Inom två minuter efter att ha pratat med Dr Richard Bowman, i sitt laboratorium vid University of Bath, guidar han mig genom traktorbalkens fysik i Star trek. Han använder det som en simulering för att förklara det komplicerade ämnet för optiska pincett till en dum person.

Han gör det på ett charmigt sätt, som någon som är bekant med att förklara sitt komplexa område för journalister, men det är tydligt varför han är prissamlare och Royal Commission 1851 Research Fellow - hans förklaring slutar med vår imaginära traktorbalk smälter ett föremål som det försöker flytta före Bowman krymper hela detta sci-fi-exempel för att visa hur han använt laserstrålar i sitt tidigare arbete för att flytta små föremål.

På grund av det är Dr Bowmans historia att han är på ett treårigt projekt för att bygga ett generellt 3D-tryckt mikroskop, men hans ambitioner är större och i sista hand vill han skapa 3D-skrivbara "byggstenar" som andra kan använda för att göra prisvärda, nya experimentella apparater. “Att öppna maskinvara innebär att fler har tillgång till det,” säger dr Bowman.

Dr Bowman jobbar för närvarande med sätt att 3D-skriv ut välbehövliga "byggstenar" för andra som vill skapa nya experimentella apparater

“Personligen är jag angelägen om att driva hårdvaran för att vara av en kvalitet som jag inte skulle vara generad att använda i ett välfinansierat universitetsforskningslaboratorium. Det finns också ett stort tryck på att ha saker du kan göra hemma och så att vetenskaplig forskning blir mer tillgänglig betyder att skolor, science clubs och makerspaces kan börja göra riktigt intressanta vetenskapliga saker. [...] Ju mer allmänheten som blir involverad i vetenskapen desto bättre är det jag är bekymrad.”

Förutom att vara medstifter av WaterScope, ett projekt som utvecklar snabbare och lättare att använda vattenprovningsfältsatser som använder ett mikroskop han designat, är han en passionerad förespråkare för öppen maskinvara och arbetar med organisationer som GOSH (The Gathering for Open Science Hardware).

Resan börjar

Dr Richard Bowmans resa mot öppen maskinvara började arbeta med optiska pincetter för sin doktorsexamen vid University of Glasgow. Där upplevde han första hand kostnaden för egna vetenskapliga instrument. Ett mikroskop av forskningsklass “med alla klockor och visselpipor och ett motoriserat stadium”, säger Bowman, kommer att sätta dig tillbaka £ 30.000 till £ 40.000. “Då upphäver du garantin genom att rippa ut det mesta av den komplicerade optiken från insidan av mikroskopet och ersätta den med dina egna saker.”

Situationen var frustrerande och inte lika effektiv som det kunde vara men då - vid Queens College, Cambridge University, där han arbetade i en nanophotonics-grupp och behandlade automatiserad mikroskopi - började han träffa personer intresserade av öppen källkodshårdvara: “Jag träffade någon som byggde ett 3D-tryckt mikroskop och det såg mycket ut så här,” säger Bowman som pekar på en RepRap 3D-skrivare i närheten.

Det var Alexandre Kabla och ett projekt som heter OpenLabTools. “Målet är att vara självreplikerande och att skriva ut så många delar som möjligt, men i praktiken fann du att det mesta inte skrivs ut,” säger Bowman, och det var gnistan som fick honom att tänka: “Jag var nyfiken hur mycket av ett mikroskop du kunde skriva ut.”

Bowman visar oss ett av de första mikroskop som han skrivit ut: “Detta,” han säger, “kommer att göra en Raspberry Pi-kamera i ett mikroskop.” Det är ett litet svart förlängningsrör (bild på bilden längst upp på sidan), vilka fotografer har använt länge: “På din webbkamera har du en liten liten glänsande kiselsensor och pixlarna där är mycket små [...]. Jag tror att det är 1,1 mikron [över] för version 2 Raspberry Pi Camera Module. Så den här linsen som bildar en bild på sensorn är i själva verket ett mikroskopmål eftersom det fokuserar ljuset ner till en punkt som inte är mycket större än en mikron och för linjär optik åtminstone [...] du kan vända ljusvägen och det gör samma sak.”

Dr Bowman förklarar att om han skruvade linsen och pekade den på objektet ville han titta på - sätta linsen lite avstånd från sensorn - det skulle fungera som ett mikroskop.

Det större mikroskopets motoriserade scen, som använder ett litet Python-skript, gör det möjligt för användaren att flytta synfältet runt bilden

Mekaniska frågor

Överraskande är den svåra aspekten av mikroskopi inte optiken utan mekanikerna. Att arbeta med objekt som är miljonder av en meter tvärsöver kräver ett mycket kraftfullt mikroskop för att se någonting och vid den tiden är mikroskopets djupgående mindre än en mikron. Bowman demonstrerar problemet med en större motoriserad modell av sitt 3D-tryckta OpenFlexure-mikroskop (bild ovan).. “Om ditt prov wobbles till och med med en mikron [...], hundradel av bredden av ett mänskligt hår, är hela ditt experiment förstört.”

Den dyra delen för allvarligt vetenskapligt arbete bygger då en mekanisk scen för fin kontroll över vad du vill titta på. “En Raspberry Pi Kameramodul är £ 25, men det mekaniska scenen kan då kosta dig £ 1000 eller lätt mer än det.” Så började Bowman en process för att undersöka och prototypa mekaniska steg. Du kan se några av de iterationer som visas i bilden längst upp på den här sidan: nyckelsteget upp, vilket Bowman beskriver som en “mitt i natten” epiphany, hade provet sitta på ett bord (det sista röda mikroskopet i toppbilden) som har ben utformade för att böja på ett sätt som möjliggör den avgörande fokuskontrollen och rörelsen på X- och Y-axlarna.

I slutändan är Bowmans mikroskopdesign en komplicerad struktur och omöjlig att maskinera: “Du kan skriva ut det skikt för lager, men du kan inte maskinera det,” säger Bowman, ler. “Du kunde inte injicera-mögla det heller.”

Bowmans större mikroskop med ett motoriserat stadium som han demos mot oss använder Python scripting för att göra det möjligt för användaren att flytta synfältet runt objektglaset. Syftet är att lägga till fler funktioner som autofokus och möjligheten att sy alla bilder tillsammans för en digital representation.