Prolog

Die Naturkatastrophe in Japan hat uns alle erschüttert. Innerhalb von wenigen Stunden wurden Zukunftspläne und Perspektiven von tausenden Menschen zerstört. Die Technologie ermöglicht uns, hochmoderne Geräte zu entwickeln, die uns helfen sollten, solche Geschehnisse zu unterbinden. Doch manchmal funktionieren sie nicht. Millionen von Geldern wurden in Erforschung und Entwicklung von Geräten investiert, und doch haben sie im entscheidenden Moment versagt. Der Tod von mehreren tausend Leuten war die Folge. Doch das ist nicht alles – die Menschen, die der Tragödie entkommen sind, müssen nun einen Weg finden, zum alltäglichen Leben zurück zu finden.

Wasser stellt seit Urzeiten ein zentrales Element im Leben auf der Erde dar. Doch die Einnahme von verschmutztem Wasser, welches zum Beispiel von Naturkatastrophen verursacht wird, kann zu erheblichen Schäden und Krankheiten führen. Die Krankheitserreger sind meistens Bakterien oder Viren. Sie lösen zum Beispiel Salmonellenerkrankungen, Meningitis, Hepatitis A, Cholera oder Kinderlähmung aus.1

Es kommt daher nicht von ungefähr, dass der Mensch sauberes Wasser für das Überleben braucht. Daher ist der Zugang zu sauberem Wasser eine Grundvoraussetzung menschlicher Zivilisation. Es ist wichtig, den Menschen Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, um auf einfache und kostengünstige  Weise  die  Reinheit von  Wasser zu bestimmen. Viren und Bakterien sind Mikroorganismen, die von blossem Auge nicht zu erkennen sind. Um zu erkennen, ob Wasser biologisch verunreinigt ist, braucht man optische Gerätschaften.Es ist jedoch so, dass solche optischen Geräte oft sehr teuer sind. Die Bevölkerung an den Orten, die unter mangelhafter Wasserqualität zu leiden haben, haben jedoch nicht das Einkommen oder Kapital zur Verfügung, um sich solche Geräte zu leisten. Ziel dieses Projekts ist es, ein Mikroskop zu entwickeln, das bei geringen Kosten eine ausrei-­chende  optische Vergrösserung bei  einer  passenden  Bildqualität liefert.

„Viele kleine Leute, an vielen kleinen Orten, die viele kleine Dinge tun, werden das Anlitz dieser Welt verändern.“
Sprichwort der Xhosa (Tansania, Südafrika, Botswana und Lesotho)

Entstehung der Idee

Die Idee eine konventionelle Computer-Kamera (WebCam) ohne zusätzliche Optik in ein einfaches und kostengünstiges Mikroskop zu verwandeln entstand in der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Künstlern im Rahmen eines Workshops. Die Idee wurde in der “International Hackteria Society” unter der Leitung von Marc Dusseiller weiterverfolgt und veröffentlicht. Auf den Wettbewerb “Little Life Savers” hin wurde nun erstmals das “MiniScope-DIY-Kit” entwickelt und in kleiner Serie hergestellt. Durch die geringe Anzahl Teile und den einfachen Zusammenbau kann sich nun wer möchte ein günstiges Computer-Mikroskop selber bauen.

Die erste Version des Kits, die “MiniScope – Stage” konnte mit einer sehr geringen Zahl von Teilen hergestellt werden und diente ersten Experimenten und Versuchen mit dem Mikroskop-Kit. Die Konstruktion wurde dann im FabLab mit Unterstützung des Fabmanagers Roman Jurt weiterentwickelt und verbessert. Die Eingereichte Version “MiniScope – Puzzle” kann ohne schrauben und kleben zusammengebaut werden und ist rundum Staubdicht abgeschlossen. Ausserdem sind noch ein DIY-Objektträger mit definiertem Innenvolumen sowie eine Helligkeitsregelung für das Licht dazugekommen.

 

Anwendungsgebiet des Miniscopes

Das Ziel ist es, mithilfe des Miniscopes innerhalb weniger Minuten Trinkwasser aufgrund seiner biologischen Wasserqualität zu bestimmen und zu unterscheiden, ob der Inhalt der vorliegenden Wasserprobe sofort trinkbar ist, oder nicht.

