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仿生軟機器人!Soft robot

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・2012/01/30 ・392字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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雖然生物使用很多種方式運動,但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物,使用關節、支架跟驅動器來達成運動。但是有一類的生物,像是軟體動物,是利用軟組織本身的變形來做運動,沒關節、沒骨骼,這類運動卻很少被應用在機器人身上,現在研究人員利用類似的想法做出了下面這個軟的爬行機器人:

主要的原理很簡單:先利用立體印表機設計出模子,模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙,然後用矽膠去翻模,就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖,在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序,就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。

這樣的軟機器人的設計成本不高,因為整體沒有關節根支架的分別,製造上也容易,或許在未來像是跟人體互動的接觸或是需要柔和方式的運動時可以派上用場!

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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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鑑識故事系列:哪一把武士刀砍了顱骨?
胡中行_96
・2023/08/21 ・2135字 ・閱讀時間約 4 分鐘

男子與公車上認識的同好,打算共赴西洋棋賽。途中兩人開始喝酒,醉到無法下棋,男子便受邀至對方家續攤。他們來到德國某小鎮一棟半獨立式的房子,不知何故卻起了爭執。這名新朋友遂攻擊男子,然後致電警方自首。[1]

a. 客廳;b. 死者與刀鞘(sheath);c. 廚房裡的武士刀 A;d. 人行道的武士刀 B 及開山刀。圖/參考資料1,Figure 1 a, c , d and edited b(CC BY 4.0)

勘查現場

警察與鑑識病理學家進入客廳,看見男子四肢蜷曲,橫屍沙發前的血泊中。朝天的後腦勺,有數道深層砍傷。遍佈周遭物品、地板與牆壁的飛濺血斑,方向不一。可以推測男子在跌倒後,以此姿勢繼續受害。他的身邊有兩只刀鞘。相應的武士刀 A 在廚房裡;B 則於屋外的人行道上,一旁還有開山刀。[1]

武士刀

開山刀上沒有血漬,可能不是兇器;兩把沾滿鮮血的武士刀,成了辦案的焦點:[1]

  • 武士刀 A:由長 720 公厘,寬 31 公厘,厚 7 公厘的刀刃;橢圓形護手;以及藍布包裹的刀柄組成,總長 1020 公厘。[1]
  • 武士刀 B:刀刃長 725 公厘,寬 32 公厘,厚 7.5 公厘;加上橢圓護手;還有纏著黑布的刀柄,全長也是 1020 公厘。[1]

兩把武士刀的外型,無疑非常相似。不過,製作刀器時的打磨等動作,以及使用造成的磨損,如果留下足夠的紋路,就可能在死者身上產生不同的痕跡。換句話說,驗屍的時候,要挑選刀痕明確,且含有相當細節的砍傷,來進行比對。[1]

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武士刀 A(上)與 B(下)。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

驗屍

男子的頭、頸後方,與右肩、右臂,有 2、30 處銳器損傷;雙手因自我防衛而受傷;嘴唇、手臂、左乳頭,以及左肩胛附近,則有血腫等鈍器損傷。他的內臟輕微貧血,帶少量屍斑,散發著強烈酒味。血液酒精濃度高達 0.378%,[1]衝突發生的當下,抵禦能力大概有限。

血液酒精濃度(%)可能的症狀
< 0.05多話、放鬆、自信。[2]
0.05 – 0.08判斷力與運動失常,肆無忌憚。[2]
0.08 – 0.15口齒不清;情緒不穩;噁心、嘔吐;視覺、平衡感與肢體協調失常。[2]
0.15 – 0.30想睡、失憶、尿失禁、呼吸困難、失去意識,無法自行走動。[2]
> 0.30[2]>0.40[3]昏迷、死亡。[2, 3]

翻模

鑑識團隊取下顱骨(cranium)最上方顱頂(calvaria)的一部份,用冷水洗淨,吸除水份,放在顯微鏡下檢查:8 淺 7 深,共 15 道器物造成的傷痕。其中 3 道特別深,而且保有充足細節,適合比對兇器,被編號為 I、II 與 III。[1]

接著,他們拿出 AccuTrans® 鑄造材料(AccuTrans® Casting Material),往這 3 道刀痕上抹。[1]根據 AccuTrans® 的官網,這是一種鑑識專用的印模矽膠,連鈔票墨紋都能精準捕捉,而且適用於平滑、粗糙,垂直或水平等各種表面。[4]得到第一個模型後,鑑識人員將這塊顱頂扔進不超過 75 °C,摻有洗衣粉的水中浸泡,直到上面的軟組織能被輕輕刷除。然後以丙酮(acetone)除油待乾,再次用 AccuTrans® 翻模。兩塊矽膠模型被放在 Leica FS-C 光學顯微鏡下比較,確認稍早浸泡的程序,沒有不小心破壞了刀痕。[1]

