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變形金剛不夠看,會變形的義大利麵才厲害!

Peggy Sha
・2017/07/28 ・1918字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

一說到義大利麵,每個人腦海中浮現的形狀大概都不太一樣,可能是直麵(spaghetti)、貝殼麵conchiglie,甚或是領結麵farfalle),或許有人會覺得「唉,義大利人就是任性!還不都是麵嘛!」那你就太小看它們了。

說到義大利麵,你會想到哪一種?圖/By serginhopacheco@Pixabay

不同形狀的麵條有著不一樣的表面積,會進而影響醬汁的附著,也造就不同的風味。但是,無論是什麼形狀的麵條,通常是在你購買之前就成形了,那如果,科學家有辦法讓麵條在你面前來場「變形秀」呢?那肯定是視覺和味覺的雙重饗宴吧!

用簡單物理來做變形義大利麵吧!

小時候媽媽有沒有告訴過你「不要玩食物」?恩,麻省理工學院(MIT)的可觸媒體小組(Tangible Media Group)完全沒在管母親大人的耳提面命,他們致力於讓用餐時間變得有趣又充滿互動,而他們瘋狂「玩」出的食物表面看上去「平」凡無奇──就只是扁扁的寬麵條──但這些義大利麵放入水中卻可以瞬間變型。

不要玩食物!圖/網友製圖

這到底是什麼巫術?

老實說,神奇義大利麵的出現還真的像魔術一樣,其實純屬意外。科學家們本來是在測試各種材料遇到濕氣所產生的變化,而在實驗中,團隊一度研究了明膠(gelatin),一種吸收水分時會膨脹的可食用物質。他們嘗試製作扁平的雙層薄膜,分別由不同密度的明膠製成,而由於密度會影響物質在接觸水時的膨脹度,只要增加其中一層的密度、讓它吸收更多的水,整個結構就會往密度較低的一邊蜷曲。

科學家利用兩層的密度差異讓義大利麵蜷曲。圖/實驗圖片

這個發現讓研究團隊就此開啟了神奇的食物之旅。

為了精準地掌握明膠的形狀,科學家們利用 3D 列印技術在明膠上印上一條條纖維素(cellulose),而這些纖維素非常不吸水,就像是閘門一樣,可以準確控制明膠吸水的比例和吸收的位置。利用這種方法,科學團隊得以精準控制麵條彎曲的程度和它們的幾何結構。

最上層是纖維質、第二層是密度較高的明膠、最底層的明膠較疏。圖/實驗圖片

科學家創造出各種不同形狀的義大利麵,除了最經典的款式,他們也新創了一些結構,有的如同花朵形狀、有的則是馬鞍型。在這一系列的嘗試之後,研究團隊還進一步跟波士頓的高檔餐廳合作,推出了兩種與眾不同的變形餐點。

做出來的義大利麵會長得很嫩Q。圖/實驗團隊 @3ders

好玩的同時,變形之後更環保!

看到這裡,你可能會想:

這樣吃飯也太「搞工」了吧!為什麼連晚餐都要吃得那麼「假掰」?

請別要對這些特別的義大利麵這麼苛刻呀!除了提升食欲之外,它們更肩負著一項重要的使命,那就是──「環保」!研究人員表示:經過簡單計算,目前市售的義大利麵、通心粉即便經過完美的包裝,仍有高達 67% 是在「裝空氣」,如此一來形成了許多不必要的浪費。而將義大利麵「壓扁」不但可以減少存放空間,也能進一步降低運輸上的成本。

這項特別的食物實驗改變了食物的外表、烹煮乃至於包裝方式,為人們的飲食提供了一種有趣的可能性,未來我們餐桌上的食物可能不只好吃還更好玩,是不是光想到就讓人食指大動呢?

  • 快來看看義大利麵究竟如何變形吧:

參考資料:

  • “MIT researchers 3D print shape-shifting noodles in bizarre culinary research project” 3ders [2017.05.26]
  • 料理科學》采實文化出版

原始論文:

文章難易度
Peggy Sha
66 篇文章 ・ 387 位粉絲
曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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乳房重建新科技: 3D列印 + 自體移植
胡中行_96
・2022/08/11 ・2305字 ・閱讀時間約 4 分鐘

