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科學家創造第一個自立式 3D 掩蔽

only-perception
・2012/01/28 ・994字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

美國的研究者首度將立於自由空間的三維物體遮蔽,使得受到熱烈討論的「隱形斗篷」離現實更進一步了。

先前的研究不是純理論就是受限於二維物體的隱匿,但這項研究證明,一般物體如何能在其所處的自然環境中的各個方向上,以及從所有觀察者的位置上被隱藏。

發表在今日(1/26)的 New Journal of Physics 上,研究者利用一種稱為「電漿子掩蔽(plasmonic cloaking)」的方法,使一個 18 公分的圓柱管從微波前消失。

某些在隱形斗篷領域中的最新突破聚焦在變換型超材料(transformation-based metamaterials,超材料是一種非均質的、人為的材料,有能力使光線繞著物體曲折)的使用上,然而,這種新方法則是使用一種不同的人造材料:電漿子超材料(plasmonic metamaterials)。

當光擊中一物體時,它會朝另一個方向自其表面反彈離開,好比朝一面牆扔一顆網球。我們能看見物體的理由是因為光線從材料朝我們的眼睛彈過來,然後我們的眼睛能處理這種資訊。

由於它們獨特的特性,電漿子超材料對一般材料來說具逆向散射效應(opposite scattering effect)。

“當來自掩蔽與物體的散射場(scattered fields)產生干擾,它們會相互抵銷,而總體效應就是在任何觀察角度上都是透明與隱形。”

“電漿子掩蔽技術的優勢之一是其強健性與寬度適中的作用頻寬,優於傳統變換型超材料的掩蔽。這使得我們的實驗對於可能的瑕疵更強健,那對於隱藏自由空間中的 3D 物體格外重要,” 研究共同作者 Andrea Alu 教授表示。

在此例中,圓柱管被一層電漿子超材料的表層(shell)所遮蔽,使其看似隱形。該系統的測試是將微波指向被遮蔽的圓柱體並測繪物體周遭以及遠場(far-field)內的散射結果。當微波頻率在 3.1 GHz 以及在寬度適當的頻寬內,這種掩蔽的功效最優。

這些研究者(來自德州大學 Austin 分校)已在先前研究中證明,物體的形狀不會影響到掩蔽;畸形與對稱的物體都能利用這種技術匿蹤。

向前移動,研究者的關鍵挑戰之一將會是「使用可見光來掩蔽 3D 物體」的證明。

“原則上,這種技術能用來遮蔽光線;事實上,某些電漿子超材料天生就能用於可見光頻率中。然而,能以這種方法有效掩蔽的物體大小會隨作用波長而縮放,所以,當應用到可見光頻率時,我們也許能有效阻止微米大小物體的散射。”

“儘管如此,掩蔽小型物體對各式應用來說也許仍令人振奮。例如,我們目前正在研究這些概念的應用,在可見光頻率下隱匿微小的尖端。這對於生醫與光學近場測量來說相當有用,” Alu 教授下結論表示。

資料來源:PHYSORG:Scientists create first free-standing 3-D cloak[January 26, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》