去除軟組織前後的顱頂上,編號 I、II 和 III 的傷痕。圖/參考資料 1,Figure 3(CC BY 4.0)

顱頂刀痕的模型完成之後,2 把武士刀也要準備一下。先以冷水洗去血漬,並用衛生紙擦乾。拿牙科翻齒模的 Cavex Set Up Wax 硬蠟片,在刀刃的紋路上翻模,再灌入 AccuTrans®,做出模型。[1]

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比對

鑑識團隊除了將顱頂刀痕和武士刀紋路的模型,放在 Leica FS-C 光學顯微鏡下,打斜光比對;也使用辦案專用的 ToolScan 3D 掃描器Lucia Forensic 3D 比較軟體加以分析。他們又拿一般硬度的 Cavex Set Up Modelling 蠟片與褐色的 AccuTrans® AB 鑄造材料,再次製作模型,掃描並分析,以驗證結論。[1]

光學顯微鏡下,顱頂刀痕 I、II 和 III 跟武士刀 A 紋路的比較。圖/參考資料 1,Figure 5(CC BY 4.0)

判決

3 道刀痕都與武士刀 A 吻合,儘管這個結果不能排除 B,但至少證明 A 絕對是兇器。鑑識團隊 3D 電腦斷層掃描顱頂,並將結果匯入電腦輔助設計軟體 Autodesk Inventor,再繪製武士刀 A 配合呈現。然後於法庭上以此系列圖像,展現揮刀的方向與砍傷的時序。最後,兇手因過失殺人被判 9 年徒刑,並強制勒戒。[1]

以 Autodesk Inventor 繪製的武士刀 A 砍顱頂示意圖。圖/參考資料 1,Figure 9(CC BY 4.0)

參考資料

  1. Weber M, Banaschak S, Rothschild MA. (2021) ‘Sharp force trauma with two katana swords: identifying the murder weapon by comparing tool marks on the skull bone’. International Journal of Legal Medicine, 135, 313–322.
  2. What are the effects of alcohol?’. (02 AUG 2022) Department of Health and Aged Care, Australian Government.
  3. U.S. National Library of Medicine. (28 SEP 2022) ‘Blood Alcohol Level’. MedlinePlus.
  4. AccuTrans®’. AccuTrans. (Accessed on 07 AUG 2023)
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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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・2012/01/30 ・392字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

雖然生物使用很多種方式運動,但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物,使用關節、支架跟驅動器來達成運動。但是有一類的生物,像是軟體動物,是利用軟組織本身的變形來做運動,沒關節、沒骨骼,這類運動卻很少被應用在機器人身上,現在研究人員利用類似的想法做出了下面這個軟的爬行機器人:

主要的原理很簡單:先利用立體印表機設計出模子,模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙,然後用矽膠去翻模,就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖,在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序,就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。

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鑑識故事系列:從下呼吸道取出的矽膠
胡中行_96
・2023/07/31 ・2335字 ・閱讀時間約 4 分鐘

這次來醫院的目的,是更換並固定新的侵入性呼吸器材,計劃相當簡單:事前禁食,全程無麻醉,不用住院,做完直接回家。不過,當天程序走到一半,13 歲的德國男孩就過世了。[1]

氣管造口術。圖1/U.S. National Heart Lung and Blood Institute (NIH) on Wikimedia Commons(Public Domain)

氣管造口術

男孩患有原因不明的嚴重先天性神經疾病。[1]大概是食物或液體動不動就落進下呼吸道,他時常感染吸入性肺炎(aspiration pneumonia),[1, 2]因此曾接受氣管造口術(tracheostomy;簡稱氣切)(圖 1):在脖子前方開一個永久性的孔洞,置入氣切管,並連接正壓呼吸器[1]這個氣管造口便於抽清下呼吸道,以維持暢通;[3]但是多年下來形狀走樣,開過數次刀,換了各種氣切管,都無法穩固裝置。不僅空氣外漏,氣切管的充氣氣囊(圖 2),也總是在呼吸器運作時滑出來。於是,男孩的醫師群決定執行氣管造口矯正術(tracheostomal epithesis),把氣切管跟氣管造口之間的縫隙封起來。[1]

氣切管:充氣氣囊(箭頭)及測風球(三角形)。圖2/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

氣管造口矯正術

氣管造口矯正術開始,兒童胸腔科醫師拿起新的氣切管,先測試充氣氣囊是否功能正常,再將氣切管從男童的氣管造口插入。以支氣管鏡確認其位置無誤後,拔除呼吸器。然後灌飽氣切管的充氣氣囊,以防止男童吸入異物;同時仍露在體外,用來顯示氣囊狀況的測風球,也相當飽滿。男孩平常能在無呼吸器的情況下,撐好幾個小時,所以及至此刻他的生命徵象依然穩定。[1]