許多乳癌患者會在切除乳房後,選擇接受重建手術。常見的做法,包括:塞鹽水或矽膠囊袋的「人工乳房植入」、類似剪貼概念的「游離皮瓣重建」,以及猶如把奶油灌進泡芙的「自體脂肪移植」,都是採用填補替代物的手段,而非讓身體的組織重新生長出來。這些方法有時會出現囊袋收縮、組織捐贈部位併發症,或是不均勻的脂肪再吸收等問題,而且不是每個病患都適合。[1] 為此科學家正在利用 3D 列印可生物降解的人工結構,加上病患的自體組織,企圖開發造型美觀,且觸感自然的重建乳房。

植入可生物降解的(藍色)模架,允許結締組織和(紅色)血管生長,再注入病患的(黃色)自體脂肪。圖/參考資料 6 ,Figure 1(CC BY)

3D 列印乳房重建的步驟

目前不少研究團隊嘗試重建乳房的方向雷同,大致上得經過下列幾個步驟:首先,搶在乳癌病患尚未動手術之前,先做 3D 掃描,記錄先天乳房的樣貌。澳洲 Translational Research Institute (簡稱 TRI )的團隊特別聲明,他們使用的技術沒有放射線,不會增加療程風險。接著,根據掃描的結果,在電腦裡客製化想要重建的乳房尺寸與形狀。然後將設計圖傳輸到 3D 印表機,準備列印。[1]

葡萄牙科學家用水凝膠列印層疊的網格結構。圖/Barros da Silva P, Coelho M, Bidarra SJ, et al. (2020) ‘Reshaping in vitro Models of Breast Tissue: Integration of Stromal and Parenchymal Compartments in 3D Printed Hydrogels’. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8, 494.(CC BY)
2017 年澳洲Translational Research Institute展示 3D 列印聚己內酯乳房模架。來源:Translational Research Institute on YouTube

塑造乳房形狀的彈性結構,講求可生物降解,例如:法國 Healshape 公司採用水凝膠;以色列 CollPlant 公司從菸葉中萃取膠原蛋白;[2] 而澳洲 Metro North Health 和昆士蘭科技大學,則都偏好製做可吸收縫線的聚己內酯。[3-5] 無論是什麼材質,目的都是建構讓組織順著長成後,能被身體吸收的模架(scaffolds)。法國 Lattice Medical 公司把造型設計得像個網面空心罩杯,方便盛裝填充物;[2]澳洲的 TRI 和 Metro North Health 以及法國的 Healshape 等團隊,則把它印成網格層疊的實心半球,有助身體組織攀附。[1-3] 模架做好之後,就可以開刀將它放進胸部,再放置或注入填充物,例如:帶血管的脂肪組織或自體脂肪幹細胞等。[1, 2] 相較於傳統的自體脂肪移植,模架能夠防止脂肪再吸收,免得好不容易做好的新乳房又消下去。[3]

乳房重建解說動畫:從3D列印模架植入,到自體脂肪填充的過程。來源:ABC News on YouTube

2016 年《科學報告》期刊上,有個動物實驗的照片和圖說,把上述的程序介紹得一目瞭然。當時研究團隊抓了兩隻母的迷你豬,來頂替女性人類。想看看在牠們身上,建立人工乳房的效果。[6]

  

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a. 從乳房模架的局部放大圖,可見網狀結構盤根錯節,但中間留有孔洞。[6]

b. 從迷你豬的腹部抽脂。[6]

(c. 和 d. 展示該結構有無灌入填充物的差別,[6] 但在實際手術中,應該是發生於病患體內,不可能看得到。)

e. 正在將迷你豬的自體脂肪,灌進早已植入牠體內的模架。[6]

f. 研究團隊自認傷口縫合後,照片中的成品像個相當自然的乳房。[6]

圖/參考資料6,Figure 2(CC BY)

手術完成 24 週後,研究團隊又把該模架拔出來觀察。[6] 由於畫面更加血腥,這裡便不再分享了。當然若是在人體裡的可生物降解模架,植入後是不用取出來檢查的。依照使用的技術不同,快則 6 到 9 個月,慢則 1.5 至 2 年,理論上模架結構便會完全消失,體內徒存新長出來的組織。[2, 3]

