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科学和技术的进步可以从不起眼的跳板开始。 1609 年，伽利略改进了一个玩具般的望远镜，将其指向月球和木星（而不是邻居），天文学由此实现了量子飞跃。 大约 150 年后，据报道，本杰明·富兰克林使用风筝 试验了最早的已知电容器之一。 延续这一传统，这些研究人员证明，玩具不仅仅能启发儿童玩耍。
观看启发技术突破的四种玩具的幻灯片 绘画板
匹兹堡大学物理学教授 杰里米·利维 说：“实验室基本上是一个光荣的娱乐室。 当我们做实验时，这是一种高度先进的玩耍形式……我们正在探索新事物。”
利维目前的研究源于他对童年绘画玩具的记忆。 2006 年访问德国奥格斯堡大学时，他观察到一种由两层绝缘层制成的微小芯片。 这个芯片引起了利维的兴趣，因为当研究人员施加电压时，层之间的区域可以切换属性——从绝缘到导电，然后再回到绝缘。 “当他们向我展示数据时，我正在思考绘画板，”利维说。
为了画线，玩具的触笔从玻璃屏幕的底面刮下铝粉。 利维想知道绘画板的方法是否可以建立在德国研究人员的发现之上，从而绘制和擦除纳米线？
利维和他的同事使用原子力显微镜和两层绝缘体（氧化镧铝和氧化钛锶），制造出了纳米级晶体管。 与绘画板不同，他们的技术不涉及刮擦。 当显微镜的尖端向材料表面施加正电压时，它会绘制出存在于氧化层之间空间的导电线。 这使得研究人员能够制造出 2 纳米宽的导线。（一纳米是十亿分之一米，或约四十亿分之一英寸。）他们的工作去年发表在《科学》杂志上，也克服了绘画板长期以来的挫败感——一个错误的动作，你就必须擦除整个该死的东西。 纳米电子绘画板则不然，它可以通过施加负电压来选择性地擦除它创建的导电线。
利维说，这种晶体管的面积比当今电子产品中使用的硅基晶体管小约 1000 倍。 有朝一日，它可能会满足半导体行业对 不断缩小的组件 的渴望。 但还不是时候：“制造一个晶体管和制造数亿个都能正常工作的晶体管之间，还有很大的差距。”
乐高
很少有孩子会将乐趣与“微流体设备中定向锁定和不可逆相互作用在确定性流体动力学分离中的作用”联系起来——一篇 2009 年《物理评论快报》论文，由 乔尔·弗雷谢特 和 赫尔曼·德雷泽 共同撰写，他们是 约翰·霍普金斯大学化学与生物分子工程系 的助理教授。 但该研究的主要工具恰好是一个流行的玩具。
由于乐高易于重新配置，因此它们是孩子们着迷的玩具——也是约翰·霍普金斯大学研究人员的实用工具。 弗雷谢特说：“它让我们真正做好了科学研究。” 她和德雷泽研究了一种特殊的微流体技术，用于分离粒子混合物。 微流体涉及通过微小通道操纵流体（有时以皮升或万亿分之一升为单位）。 微流体设备通常被称为 “芯片实验室”，微流体设备 具有广泛的应用，包括医疗诊断和药物输送。 为了测试其潜在机制，他们构建了一个大型结构，帮助模拟微观粒子的行为。
对于粒子分离实验，研究人员用圆柱形乐高积木覆盖了一块大型乐高板，并将该板垂直放置在装满甘油（一种粘性液体）的鱼缸中。 他们将各种尺寸的滚珠轴承放入鱼缸中，并观察滚珠在积木周围的轨迹。 弗雷谢特说：“这有点像 弹珠机，”她指的是日本的一种立式弹珠游戏机。 研究人员旋转木板以查看不同角度如何影响结果，并投放了数百个滚珠以获得他们需要的统计数据。
这项研究使用了价值约 50 美元的乐高积木。 包括滚珠轴承和甘油在内，弗雷谢特估计整个装置的成本不到 300 美元。 她说：“我的学生一天在化学品上的花费就这么多。”
神奇胶片
当 米歇尔·凯恩 首次分享她关于 神奇胶片 微流体的想法时，她担心有些人会认为这不成熟。 “我以前的一位实验室伙伴说，‘你是否意识到人们会喜欢这个东西，它将彻底改变一切——或者他们会嘲笑你。’” 2008 年，《芯片实验室》（英国皇家化学学会期刊）发表了凯恩的作品。 它是当年该期刊访问量排名前三的论文之一，她收到了来自世界各地实验室的数十封电子邮件，表达的是赞扬，而不是嘲笑。
凯恩小时候花了无数时间在神奇胶片塑料上创作设计，并观看它们在烤箱中收缩。 多年后，当她加入一所全新的大学后，由于缺乏制造微流体芯片的必要设施，她又回到了她最喜欢的玩具。 凯恩在厨房里度过一段时间时，突然想到了神奇胶片的灵感（“我在那里进行大部分思考，”她说）。
凯恩知道，当神奇胶片收缩时，塑料上的任何墨线都会凸起——这正是她在微流体模具中寻求的。 她购买了专为电脑打印机使用的神奇胶片塑料，打印了一个图案，并在她的烤面包机中烘烤了几分钟。 结果超出了她的预期。 凯恩最终不仅制作了模具，还开发了一种直接用神奇胶片塑料制作微流体芯片的技术。 凯恩说：“它实际上效果非常好”，足以创立一家基于这一基本前提的公司。 为了创造干细胞研究设备和太阳能电池等产品，Shrink Nanotechnologies 开发了一种超越玩具能力的新材料。 凯恩说：“神奇胶片收缩 60%，但 我们的新型聚合物收缩 95%。 而且性能收缩更一致。”
气球中的气球
2002 年的一天早上，希拉迪亚·森古普塔 凝视着火车窗外，看到了一个棘手问题的解决方案。 他和其他癌症治疗研究人员希望在阻止肿瘤供血后将化疗药物输送到肿瘤内部。 波士顿哈佛医学院医学与健康科学与技术助理教授森古普塔说：“这几乎就像，在水龙头被关掉后，你如何装满一桶水？”
他的顿悟来自于一位兜售在较大气球内充气气球的供应商。 森古普塔意识到，气球中的气球结构可以帮助他应对药物输送的挑战。 他设想一个更大的“气球”会爆裂并释放药物以切断肿瘤血管——然后一个更小的气球会释放化疗药物。
他说：“我认为人们对这个想法的简单性感到惊讶。”
森古普塔和他的同事将气球突破转化为一种新的癌症治疗策略：纳米细胞。 森古普塔说：“我们称之为纳米细胞，因为它看起来像一个细胞核和周围的脂质结构，但它比细胞小得多。” 纳米细胞的尺寸小于 200 纳米，在其两个层中的每一层都包含不同的药物。 2005 年，《自然》杂志发表了这种特殊药物输送的详细信息。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
森古普塔后来与人共同创立了 Cerulean Pharma, Inc.，该公司专注于基于纳米技术的治疗方法。 尽管其目前的产品基于单一药物，但该公司确实持有开发双药物纳米细胞的许可。 其他科学家也采用了森古普塔的气球中的气球的想法。 波士顿麻省总医院的一个研究小组，由 塔亚巴·哈桑 领导，使用纳米细胞和光动力疗法（光激活化学物质）来靶向胰腺癌。 他们在 2009 年 11 月在 分子靶点与癌症治疗学会议 上展示了他们用小鼠进行的研究结果。 哈桑说，现在预测人体试验何时开始进行他们的纳米细胞治疗还为时过早。 “‘尽快’是简短的回答。”
