胞。 森古普塔說：“我們稱之為奈米細胞，因為它看起來像一個細胞核和周圍的脂質結構，但它比細胞小得多。” 奈米細胞的尺寸小於 200 奈米，在其兩個層中的每一層都包含不同的藥物。 2005 年，《自然》雜誌發表了這種特殊藥物輸送的詳細資訊。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
森古普塔後來與人共同創立了 Cerulean Pharma, Inc.，該公司專注於基於奈米技術的治療方法。 儘管其目前的產品基於單一藥物，但該公司確實持有開發雙藥物奈米細胞的許可。 其他科學家也採用了森古普塔的氣球中的氣球的想法。 波士頓麻省總醫院的一個研究小組，由 塔亞巴·哈桑 領導，使用奈米細胞和光動力療法（光啟用化學物質）來靶向胰腺癌。 他們在 2009 年 11 月在 分子靶點與癌症治療學會議 上展示了他們用小鼠進行的研究結果。 哈桑說，現在預測人體試驗何時開始進行他們的奈米細胞治療還為時過早。 “‘儘快’是簡短的回答。”