法國 Healshape 公司用緊湊激昂的配樂,襯托 3D 列印乳房重建技術的介紹影片。來源:Healshape on YouTube

3D 列印乳房重建的發展進度

2016 年的時候,就已經有科學家嘗試植入模架,引導乳房組織重生。不過,當時的材質無法生物降解,而且成功率僅五分之一。現在這種可以被身體吸收的模架,算是重大進展,雖然還不清楚患者實際的感受如何。[2] 從媒體報導和政府發佈的新聞稿來看,不少相關研究計劃都在 2022 年 7 月,剛進入人體試驗階段。[2-4] 澳洲 Metro North Health 的團隊,號稱全球第一個完成此手術,但目前也只有 1 名受試者。假使一切順利,他們期望未來能招募 15 至 20 名女性,參與正式的第一期臨床試驗。[3]

  

參考資料

  1. Advancing Breast Tissue Engineering into Clinical Practice Utilising 3-Dimensional Scanning And Bioprinting Techniques (Translational Research Institute, accessed on 04 AUG 2022)
  2. Goodbye silicone? A new era of breast reconstruction is on the horizon (The Guardian, 03 JUL 2022)
  3. World-first breast implant trial in Australia aims to provide safer alternative to silicone (ABC News, 04 AUG 2022)
  4. Metro North Health delivers world-first breast scaffold surgery (Queensland Government, 04 AUG 2022)
  5. Cometta S, Bock N, Suresh S, et al. (2021) ‘Antibacterial Albumin-Tannic Acid Coatings for Scaffold-Guided Breast Reconstruction’. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 638577.
  6. Chhaya, M., Balmayor, E., Hutmacher, D. et al. (2016) ‘Transformation of Breast Reconstruction via Additive Biomanufacturing’. Scientific Reports, 6, 28030.
胡中行_96
47 篇文章 ・ 16 位粉絲
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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物理學家如何煮義大利麵?
胡中行_96
・2022/06/16 ・2509字 ・閱讀時間約 5 分鐘

疫情期間學烹飪,再拍照上傳社群網站,是凡夫俗子的成果發表;將煮義大利麵的心得筆記,發表在《流體物理學》(Physics of Fluids)期刊上,[1]則是科學家的華麗炫技。

煮麵的動機

美國伊利諾大學Sameh Tawfick副教授的實驗室,專攻靈活可變形的纖維和有彈性的結構,所產生的「流體結構交互作用」(fluid structure interaction)。「過去幾年老是開玩笑,說義大利麵的黏著力與我們的研究息息相關」,他說團隊發覺分析麵條力學質地的轉變,「可以體現黏著力、力學質地和烹煮熟度的關聯。」[2]

以上研究動機有聽沒懂,無所謂。煮麵要緊。

煮麵的方法

當 COVID-19 疫情襲來,學生與博士後研究人員,開始在家中和實驗室裡煮義大利麵。[2]

他們在實驗室裡,用的不是鍋子和瓦斯爐等通俗的烹飪設備,而是燒杯加熱板[3]加熱板是一種有發熱平面的機器,比開放式的火源安全。[4]

依照一般食譜的建議,煮義大利麵的步驟,是先把麵條扔進大滾的鹽水中,等熟了再撈出來瀝乾。[5]不過,實驗的這個部份沒加鹽,大概是想把變數降到最低,後面再討論食鹽的作用。以滾水煮熟的麵條,在脫離水的時候,殘留的水份會在麵條之間形成「彎液面」,以「表面張力」把一根根的麵條黏在一起。[2, 3]

左圖/參考資料3

整個過程就像圖中所示,左側為二條(橙色)義大利麵條,被置在(粉色)加熱板上的燒杯內烹煮;中央是麵條離水;右邊則為局部放大圖,呈現義大利麵條之間的彎液面。

表面張力之所以會產生,是因為水分子與水分子之間,每個方向的引力本來都一樣,可以相互抵銷,然而到了水面就失衡了,因此有儲存能量的張力。 [6, 7]

右圖/參考資料3

表面張力:藍色的圓點代表水分子,橙色的箭頭則是引力。圖/參考資料7

傳統義大利麵講求的口感,叫做「al dente」,意思是「煮到內硬外軟」,恰到好處。從物理的角度來看,水份由麵條表面,逐漸擴散進入內部,所以首先軟化的當然是最外層。吸水的過程中,麵條體積會隨之膨脹。煮愈久,效果愈明顯。下圖是研究團隊在觀察義大利麵「吸濕膨脹」(hygroscopic swelling)時,進行的量化紀錄。[3]

圖片上方中間的麵條剖面,從圓心向外,由深至淺,有輕微的色彩變化。然而,水份達到飽和後的右上剖面,便不再有任何的顏色漸層,大概就是所謂煮過頭的狀態。[3]

至於縱向的吸濕膨脹,則展示在下方。以最左邊的生麵條為比例尺,對照用 100 度 C 的滾水,分別烹煮 12、18、24、30 分鐘後的膨脹變化。整體而言,麵條剖面周長增加的比例,大於長度的成長比例。這是基於內部沒有與水接觸的核心,限制了麵條縱向的延展。[3]

左圖/參考資料3

所以,到底要怎麼做,才能擁有al dente的口感?

