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人工滑雪場內的定位系統

科景_96
・2011/02/10 ・680字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

Original publish date:Mar 12, 2009

編輯 HCC 報導

 

德國工程師利用RFID(無線射頻識別技術)建構了人工滑雪場內的運動員滑雪板位置與路徑追蹤系統,定位精度到公分等級,可以協助教練檢視運動員的滑雪技術。

區域定位系統的應用日廣,或因為建築物的遮蔽,無法順利接收衛星訊號,須進行室內人員或車輛定位;或利用RFID(無線射頻識別技術)追蹤物品位置,進行物流管理。德國工程師另有巧思,把區域定位系統應用到滑雪運動員的訓練上。

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工程師把答應器(transponders)包括無線電發射器與接收器應用在滑雪場上,將無線電發射器固定在運動員的滑雪板上,利用滑雪板前後端的小型天線以每秒千次的頻率傳送無線電波。於滑雪場斜坡定距佈置的接收站(receiving stations),擷取無線電波訊號,計算天線發射訊號到接收站的時間,精確的對滑雪板上的天線進行定位。

電腦每千分之一秒計算滑雪板位置一次,隨於螢幕上顯示滑雪板的移動路徑,教練就能檢查滑雪運動員的兩支滑雪板是否保持平行,或能做個標準的回轉動作。

工程技術的跨領域應用端視工程師的豐富知識與巧思。

參考來源:

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本文版權聲明與轉載授權資訊:

 

 

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科景_96
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Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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內建超強GPS!研究發現狗狗靠南北短跑定位,找出最佳回家路線
何如
・2020/08/17 ・2542字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

眾所周知,狗狗有著一副靈敏的好鼻子,能夠感知周遭環境變化,然而不僅如此,最近更有研究指出,牠們可能還具有另一項隱藏能力——自動導航功能。這項功能就像狗體內擁有能感應磁場的羅盤,可讓牠們利用地球磁場推算陌生地形上的捷徑。

新研究發現,狗從陌生地折返回原點的方式有兩大類:一是隨著氣味依循原路回去的「原路折返」,二是從全新的路跑回來的「偵查折返」,其中有些採用偵查折返的狗會在回程時出現「沿著南北軸短跑」的現象,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。

圖/Pixabay

磁感悄悄出現?曾經發現狗會「定位」

「(導航能力)這是第一次在狗身上發現」,研究海龜磁感與導航的生物學家凱瑟琳.羅曼 (Catherine Lohmann)註1 如此說道。

她提到,跟鳥類等遷徙動物比起來,對於狗身上導航能力的研究其實相對少得多。英國斑戈大學註2研究鳥類導航的生物學家理查.荷蘭 (Richard Holland) 則附和道:「這是洞察狗如何建構牠們對於整個空間的畫面的機會。」

不過關於狗、其他動物甚至是人類「或許能夠感知地球磁場」這樣的情形,其實早已有過一些線索。2013年,已經研究磁接收 (magnetic reception) 30年的捷克學者海尼克.布爾達 (Hynek Burda)註3 和他的同事就表示,狗在排尿和排便時會傾向將自己定為南北向,而同時,因為這樣的行為與標記辨認領地有關,所以布爾達將這種定位校準解釋為「能夠協助狗釐清現在的位置與周遭的相對關係」。

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然而,這種穩定不變的校準(白話文:知道東西南北),跟導航能力其實是兩回事。

隨意跑開後,狗竟然能從一條完全陌生的路折返?

在新的研究當中,布爾達的學生卡提捷娜.班尼迪克托瓦 (Kateřina Benediktová) 先將攝影機和 GPS 追蹤器放在4隻狗身上,然後再帶牠們到森林裡,接著讓狗四散而去,去追尋平均約 400 公尺外的動物氣息。

有趣的是,GPS 追蹤器顯示狗在回程路上(跑回向牠們的主人)出現兩種行為:一是「原路折返 (dubbed tracking),可能就是隨著氣味以沿著牠來時的路程回去;另一則是「偵察折返 (scouting),也就是從一條全新的路跑回來。

圖/eLife

當卡提捷娜將獲得的實驗結果資料給布爾達看時,布爾達發現了一個奇怪的特性:在偵察折返的途中,狗會突然停下然後先向著南北軸跑個 20 公尺左右,才再又開始往回跑。那種短暫的 20 公尺小跑有點像是要校準磁場方向的模樣,但卡提捷娜還沒有充足的資料可以肯定這樣的推論。

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於是他們擴展了這項研究計畫,幾乎人人都有養一隻獵犬的狩獵管理與野生動物學系註4的同事也投入研究,3年來透過27 隻流浪狗進行數百次實驗。

