在 Russell Kerschmann 出现之前，通过显微镜观察的世界就像人们在哥伦布起航前对世界的普遍看法一样：平面的。显微镜可以让我们看到物体的表面并大致了解其内部，但其真正三维的结构仍然是个谜。没有人确切知道魔术贴的两个部分是如何连接的，或者纸巾上的毛孔网络是如何精确地吸收水分的，甚至我们皮肤的三层是如何相互作用的。然后，Kerschmann 发明了一种新型显微镜——它正在彻底改变科学家观察世界的方式。
例如，宝洁公司的科学家们正在利用 Kerschmann 的技术来研究骨骼在生长过程中对各种药物的反应。桑迪亚国家实验室的工程师们正在使用这种新型显微镜来测量他们用于构建微型机器人所使用的微小螺钉和齿轮。“没有它，我们就寸步难行了，”罗切斯特大学的儿科心脏病专家 Christine Miller 说。Miller 正在使用这种新型成像技术来研究提高胚胎鸡心脏周围血压是否会导致先天性心脏缺陷。
“我们用其他技术做了将近一年半，一无所获。”
最初只是一个占据了 Kerschmann 厨房桌子太多空间的设备，现在已经成为总部位于加利福尼亚州科特马德拉的价值数百万美元的公司 Resolution Sciences Corp. 的核心。这项名为“数字容积成像”的技术为科学家提供了几乎任何他们想近距离观察的物体的精确三维图像。这些图像可以旋转并从任何角度查看；它们也可以被打开以显示样品的内部。
Kerschmann 的图像与以往的图像截然不同，它们甚至在教制造商和科学家们他们自己产品中从未了解过的事情。例如，当 Kerschmann 对魔术贴进行成像时，他发现这种材料的结构效率不高——大多数结合纤维从未接触过。
Kerschmann 的图像可以帮助制造商设计出一种同样牢固但制造成本更低的魔术贴。“在我们实验室，我几乎每天都能看到别人从未见过的事物，”Kerschmann 说。“而我们才刚刚开始了解这项技术的全部应用。”
一百五十多年来，人们一直在显微镜下仔细观察自然世界，并且这些设备也变得越来越复杂。但是，当放大直径大于几根头发的样品时，现有的显微镜会遇到问题。它们无法以三维方式捕捉样品的内部细节。
作为一名病理学家，Kerschmann 大约 15 年前在马萨诸塞州总医院的光医学实验室工作时，亲身遇到了这个问题。该实验室正在开发一种激光疗法，用于治疗导致红葡萄酒斑和蜘蛛痣等难看皮肤瑕疵的血管扩张。Kerschmann 的任务是确定特定的激光能量和脉冲长度，以在不损伤胶原蛋白（赋予皮肤弹性的蛋白质）的情况下使血管闭合。
医生会从志愿者身上采集皮肤样本，然后 Kerschmann 将它们包埋在
蜡中，并将其切成纸一样薄的切片。然后，他会在显微镜下检查每个切片，以查看激光首先击中了血管网络的哪个部分。但 Kerschmann 很快就感到沮丧。他通过现有显微镜看到的二维世界无法帮助他回答一个本质上是三维的问题。
“我看不清它们，”他回忆道。“你看到血管的圆形横截面，但它们并不能告诉你血管是如何相互连接和分支的。”
Kerschmann 知道，有可能生成一个复合的三维计算机图像，该图像可以反映他样品的所有单个切片。但他同时也知道，切割过程会严重扭曲和损坏切片，以至于事后将它们重新组合会产生一个非常不准确的图像。这就像将一块柔软的面包切片，然后将压扁的切片粘合在一起，并认为你已经重建了原始面包的形状。
Kerschmann 最终找到了绕过切割问题的方法。他没有一开始就将物体切碎并放在数百张玻璃载玻片上（这是传统方法），而是决定在切割和成像之间交替进行，采用一种最终更精确的顺序过程。
Kerschmann 通常从大约铅笔橡皮擦大小的样品开始。样品会被荧光染料染色并包埋在坚硬的黑色塑料中。然后，他将其夹在他的显微镜上。显微镜将激光射入样品，激发荧光染料。数码相机捕捉图像，然后一个刀片切掉样品的外层。已被切割损坏的那一层被丢弃；然而，样品的其余部分保持完好。接下来，对样品新暴露的层进行成像；然后也将其移除。随着这个两步过程一遍又一遍地重复，样品会慢慢缩小，直到什么都不剩下。然而，剩下的是其每一层的约 1000 张图像，存储在计算机中。一个软件程序将它们编译成原始样品单个、细节丰富的三维视图。
Kerschmann 的三维图像的精确性更上一层楼，因为他包埋样品的塑料是黑色的。这种不透明性意味着，当显微镜的光线照射到样品时，它只穿透最外层——下一轮将被丢弃的那一层。因此，图像之间没有视觉重叠。
流程完成后，Resolution 会向客户发送一张包含复合图像及其许多组成部分的磁盘。该公司还提供一台配备专用软件的计算机工作站，使客户能够查看、分析和操作数据。软件包的价格高达 24,000 美元，但客户表示物超所值。
“我们对我们的齿轮学到了很多以前不知道的东西，”加利福尼亚州利弗莫尔桑迪亚国家实验室的科学家 Doug Chinn 说。Chinn 制造的齿轮和螺钉长度只有几百微米——大约是圆珠笔尖的一半大小。它们是微机电设备的零件，例如微型机器人，科学家们希望有一天能将它们植入人体以输送药物或保护移植的细胞。为了设计零件，工程师们依赖于计算机图纸。但是，Chinn 说，直到 Resolution 出现之前，他的团队都无法确定制造出来的零件的尺寸是否与图纸匹配。“Resolution 的技术使我们能够查看零件的侧面，”他说。“没有其他技术能提供相同的信息。”
与此同时，在加州理工学院帕萨迪纳分校的贝克曼研究所生物成像中心，Andy Ewald 正在试图追踪细胞在青蛙胚胎发育过程中是如何移动的。但胚胎是不透明的，所以他看不到里面。Ewald 通过用荧光染料标记特定的细胞来解决这个问题，然后要求 Resolution 在胚胎发育的各个阶段——从最初的细胞团到具有可识别器官的胎儿——进行成像。这些数据使他能够看到胚胎内部，并确定他标记的细胞最终变成了哪些身体器官。
尽管 Kerschmann 的技术很有用，但并非完美无缺。一些科学家抱怨说，显微镜无法处理边缘尺寸大于 8 毫米（大约是一个方糖的大小）的物体，并且当样品接近最大尺寸时，其图像的分辨率会下降。Kerschmann 说问题在于硬件。当今的计算机无法足够快地处理他的数据。
尽管如此，Kerschmann 的显微镜正在改变微观世界的格局。科学家们尝试制作精确的微观三维图像已经有一百多年了，但直到现在，他们只能依靠艺术家对物体应有的样子的描绘。“我们生产的是真实的东西，”Kerschmann 说。