研究團隊發現義大利麵條達到 al dente 前,其周長與長度分別的膨脹率相比,所得的比率是3.5比1。一旦超過了,就會軟爛。[2]此外,由於麵條煮愈久,離水時彼此相黏的部份就愈長。研究團隊認為,專業廚師也可以測量相黏長度,來推論起鍋時間,以後再將成熟的技術,推廣至普通民家…[3](原文口氣意外地認真。)總之,要知道煮好沒,不是用嘴試吃,也別拿錶計時,科學家的建議竟是用尺測量!

煮麵的鹽和光

明明義大利麵條的包裝上,都有建議的烹煮時間。為什麼科學家不直接告訴大家,煮多久能起鍋?原來如果照正常的煮法,在水中加食鹽,麵條的化學和力學特性都會起變化。比起用蒸餾水,鹽水不僅有助麵條膨脹,而且會增添嚼勁。[3]此外,Sameh Tawfick 副教授解釋,滾水中的鹽量,會改變達到 al dente 所需的時間。有鑑於此,他未來要探討食鹽,在義大利麵膨脹時所扮演的角色。[2]同時,這個研究正如一道照亮前程的光,或許會引領其他人,也來嘗試用簡單的方式,研究軟物質的特性。

參考資料:

  1. Hwang J., Ha J., Siu R., Kim Y. S., and Tawfick S. (2022) ‘Swelling, Softening, and Elastocapillary Adhesion of Cooked Pasta’, Physics of Fluids, 34 (042105)
  2. Physics Models Better Define What Makes Pasta Al Dente (Physics of Fluids, 2022)
  3. Hwang J., Ha J., Siu R., Kim Y. S., and Tawfick S. (2022) ‘Swelling, Softening and Elastocapillary Adhesion of Cooked Pasta’, arXiv
  4. Hot Plate Use and Safety in Laboratory (University of Wisconsin-Madison, 2013)
  5. Spaghetti and Meatballs (Gourmet Traveller, 2018)
  6. 第11章  有趣的界面現象(國立成功大學化學工程學系)
  7. Chemical Science Lesson Plan: Hydrogen Bonding and Surface Tension (University of Illinois, 2010)
  8. Enjoy better-cooked pasta with…physics and a ruler? (University of Illinois, 2022)

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胡中行_96
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神啊!請給我一台「聽得見」的 3D 列印機!——找回聽力的 3D 列印應用
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/02/16 ・2370字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/蔡宜欣|雅文基金會聽語科學研究中心

從「我的眼鏡是依照我的臉型 3D 列印的」的流行話題到「3D 列印房子熱潮席捲全球,讓大家都買得起房」的居住議題,不難發現 3D 列印(3D Printing)技術不再只侷限於玩具模型,而是能應用在任何可以想像得到的地方。現在甚至還能重新建構聽力組織器官,幫助聽力受損者重拾聽力。

3D 列印不需開模就可印出設計圖。圖/Pexels

從二維走向三維的印刷技術

在 3D 列印出現以前,工業生產往往需要開發模具才能進行製造,這對於時常推陳出新的產業而言,耗費了許多時間與生產成本。1980 年代,以快速原型(Rapid Prototyping)為概念的機器被發明, 而 3D 列印便是其中一種技術,能快速製造產品。

3D 列印技術又稱為積層製造(Additive Manufacturing),生產過程先於電腦中描繪和設計物品的 3D 樣貌,再劃分成無數個 2D 平面,最後印製每層 2D 平面,慢慢堆疊累積後完成物品。常見的 3D 列印方法大致有三種:表面常有一層層堆疊紋理的熱融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、成品表面呈現霧化、細緻磨砂質感,較少堆積紋理的選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS),以及光固化成型(Stereo Lithography Apparatus, SLA),其成品表面光滑、精細,但製作成本相對較高 [1-4]。3D 列印集結了節省人力、製作時間、客製化等優點於一身,因此也被運用於需要依據聽損者耳型個別化打造的助聽器上。