Bei Verunreinigungen des Wassers durch organische Stoffe bilden sich charakteristische Lebensgemeinschaften (Biozönosen) mit typischen Leitorganismen, welche als Indikatoren für die Beurteilung der Wasserqualität geeignet sind2. Diese bilden die Grundlage des Saprobiensystems (sapros=Zersetzung, bios=Leben), welches uns ermöglicht, Wasser in verschiedene Stufen von Reinwasser (trinkbar) bis und mit Schmutzwasser (nicht trinkbar) zu unterteilen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass nicht einzelne Leitformen, sondern die jeweilige Gesamtbiozönose entscheidend ist. Für uns als Biologielaien ist es jedoch beinahe unmöglich, Biozönosen treffsicher zu erkennen und in verschiedene Klassen einzustufen. Daher beschränken wir uns auf zwei Stufen: Reinwasser und Schmutzwasser. Mithilfe von Water Cards (siehe Abbildung 1) kann der Anwender des Miniscopes vor Ort eine Bestimmung der Trinkwasserqualität (trinkbar/nicht trinkbar) vornehmen.

 

Technische Anforderungen

Es ist möglich, durch einfache Modifikationen an einer Webcam einen Vergrösserungseffekt zu erzielen. Im Verlauf dieses Projekts soll geprüft werden, ob diese Vergrösserung ausreichend ist, um im Wasser vorkommende Mikroorganismen identifizieren zu können. Ebenso soll geprüft werden, wie ein solches Kamera – Mikroskop zu günstigen Preisen hergestellt werden kann. Um es in Umgebungen einsetzen zu können, an denen die Bevölkerung nicht über ausschweifende Budgets verfügt. Es ist bei der Konstruktion zu beachten, dass das Mikroskop nicht von geschultem Personal bedient wird. Es muss einfach zu bedienen und einfach oder gar nicht zu warten sein. Die Mikroorganismen müssen von Laien erkannt werden können. Es sollte eine Möglichkeit verfügbar sein, dass Laien in unterschiedlichen Sprachräumen dieses Mikroskop ohne Schwierigkeiten bedienen können.

Da der Miniscope in nicht genau spezifizierbaren Umgebungen zum Einsatz kommen wird, soll die Konstruktion nach Möglichkeit ein wasserund staubdichtes Gehäuse aufweisen. Ebenso ist es wünschenswert, wenn das Mikroskop eine integrierte Beleuchtung hat, da das Tageslicht zum Erkennen von Mikroorganismen teilweise nicht ausreicht.

Funktionsprinzip

Der Anstoss zu diesem Projekt entstand aus der Erkenntnis, dass Webcams sehr kostengünstig sind, sich jedoch schnell abnutzen. Eine Reparatur ist nicht lohnenswert, sodass die Kameras nach kurzer Zeit im Müll landen. Dies muss jedoch nicht sein. Linsen können anhand ihrer konkaven oder konvexen Form mithilfe von Lichteinfluss eine optische Abbildung erstellen. Ob in einer Webcam oder in einem Mikroskop – das Funktionsprinzip bleibt dasselbe.

Die drei Schlüsselwörter des Miniscopes sind einfach, sicher und kostengünstig. Die Konstruktion des Miniscope ist einfach; der Zusammenbau gleicht einer Legokonstruktion3, die man Teil für Teil zusammenstecken kann, ohne Hilfsmittel. Zusätzlich ist die Elektronik im Inneren des Miniscope sicher verstaut, sodass externe Faktoren, wie Dreckpartikel, keinen Einfluss haben können. Der Miniscope eignet sich besonders für Feldversuche, da er aufgrund seiner ergonomischen Form einfach zu transportieren und widerstandsfähig ist und eine äusserst einfache Anwendung aufweist. Das Material ist kostengünstig und in jedem Baumarkt erhältlich. Der Miniscope lässt sich schnell und einfach erbauen und ist kostengünstig, da die Kamera lediglich 25 CHF kostet.

 

Ausblick

Der Grundgedanke entstand nach der Umweltkatastophe in Japan, als das Trinkwasser knapp war und grosse Gebiete von Acker und Getreideland überschwemmt waren. Wir haben ein einfaches Geräte-Kit entwickelt und ein System adaptiert, das es ermöglicht, in kurzer Zeit eine biologische Wasseranalyse durchzuführen, sodass trinkbares Wasser ausgemacht werden kann. Interessant wäre es, dieses System nach Japan zu erweitern, sodass nach der Tsunamikatastrophe in Schulen oder durch Private mit einfachen Mitteln Trinkwasser identifizieren kann. Dies setzt voraus, dass das Saprobiensystem an die Lebensbedingungen in Japan angepasst wird und sichergestellt wird, welche Organismen als Leitcharakteren wirken können. Ausserdem kann ein Programm entwickelt werden, dass die Identifizierung der jeweiligen Biozönosen treffsicher durchführt, sodass auch ein Laie in der Lage ist, Wasser in verschiedene Klassen (nach der Einteilung von Kolkwitz und Marsson) aufzuteilen.

