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USB大小的晶片,就能模擬你身上的器官—《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2017/02/22 ・431字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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這種矽膠微晶片只有 USB 隨身碟的大小,卻能夠模擬複雜的人類器官,如心、肺、腸道等功能,進而改善藥物的研發程序。晶片上內建微流控通道,通道旁排列特定的人類器官細胞;研究人員把化學成分注入這些通道當中,就能在顯微鏡下觀察這些人造「器官」對藥物的反應為何。

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本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 23 期(2016年08月號)。

舉例來說,肺臟晶片有一側排列人類的肺臟細胞,另一側排列微血管細胞,兩者之間隔著一層滲透薄膜,讓空氣和液體可以通過。薄膜的一邊有空氣流通,另一邊注入類似血液的溶劑,兩旁真空室的收縮和舒展則可模擬呼吸動作。

目前哈佛大學的韋斯研究所(Wyss Institute)已複製出多種器官晶片,並持續測試評估當中。研究人員希望這些晶片能夠取代動物實驗,協助研發新藥。


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本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 23 期(2016 年 08 月號)

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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「糖果代碼」如何幫助我們分辨藥品真偽?
胡中行_96
・2022/05/26 ・2216字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在澳大利亞的兒童派對上,常出現一種繽紛奪目,胖死人不償命的點心,叫做「仙子麵包」(fairy bread)。

其做法相當簡單,就是在吐司上塗奶油,灑滿多彩糖珠(nonpareils),再切成三角形[1]。美食與食譜網站不時會介紹它的各種華麗變體,例如:「仙子漢堡」、「仙子蛋糕」等[2,3]

澳大利亞的兒童派對上經常出現的點心「仙子麵包」。圖/Wikipedia

不過,現在有個美國的創新版本,卻是抱著救世的精神,榮登科學期刊。

偽造藥品極難分辨真偽

偽造和不合格的藥品,不僅在全世界害人無數,每年還造成 2 千億美元的經濟損失。開發中國家所受的影響尤為嚴重,國際衛生組織(World Health Organisation)估計當地 1/10 的藥物都是假貨[4]。仿冒藥品和印刷偽鈔的概念雷同,正邪雙方拼的是製造和辨識的技術。

就拿澳洲藥物管理局(Therapeutic Goods Administration)官網上的照片來說,三粒外觀神似的輝瑞(Pfizer)藥丸齊聚一堂,令人看了直呼真假難辨[5]!就算仔細觀察它們的形狀、顏色、拼字與外包裝,又有幾個普通民眾看得出哪幾粒不能吃?

上面是真的輝瑞(Pfizer)出品的藥丸,下面二粒是仿冒品。圖/參考資料 5

目前幾種藥物防偽技術,雖然理論上可行,但實際操作起來,多少都有缺點。比方說:

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  1. 在膠囊上壓印(indentation)一串編碼,再用特定的閱讀器來解碼[4]
  2. 於每粒藥丸上印QR code,然後拿顯微鏡辨識[4]
  3. 大幅改動原本的製藥程序,用螢光墨水或微模成型(micro-moulding)產生QR code,再透過智慧型手機的相機讀取[4,6]
  4. 調整製藥配方,在藥物外層的膜衣(film-based formulations)印上識別[4]

這些方法都勞師動眾,不易普及。

業界的福音「糖果代碼」誕生

正在業界苦無新法之際,2022 年 5 月 6 日《科學報告》(Scientific Reports)期刊,發佈了〈糖果代碼:一種簡單、普遍、獨特、可食用,且能確認藥物真實性的識別[4]。該文作者美國科學家 William H. Grover,彷彿以「灑水觀音」之姿,慈悲地潑灑糖珠,祈願杜絕偽藥氾濫,並就此解救天下蒼生。

首先,他把撒糖珠的動作,輕鬆地加到現行的製藥程序裡。不管藥廠做的是藥丸、藥片或膠囊,沒有糖珠附著不了的固體。當糖珠被隨機揮灑,便會在固體表面形成獨特的圖案。就像沒有一塊「仙子麵包」長得完全相同,每粒裹上糖珠的藥丸從此也有了個人專屬的外表。儘管它們不會因此引領時尚潮流,但至少宛如 QR Code 附體,有了獨一無二的「糖果代碼」(CandyCodes)[4]

接著,所有換上新裝的藥丸,在離開藥廠之前,都要來張個人紀念寫真。透過攝影,單一藥丸上每顆糖珠的位置與顏色,都將被記錄在藥廠的資料庫中。若嫌圖檔不好用,也可以將糖珠的排列組合,編成字串以利存取。如此一來,當藥丸抵達消費者手中,後者只要用手機拍照上傳給藥廠,就可以比對「糖果代碼」,為藥丸驗明正身[4]

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糖果代碼」可以讓消費者向藥廠確認藥品的真偽。圖/參考資料 4

至少可以創造出1017 組不會重複的糖果代碼

說到排列組合,學過「庭院深深深幾許」的讀者,是否好奇「糖果代碼」的各種可能性,夠不夠應付藥廠的龐大出貨量?科學家 William H. Grover 採用每顆 2.3 毫克,8 種不同顏色的糖珠:深藍、淺藍、紅、粉紅、綠、橙、黃和白色。每顆能編寫 3 個 2 進位(23=8)位元的資訊,於是 1 公斤的糖珠就可乘載 130 萬位元的資訊量。此外,糖珠的售價相當便宜,1 美元能購買 2 萬 9 千顆糖珠[4]

由於糖珠是隨機地包覆在藥丸外層,排列組合的結構,比 1D 的條碼和 2D 的 QR code 複雜。美國科學家 William H. Grover 用 Python 語言,寫了個程式來將每張藥丸的照片,轉換成一條條二進位的代碼字串,再計算可能性的總數。經過一番努力之後,他推估這個做法,足以創造 1017 組不會重複的「糖果代碼」。如果還是擔心數量不夠,也可以使用更多顏色,或不同形狀及尺寸的糖珠,來增加排列的組合[4]

科學家William H. Grover用Python程式來將藥丸的照片,轉換成二進位的代碼字串。圖/參考資料 4

當然,科學家的野心絕不侷限於製藥,否則跟只會做或吃「仙子麵包」的販夫走卒,又有何差異?William H. Grover 認為「糖果代碼」的概念,將來還可以被運用在其他產品。例如:於瓶蓋或其他包裝上,黏貼彩色的小粒子,來遏制盜版[4]。雖然他的願景才剛被《科學報告》期刊公諸於世,但將來或許就真的被廠商採用了。到時候市面上,便會充斥著各式各樣的仙子商品。

也可將「糖果代碼」用於瓶蓋或其他包裝上,來遏制盜版。圖/參考資料 4

參考資料

  1. Meanings and origins of Australian words and idioms (Australian National University, 2017)
  2. Fairy’s Burger at Mary’s (Gourmet Traveller, 2016)
  3. Fairy bread cake (SBS)
  4. CandyCodes: simple universally unique edible identifiers for confirming the authenticity of pharmaceuticals (Scientific Reports, 2022)
  5. How to spot a counterfeit medicine (Therapeutic Goods Administration, 2020)
  6. Drug-laden 3D biodegradable label using QR code for anti-counterfeiting of drugs (Materials Science and Engineering: C, 2016)
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?
胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

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反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

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人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

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參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)

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