在進入森林實驗時,研究團隊會試著避免給予狗其他能夠辨識方向的線索。只要情況允許,狗都會被帶到從沒去過的森林裡的一處,如此一來牠便不能依靠熟悉的地標來找路。同時主人會在牠開始漫步時就躲起來,以免狗是藉由看見主人而跑回來。另外,由於狗跑回來時,風向很少是從主人吹向狗的,所以氣味也不太會造成影響。

研究人員仔細看了 223 例的偵查折返狀況,發現狗會在回程時平均漫步約 1.1 公里的距離,而這當中有 170 次出現了「狗先停下,再掉頭沿著南北軸跑 20 公尺」的情形。同時,研究者們也指出,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。「我真的對這樣的實驗結果感到蠻震撼的」羅曼如此說道。

圖/eLife

內建羅盤判斷最短回家距離?!其實不太意外

布爾達認為狗之所以會沿著南北軸跑是為了釐清牠們的方向,「這是最合理的解釋」他說。

羅曼則表示,這個行為的意義在於狗可能能夠記得牠們之前的移動路程,然後再藉由參考體內的磁場羅盤,來釐清回家的最短路徑

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之後布爾達和卡提捷娜也開始嘗試另一種實驗方法,他們打算在狗的項圈中放入磁鐵,干擾磁場,然後觀察這樣是否會妨礙狗狗辨識方向的能力。這樣的想法與 1980 年曾經發表在《科學》期刊上的一篇爭議性實驗類似,當時的實驗是針對人類,研究者將磁鐵放入蒙眼受測者的眼罩中,實驗結果發現磁鐵似乎會擾亂人類直覺的方向感1

不過羅蘭大學註5專攻狗隻行為的亞當.米克洛希 (Adam Miklósi) 則認為,要設計磁感的實驗其實是相當繁複的,因為很難排除其他感官,讓一隻動物完全只依靠一種感知來做出行為。

「這樣操作的難處在於為了要百分之百證明磁感,或是任何一種感知,你必須排除所有其他的感知。」

而米克洛希亦說道,其實「狗能夠利用磁場來辨識方向」並不是太令人吃驚的事,因為這似乎是一種古老的能力,而且可能出現在任何會橫越大片土地的哺乳動物身上。羅曼也贊同道:「你會期望動物在狩獵之後能夠藉這種方式回家,顯然能在狗身上看到應該滿合理的。

註解: 

  1. 時任北卡羅萊納大學 (The University of North Carolina at Chapel Hill) 生物系的助理教授。
  2. Bangor University。
  3. 為布拉格捷克生命科學大學 (Czech University of Life Sciences Prague) 的感官生態學家 。
  4. The department of game management and wildlife biology, Czech University of Life Sciences Prague。
  5. Eötvös Loránd University。

參考資料:

  1. Baker, R. R. (1980). Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: Possible involvement of a magnetic sense. Science210(4469), 555-557.

本文主要編譯自:Dogs may use Earth’s magnetic field to take shortcuts

何如
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「因為人因思想而獨特,但不說出來就什麼都不是。」 —為自己的冗言話多辯解的小菜鳥。

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想成為狩獵高手?學學狐狸來利用磁場吧!──《變身野獸》
PanSci_96
・2017/08/26 ・2744字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

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  • 【科科愛看書】天天都覺得心好累、人生好難?那就讓我們放棄當人,跟著搞笑諾貝爾生物獎得主一起《變身野獸》吧!作者為了對動物的日常生活感同身受,不惜親身迎接各種挑戰,吃貓罐頭、用牙齒捕魚、隨地排泄(?)如果你想擁有「不當人的勇氣」,絕不可錯過這份獨一無二的動物生活札記!

打獵也要很科學,用基本三角征服田鼠

時光旅行不只存在詩歌裡,狐狸會利用時光旅行狩獵。如果田鼠從狐狸身體中線任一側的不同角度發出吱吱聲,聲波抵達耳膜的時間點和強度就會有所差異。

一點基本三角學、豐富的經驗加上超多次撲空,狐狸的大腦就會一點一滴慢慢修正。雖然難度比較高(演化已經利用純音[pure-toned]獵物的物種表明這一點),但是狐狸也能找出連續純音的低吟來源:聲波的不同部位會在特定時間點撞進左右耳,如果波鋒震動右耳,波谷就會震動左耳,只要利用中間的差異就能找出聲音來源。

不過這個方法並非萬能。如果狐狸的頭靜止不動,聲波的定位就會從一個點變成美麗的曲面,從聲波來源一路延展到狐狸的頭部。狐狸沒辦法不斷跳躍,試圖從平面上無限個點找出獵物的位置。所以牠們換成兩種更聰明的方法。