量身訂製耳模,跟悶塞感說掰掰

常見的助聽器可以分為耳掛型助聽器、耳內型、耳道型助聽器等。耳掛型助聽器的組成首先需要一塊貼合耳道的耳模(earmold),幫助助聽器固定在耳朵上,聲音處理裝置會將接收到的聲音進行處理,並通過一根小管,將聲音傳送到聽損者的耳中;耳內型的助聽器則是直接將聲音處理裝置放在一個貼合耳道的機殼中。不論是耳模或機殼,若與耳道不夠貼合,就容易出現尖銳刺耳的回饋音,也容易鬆脫掉落 [5-8]

由於每個人的耳型不同,上述提到幾種常見助聽器的耳模和機殼,皆需依每位聽損者量身訂做。

一般傳統的熔模鑄造(Investment casting)方法,是將黏性大的材料(如 AB 黏土)擠入耳中,等待固化後取出,也就是耳樣(下圖左);再透過翻模技術製作耳樣熔模,並於完成後,將矽膠或壓克力等液態材料倒入用耳樣熔模,等待固化後才能完成耳模(下圖右)。而機殼則是在內部固化前會將材料倒出,僅留下外殼,最後再將電子組件放入其中[8]

近幾年出現 3D 列印耳模的方法,只要透過雷射掃描耳朵或耳樣的方式,取得耳型的數據資料,並透過電腦確認細節或電子組件擺放的位置,即可印製。由於助聽器需要長時間配戴,因此 3D 列印方式是採取表面相對光滑、配戴舒適感較高的 SLA 或 SLS。

相較於熔模鑄造,3D 列印取代傳統翻模製程,減少造成的誤差;此外,3D 列印方式不僅耗費較少的人力成本和製作時間,甚至可以依據自己喜歡的顏色、圖案進行外觀客製化。預先從電腦中確認成品的樣貌後再製作,也能使成品更為精準,減少手工製作的誤差。再者,數據化的資料還可以存放在電腦中,便於日後再製[8-15]

重建聽小骨,讓聲音傳遞不斷線

此外,有一種類型的聽損者是由於外耳或中耳構造受傷、缺陷,造成聲音受阻,無法正常傳遞至耳中,這類型聽損者有一部分無法透過助聽器改善聽力,甚至需要進行耳部手術。

在南非,有專家針對這樣的聽損者,研發以生物相容性材料製作的中耳聽小骨,透過 3D 列印,順利移植到患者身上,幫助他們重拾聽力。3D 列印技術不僅能確保聽小骨尺寸吻合患者耳形,增加重建手術的成功率,也減少了傳統手術花費的時間與風險[16-18]

從客製化製作助聽器耳模、機殼到聽小骨義肢,3D 列印幫助聽損者們更快速找回聽力。或許 3D 列印技術不會完全取代現有的生產和製造方法,但無疑為我們創造了新的可能與選擇。期望未來能發展更多新的醫療技術,讓所有聽損者都能聽見世界的聲音!

參考文獻

  1. 【3D列印知識】新手入門:五種常見3D列印技術比較及原理​
  2. 3D Printing Technology Comparison: FDM vs. SLA vs. SLS
  3. 3D Printed Glasses: Trends in the eyewear industry in 2021
  4. Formlabs
  5. Hearing aid types and styles
  6. 助聽器是尊貴的象徵?從聲學椅到聲學拐杖,為了聽清楚的怪招式還真多
  7. 注意!原來「耳模」這麼重要
  8. Harvey Dillon(2019). 助听器:第二版(胡向阳)。北京:华夏出版社(原著於2012出版)
  9. Chung, K. (2004). Challenges and recent developments in hearing aids: Part II. Feedback and occlusion effect reduction strategies, laser shell manufacturing processes, and other signal processing technologies. Trends in Amplification8(4), 125-164.
  10. 3D列印技術在醫療輔具的應用與挑戰
  11. How 3D Printed Hearing Aids Silently Took Over The World
  12. How Personalization Has Changed the Hearing Aid Industry for the Better
  13. 3D printing technology for improved hearing
  14. Morear
  15. 助聽器展現酷炫動漫風 3D列印多彩耳模讓聽損兒自由配
  16. 3D Medical Printing Can Help Correct Hearing Loss
  17. A Life Changing Procedure for Those with Conductive Hearing Loss
  18. University of Pretoria prof performs first 3D printed ear bone transplant
雅文兒童聽語文教基金會_96
38 篇文章 ・ 198 位粉絲
雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。