混合槍。圖3/參考資料1,Figure 3(CC BY 4.0)

假體製作師把混合槍(圖3)的前端,伸入氣管造口,從新的氣切管旁,灌注橙色的矽膠印模材料,精確複製周邊組織的構造,好在稍後翻模塑形,填補氣切管跟氣管造口間的空隙。在進行此步驟時,假體製作師發覺矽膠用量異常地大。開始灌注的 60 秒後,男孩的血氧飽和濃度劇降,臉色發青。[1]

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所有動作立刻停止。原本在灌注完成後,要透過氣管鏡,檢查有無矽膠跑進氣管或支氣管。現在兒童胸腔科醫師,以及陸續加入搶救的兒童加護科、兒童腸胃科和耳鼻喉科醫師,只管拼命地把矽膠抽出來,還有進行人工呼吸。他們拔出氣切管,再插入一支新的,然後從支氣管鏡看到矽膠的堆積,遠超過計劃範圍。趕緊給男童上了麻醉劑,推去手術室。[1]

醫療團隊於喉頭鏡支氣管鏡的輔助下,繼續清除矽膠,並且幫他接上體外維生系統(ECMO;又稱葉克膜)。在經過數次努力後,終於從下呼吸道,取出一根 Y 字型的矽膠(圖4)。遺憾 2 小時的搶救下來,男孩仍然回天乏術。[1]

從男孩下呼吸道取出的矽膠。圖4/參考資料1,Figure 6(CC BY 4.0)

鑑識證據

隔天,法醫仔細檢驗這具 140 公分高,28 公斤重的屍體,與死亡相關的發現,包括:取出的矽膠,跟氣管下半部、主支氣管和肺節支氣管完全吻合照片);肺水腫(pulmonary oedema);急性肺氣腫(acute emphysema);以及肋膜下的瘀點(petechiae)等。另外,假體製作師拿的混合槍,容量為 50 毫升;而從男孩體內取出的矽膠(圖 4),約有 43 毫升。至於出事時用的那支氣切管,充氣氣囊與測風球的功能都正常。[1]

法醫確定男孩死於矽膠阻塞下呼吸道,所造成的窒息[1]但是,應該不能超過充氣氣囊頂端的矽膠,究竟是怎麼搞得到處有?

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可能的肇因

2022 年於期刊上發表此個案報告的作者,推測矽膠有可能在這些情況下,流出預定範圍:[1]

  1. 充氣氣囊沒灌飽。[1]
  2. 充氣氣囊移位。[1]
  3. 灌注矽膠的壓力,擠壓氣管壁,而產生流竄的通道。[1]
  4. 灌注矽膠的壓力,大過充氣氣囊防堵的阻力。[1]
  5. 以上假設的各種組合。[1]

責任歸屬

調查完畢後,檢察單位認為:[1]

  1. 此氣管造口矯正術是必要的醫療行為,而且事前有簽署同意書。[1]
  2. 2016 年事件發生時,當地沒有氣管造口矯正術的官方準則。直到隔年,德國聯邦假體製作師協會(Deutscher Bundesverband der Epithetiker)增修指南,才涵蓋氣切造口等開放性傷口的印模。[1]換句話說,當時缺乏判定作法是否正確的標準。
  3. 該假體製作師受過所有相關訓練,具專業認證,而且過去 15 年,執行逾百次氣管造口矯正術。[1]
  4. 基於個體差異,無法估計矽膠的正確用量。[1]
  5. 醫療團隊有即時發現問題,並馬上以適切的方式急救。[1]

綜合以上,檢方以嫌疑不足結案。報導此事件的論文作者,則提出了幾項建議:首先,在氣管造口矯正術的過程中,最好同步使用氣管支氣管鏡,別等事後才檢查有無異狀。如此便能在問題發生的當下,迅速停止動作。再來,充氣的時候,若有氣囊壓力計(圖 5),灌飽與否就不會僅是憑感覺。最後,專業指南必須詳述操作步驟、所需的人員和技術,以及安全須知。[1]

1 號為氣囊壓力計。圖 5/Kriege M, Alflen C, Eisel J, et al. (2017) ‘Evaluation of the optimal cuff volume and cuff pressure of the revised laryngeal tube “LTS-D” in surgical patients’. BMC Anesthesiology, 17, 19.(CC BY 4.0)

  

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參考資料

  1. Wittschieber D, Schulz R, Schmidt PF. (2022) ‘A safe procedure? The unusual case of a fatal airway obstruction by silicone during the production process of a tracheostomal epithesis in a 13-year-old boy’. International Journal of Legal Medicine, 136, 373–380.
  2. Vomiting’. (JUN 2021) Healthdirect Australia.
  3. Ueha R, Magdayao RB, Koyama M, et al. (2023) ‘Aspiration prevention surgeries: a review’. Respiratory Research, 24, 43.
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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。