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潛入未知的深海世界:仿生機械魚「Nemo」 與鋼鐵魚「Iron Fish」—《科學築夢大現場》

親子天下_96
・2016/11/06 ・1735字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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儘管人類的科技不斷進步,但想要一探海底世界仍然是非常大的挑戰。

不僅海洋的水流捉摸不定,深海裡黑暗、冰冷與高壓的環境,都是水下工作最難以克服的地方,傳統是由潛水人員來進行水下作業,不過人體在水中有下潛的極限,這時候就有請水下機器人啦。

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傳統是由潛水人員來進行水下作業,不過人體在水中有下潛的極限。圖 / By tuturgires @ pixabay

專攻水下機器人的台大教授郭振華表示,一般而言,水下機器人大致可分成兩種,一是「遙控式水下機器人(Remotely Operated Vehicles, ROV)」機器人本身以纜線與海面上的船隻聯繫,由船隻提供電力並且遙控機器人,機器人再將收集到的資料透過纜線傳回船上,人類為主要操控者,這樣的機器人不怕沒電,而且可以負荷很重的工具,例如機器手臂,所以多數應用在工業用途上。另一種是「自主式水下機器人(Automous Underwater Vehicles, AUV)」,其中也包含了「自主式水下滑翔機(Autonomous Underwater Glider, AUG)」這兩種都沒有纜繩繫縛,是靠電池來維持電力,靠感測器與人工智慧自主在水中執行任務,以聲納、光學等方式跟岸上通訊,進行定位並且傳遞訊息。自主式水下機器人可以巡遊很遠的範圍,還可以在定點停駐進行觀察,機動性很高,不過相對的風險也很大,一旦通訊系統故障,就可能會遺失了。

郭振華教授的「水下載具實驗室」中有兩架可愛的自主式水下機器人「 Nemo 」與「 Iron Fish 」。外表長得像可愛小丑魚的 Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。Nemo 的身體構造模仿魚身採用仿魚鰾作為浮力控制,它的移動全部仰賴矽膠製、可彈性擺動的尾鰭,帶著它完成前後、左右、上下的六個自由度,要利用單一個尾鰭來完成機器人的所有運動方式,是非常不容易,這個部分的研發也讓團隊著實花了好多力氣。另外,在研發 Nemo 的過程,由於這個機器人是要放置在海科館的魚缸中,在一個由玻璃環繞的固定範圍內巡遊,這也考驗了團隊的技術,原因在於機器人在水中是靠著影像處理與感測器來判斷環境,當環境太過於複雜,影像處理如果不夠快就會產生問題,而魚缸的透明玻璃也會讓機器人在判別上出現問題,一不小心就會撞上。最後他們想出在Nemo 的鼻子、身體與尾巴裝上壓力計,透過偵測水壓的方式,讓 Nemo 可以貼著魚缸游,也可以順利避開水中的障礙物。

Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。圖/親子天下提供
Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。圖/親子天下提供

而擁有純白色機身,眼睛部分有黑色半透明眼罩的 Iron Fish,是利用尾鰭的螺旋槳來控制前進與轉彎,搭配胸鰭的升降動作,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。Iron Fish 原本是利用聲納來跟岸上進行通訊聯繫,現在則開發出速度更快的光學通訊系統,運用雷射光以及魚身上的光感應器在水底的兩隻魚可以互相傳遞訊息,研究人員也可以透過雷射光跟機器魚進行通訊,將所偵測到的資訊傳回岸上。

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Iron Fish,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。圖/親子天下提供
Iron Fish,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。圖/親子天下提供

不過,要研發水下機器人並不容易,因為在水中的物體會受到流體力學水壓水流等等複雜因素的影響,實驗測試還必須要看老天的臉色,海象不佳就無法測試,因此研發進度會受到影響。另外,機器人的防水要做到非常嚴密,否則一旦機器人進水,設備經常就全毀了。在海中遊動的機器魚還有令人意想不到的危機,那就是會遭遇到大魚的侵襲,機器人被咬到也時有耳聞,還好它們為了負荷水壓,都配備有非常堅固的外殼,才不至於被咬壞。

儘管水下機器人的研發困難重重,不過郭振華仍樂此不疲,製作出一個像魚一樣可以永遠待在水中不用上岸的水下機器人,是他未來最大的夢想。


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本文摘自科學築夢大現場 02《歡迎光臨機器人時代!百變智慧機器人》,親子天下出版。

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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

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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