Ein Prototyp des “MiniScope Stage” wurde am 22. April 2011 im FabLab eingereicht und an der Luga Luzern ausgestellt.
Ein Prototyp des “MiniScope Puzzle” wurde am 31. Mai 2011 im FabLab zusammen mit einer Dokumentation eingereicht.

Die komplette Dokumentation mit Bildern liegt  als Word und PDF File vor.
Das Kit ist unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.5 Switzerland License veröffentlicht.

Autoren:

Emika Märki

  • Wirtschaftsingenieurin 2.Sem an HSLU T&A
  • Gelernte Pharmabiologielaborantin
  • Projektleitung, Dokumentation, Konstruktion
  • emika.maerki@stud.hslu.ch

Ruedi Stirnimann

  • Wirtschaftsingenieur 2. Sem an HSLU T&A
  • Versuchsaufbau, Ermittlung der Vergrösserung, Elektronik
  • ruedi.stirnimann@stud.hslu.ch

Urs Gaudenz
Dozent für Produktinnovation, HSLU T&A

  • Vorstandsmittglied International Hackteria Society, www.hackteria.org
  • Projektauftrag, Dokumentation, Aufbau Prototyp
  • urs.gaudenz@hslu.ch

1 http://www.welthungerhilfe.de/wasser-lebenswichtiges-element.html

 

Bauanleitung Miniscope

Kameramodifikation

Das Kernstück des Mikroskops wird eine handelsübliche Webcam bilden. Bei dieser Webcam muss das Gehäuse demontiert werden. Bei der dadurch freigelegten Elektronik und Optik soll nun das Objektiv der Kamera abgeschraubt werden. Das nun abgeschraubte Objektiv wird umgedreht und so auf den Kamerasensor der Elektronik wieder aufgeschraubt. Es ist darauf zu achten, dass bei dem Umbau kein Schmutz in das Objektiv gelangt. Die so modifizierte Kamera liefert nun Vergrösserungsbilder anstelle der bisherigen Videoaufnahmen auf mittlere Entfernung.

Kabelmodifikation

Aus dem USB-Anschluss eines Computers oder Laptops wird der gesamte Strombedarf des Mikroskops gedeckt. Da die Beleuchtung der Probenbehälter nicht von dem Kameramodul geschieht, muss beim USB-Kabel die Versorgung nach der Beleuchtung zusätzlich abgegriffen werden. Die Spannung eines Standard USB-Anschlusses beträgt 5V bei einer maximalen Stromstärke von 100mA.

Die USB-Kabel sind mit vier Adern ausgeführt. Jede der Litzen im USB Kabel ist mit einer andersfarbigen Isolation ummantelt. Die 5V Versorgung ist mit einer rot isolierten Litze übertragen und das Referenzpotential wird mit einer schwarzen Litze geführt. Also muss für die Versorgung bei der roten und schwarzen Litze an einer Stelle die Isolation entfernt und ein wegführender Draht angelötet werden. Das nun modifizierte Kameramodul und Kabel können in das passende Gehäuse eingebaut werden.

Gehäuseteile-Kit

Das Gehäuse besteht aus 12 einzelnen Acrylglasteilen

2 Seitenwänden
2 Stützen
2 Führungsschienen
1 Kameraplatte
1 Rückwand
1 Frontplatte
1 Deckelplatte
1 Bodenplatte
1 Fokusschraubenkopf
Zusätzlich im Kit: 2 Objektträger aus Acrylglas mit je 700 mm3 Einspritzvolumen

Zusammenbau Miniscope

1. Kameramodul auf Kameraplatte montieren.
2. Potentiometer an Deckelplatte kleben.
3. Widerstand an Potentiometer löten.
4. Stützen und Kameraplatte mit Rückwand kombinieren.
5. Seitenwände, Frontplatte und Rückwand zusammenstellen.
6. Wände auf die Grundplatte stellen & Kamerakabel positionieren.
7. Wände in Grundplatte einstecken.
8. Anschlussdrähte für LED durch Deckelplatte führen.
9. Fokusschraube mit Fokusschrau-benkopf verschrauben.
10. Kameraplatte und Deckelplatte mit Fokusschraube zusammensetzen.
11. Deckelplatte bis zum einrasten andrücken.
12. Führungsschienen anbringen.
13. LED Konstruktion (Modell: Draht & Schrumpfschlauch) befestigen.