狐狸利用聲波定位獵物的位置。圖/Holyrood Magazine

掌握地球磁場,完美出擊不是問題

首先,狐狸會先動動頭或是耳朵。聲音來源和狐狸之間的曲面會變動,但是來源本身是靜止的。只要比對前後兩種曲面,狐狸就可以縮小可能範圍。轉幾次耳朵、搖幾回頭,狐狸就有足夠自信跳出那一步。不過,牠們還有另一種驚人的細微修正法。

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為了了解這個方法有多驚人,建議你先去附近最髒亂的公園觀察正在排便的狗。如果天氣晴朗,牠們喜歡把身體對準南北向排便,那時候地球的磁場很穩定。但是磁場並不總是平靜的:當熔岩核心翻攪,地球表面就會捲起暴風和颮風。不過,只要牛鬼蛇神不作亂,狗的腸胃就會緊緊拴在世界的中心。

目前還不知道狐狸是否也受地球磁場影響,但是答案很可能是肯定的。狐狸絕對有順著地球磁場運轉。牠們很常向著東北方朝小型哺乳類撲去,而且這種方向的成功率更高。東北向攻擊的成功機率是 73%,西南向(跟東北向差 180°)是 60%,其他方向則只有 18%。

這種行為(目前僅知狐狸有此行為)是利用磁場計算攻擊距離,而不是位置或方向。距離比起其他兩者重要。狐狸的棲息地有各種因素會干擾距離計算。例如氣溫和濕度會改變聲波的速度,使得三角學計算出現誤差。聲波也會在草莖之間迂迴蛇行,在枝枒之間彈跳,一會兒巧妙鑽地,一會兒乘風嬉戲。田鼠常走的路徑幾乎長不出青草,沒有窸窣聲替狐狸通風報信。就算有草,徐風也會替田鼠遮掩行蹤。如果距離掌握不佳,狐狸可能再無機會重振旗鼓,發動攻擊。

地球磁場影響了狐狸的狩獵行為。圖/phys.org

所以狐狸習慣對著磁場的固定角度(偏離北邊 20° 最佳)跳躍,牠們很熟悉這個角度發出的聲音。磁力線和聲線交會之處,獵物就在那裡。還記得英國空軍精準投下彈跳炸彈,轟炸德國魯爾水壩(Ruhr dams)的事嗎?當兩道聚光燈在水面交會,飛行員就曉得他們來到正確的距離,是時候該按下投放鈕。狐狸的狩獵也是同樣道理,只不過牠們的聚光燈是聲波和磁場,炸藥則是爆發的延伸腿筋以及其他約一百條充滿血液、淋巴和飢餓的肌肉纖維。

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用磁場跟地球來場親密接觸吧!

真實感受到地球方位是什麼感覺?我也會向狐狸一樣轉頭試圖對準聲音來源,但是假如能靠體液判斷西北方位呢?那表示我的每一步從此都有憑有據,我將和世界萬物建立起緊密聯繫。以前我只是挑個地點製造各種髒亂,如今我將是真正的地球居民。

有一次,我在酒吧聽到幾位老婦抱怨世道衰微。當然,問題都出在年輕人身上,現在的年輕人跟以前不同了。換個有趣的角度,別把她們想成閒閒沒事做、淫蕩、不懂尊敬或爛醉的低下階層老嫗(就算是實情),她們只是對地球磁場過於敏感罷了。

「妳知道嗎,那些傢伙說教會什麼的全都沿著磁力線連成一條,一路連到古老山丘之類的。」

「不會吧!」

「是真的。妳聽我說,他們說全國到處都是磁力的線,古代人知道這回事,所以把房子都蓋在線上。」

「才怪!」

「是真的啦,說不定我現在就坐在線上呢。屁股好像有點麻麻的。」

對話就這樣繼續下去:屁股麻、胸部麻,那條難看的長褲也跟著帶電了;從貝尼多爾姆(Benidorm)買來的二手壁爐找人看過風水了。老婦徹夜咯咯笑,我則點了一瓶原本以為不需要的啤酒試圖麻痺自己,埋首於《綠斗篷》(Greenmantle)中。

被老婦嫌棄的孫子說得對。隨便找一隻狐狸、叢林居民、正在半蹲撇條的狗,或是現代文明之前的任一人,他們都會點頭稱是。除了埋葬和直接踩進土裡之外,是磁力讓人類定錨在地球上。我們是吸在冰箱上的字母磁鐵,要拼出有條理的單字,唯一方法就是待在原地不動。如果像晚期舊石器時代那樣不帶磁性,人類就會盲目失根,不曉得身在何處,無法與土地親密相處,更不明白自己是誰,又為何出現在這裡。

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是磁力讓人類定錨在地球上。圖/Public Domain, wikimedia commons

至少在滴到啤酒的筆記本上,我如此自以為是又幼稚地寫下這段話。我的磁力並不比老婦強。我的祖先和老婦的祖先,都在幾千年前砍斷自己的雙腿,挖出雙眼。但至少我很清楚,失去雙腿雙眼的人類確實弱化了。

