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旋轉、跳躍、紗線發電~~ 拉拉扯扯就能發電的神奇螺旋線!?

tinablahblah
・2017/10/06 ・1789字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 517 ・六年級
螺斯龍放在衣服裡、只要呼吸就可以發電的特性,未來可望應用在充電方面。圖/StockSnap @pixabay

想像一下,以後外出時不用再帶著行動電源,因為你身上穿的衣服就能幫你充電!如果你未來看到這件神奇的衣服,別懷疑,這不是魔術,衣服裡面也沒有隱藏開關,只是內含由奈米碳管纏結而成的特殊紗線,名為「螺旋龍」(暫譯,原文為twistron),本身就有辦法發電!

實驗中的螺旋龍從本來繃緊的狀態到完全鬆開,其中產生的能量足以使一顆LED燈亮起。圖/Shi Hyeong Ki@ Science (上圖) &  Science Magazine@ Youtube (下圖)

這個紗線由德克薩斯州大學達拉斯分校與南韓漢陽大學共同研發,研究發表在今年8月號的《Science》。實驗過程中使用的是直徑比頭髮還要小一萬倍以上的奈米碳管,他們把奈米碳管薄片放置到轉動的馬達上,就像紡紗般,使薄片變為線,接著再強力扭轉線,把線捲得跟家用電話線很像,也就是螺旋龍。接著,研究人員將螺旋龍放在電解液(實驗中用鹽酸)裡,就成了「螺旋集電器」(暫譯,原文為 twistron harvesters)。當原本緊繃的螺旋龍鬆開時,內部的壓力與摩擦力使奈米碳管釋放電荷,並通過電解液抵達電極,就可以成功發電了!

那麼它實際的效果如何呢?實驗中使用了19毫克的紗線,一次的拉扯可以使LED燈瞬間「登!」的亮一下。以每一公斤的紗線來說,放掉的那瞬間繩子旋轉的速度最高可達每秒三十圈(是指速度,不是真的轉三十圈喔xD),可產生250瓦特(也就是250焦耳/秒),而這一公斤紗線從放開、開始旋轉、放慢到完全停下來,平均產生40焦耳的能量。

研究人員已成功將螺旋集電器放入衣服。圖/Science Magazine@ Youtube

以目前來說,可行的應用是可攜式裝置與穿戴式裝置。研究人員已嘗試將螺旋集電器放入衣服裡了,他們將電解質放入凝膠中,另外以導電的奈米碳管作為電極,再加上螺旋龍,全部合在一起做成柔軟有彈性的材料,放入布料中。每當我們活動、甚至只是單純呼吸時,衣服就能隨之起伏而發電!除此之外,也可以應用到襪子、手套等等。(如果放在保險套就可以用愛發電了)(喂)

未來只要奈米碳管價格下降,可望將螺旋龍應用在海洋發電上。圖/Hans@ Pixabay

但研究人員可不只滿足於人體的起伏所發的電,那麼有沒有什麼能起伏更大、又有更多電解液的地方?來來來,讓我們靜心打坐冥想⋯⋯叮!沒錯,此時你應該已經聽到大自然——波浪——的呼喚了。海水本身就是天然的電解質溶液,且浪潮不停地翻滾,正好適合需要拉扯的螺旋集電器(以後可以當神奇海螺的好朋友,叫神奇海螺旋),因此,研究人員希望可以將此應用在海洋能發電,為我們開啟能源的新可能。

這次的研究所使用的技術,使我們對於如何將力學能轉為電能的了解又跨進一步。雖然奈米碳管的價格並不便宜,但是隨著未來價格下降,加上奈米碳管很輕的優點,研究人員相信螺旋集電器的應用範圍很廣。(不過價格到底什麼時候下降到夠低呢⋯我也不知道)(啊不就在講廢話(逃))

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tinablahblah
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喲荷~我是小小的實習編輯,對科學是最一竅不通的那種,所以,嗯,科普文章的存在真的太重要了!(點頭點頭)


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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》