也許是我誇大其詞。狐狸對準磁北極二十度出擊,其實只是像乒乓球選手轉動手腕,以求擊出角度最大的上旋球。但無論如何,這個角度絕對是刻意對準的。於是斟酌之後,我認為自己並沒有誇大,因為世界級乒乓球選手和球桌的關係是如此奧妙。對我來說,那張球桌僅僅是一塊木材;對選手而言,那是展現奇蹟的舞台,也是繡出絕無僅有美景的刺繡架,這一切都是因為選手和球桌建立起關係。

所以說,沒有磁力的我,只能把這世界看成幾片木材,而不是國際桌球錦標賽的專用球桌。反觀狐狸,可是不分晝夜打著乒乓呢。


 

 

 

 

本文摘自《變身野獸:不當人類的生存練習》行人文化驗室出版。

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網路連結一線生機
陳 慈忻
・2012/11/29 ・1054字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

2012年8月,菲律賓的洪水帶走66條生命,親人、朋友四散各處,究竟是生是死無從得知。大規模的災難不但造成人命及財貨損失,更麻煩的是資訊失連,讓人無比焦急。

為了協助災民在混亂中能夠確認親人朋友的狀況,美國國家醫學實驗室(National Library of Medicine,NLM)特地為菲律賓設立了網路版的「尋人工具」(People Locator)。這個網頁讓民眾可以尋找家人、朋友:只要輸入姓名,就可以找到個人檔案,包括名字、年齡、性別、照片,以及災難中的狀態–失蹤、受傷、獲救或者已經罹難。除此之外,當事人也可以在自己的檔案中留言,讓心急的家人知道他的狀況。

如果災害影響就發生在醫院裡,又會造成什麼問題呢?在今年10月23日凌晨,衛生署新營醫院北門分院發生火警,救難人員趕到現場進行撤離,一百多名病患緊急疏散,集中到院前廣場等待醫療照護,有些病患吸入過多濃煙迫切需要實施心肺復甦術,並緊急送往其他醫院,搶救工作分秒必爭。

當緊急災害發生時,醫院的人群會急忙湧入避難所,不同傷勢、科別的病患會交雜在一起,這時候醫護人員想要針對不同類型的病患進行照護工作會很困難,也可能因為情況混亂找不到病患,造成醫療照護的失誤和延遲。

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美國國家醫學實驗室結合了本文開頭提到的尋人工具和病患追蹤系統(Patient Tracking and locating system)的技術,讓心急的親友能夠取得音訊,醫護人員不大亂陣腳。

病患追蹤系統是一種通訊科技,它能夠利用裝有迷你相機的鋼筆,辨識病人的病例資料;並且包括即時定位系統(Real-time Locating System,RTLS),透過具定位功能的ID勳章,能夠在醫院中心掌握病人的位置。

尋人工具除了能讓家屬在緊急狀況發生時,查詢病人的狀態,就連病人在哪一台救護車上,已經抵達目的地還是在路途中,都能夠顯示在尋人工具的網頁上。在不侵犯病患隱私的前提下,病患追蹤系統可以讓救難與醫療人員更有效掌握現況,也提高了病患的權益跟保障。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

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資料來源People Locator for the 2012 Philippine Floods
Disaster Preparedness Partnership Sparks New NLM Technologies

陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。

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人工滑雪場內的定位系統
科景_96
・2011/02/10 ・680字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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Original publish date:Mar 12, 2009

編輯 HCC 報導

 

德國工程師利用RFID(無線射頻識別技術)建構了人工滑雪場內的運動員滑雪板位置與路徑追蹤系統,定位精度到公分等級,可以協助教練檢視運動員的滑雪技術。

區域定位系統的應用日廣,或因為建築物的遮蔽,無法順利接收衛星訊號,須進行室內人員或車輛定位;或利用RFID(無線射頻識別技術)追蹤物品位置,進行物流管理。德國工程師另有巧思,把區域定位系統應用到滑雪運動員的訓練上。

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工程師把答應器(transponders)包括無線電發射器與接收器應用在滑雪場上,將無線電發射器固定在運動員的滑雪板上,利用滑雪板前後端的小型天線以每秒千次的頻率傳送無線電波。於滑雪場斜坡定距佈置的接收站(receiving stations),擷取無線電波訊號,計算天線發射訊號到接收站的時間,精確的對滑雪板上的天線進行定位。

電腦每千分之一秒計算滑雪板位置一次,隨於螢幕上顯示滑雪板的移動路徑,教練就能檢查滑雪運動員的兩支滑雪板是否保持平行,或能做個標準的回轉動作。

工程技術的跨領域應用端視工程師的豐富知識與巧思。

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