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機械有機體讓生物發電機成真

milkdoggy
・2012/03/15 ・2108字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 545 ・八年級
相關標籤: 機械有機體 (1)

Cyborg in Ghost in the Shell

我們經常可以在科幻作品當中見到結合了機械與生物的機械有機體 (Cybernetic organism, Cyborg),這些生物靠著內置機械的身體,達到了常人所無法辦到的事,如絕倫的武力或腦力,像是攻殼機動隊中能單手擊破戰車裝甲的草薙素子,或是Capcom遊戲生化突擊隊 (Bionic Commando) 中,靠著Bionic Arm飛簷走壁的Spencer。

但撇開幻想世界不說,在我們世界中的cyborgs,究竟有著怎樣的發展呢? Nature News 有一篇文章整理了近年來幾位科學家對於cyborgs實做的成果,但這些cyborgs可不是飛天遁地用來打擊壞蛋的生化人,而是為了民生用途而製造出來,就是電池。以下文章翻譯自Nature News之文章: Cyborg snails power up

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在葉夫金尼.卡茲教授 (Dr. Evgeny Katz ) 的實驗室中,有十幾隻褐花園蝸牛在塞滿苔料的塑膠缸中爬行,這樣的景象看起來再正常不過了,但在牠們的身體中卻隱藏著不為人知的超能力:牠們能發電!

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Snails have joined the growing ranks of animals whose own metabolism can be used to generate electricity.

卡茲教授和他克拉克森大學 (Clarkson University) 的團隊,在每隻蝸牛的身體裡面都植入了小型的生質能源電池,這些電池能從蝸牛體液中的葡萄糖和氧萃取出電能,過去半年以來,這些小東西從大嚼特嚼紅蘿蔔的過程中透過外接電路持續提供電力。卡茲教授說”這些小動物是不二的人選,牠們的行為單純,成天只要吃吃喝喝還有爬來爬去就好,然後我們負責讓牠們吃得高興及別讓牠們死翹翹”

自產電力的機械有機體 (Self-powered cyborgs)

卡茲教授所創造的蝸牛只是目前眾多被賦予「發電性」的生物之一1,一月在美國化學學會學刊 (Journal of the American Chemical Society) 所刊登來自於凱西西儲大學 (Case Western Reserve University) 丹尼爾史克森教授 (Dr. Daniel Scherson) 的研究,就是有關於在活的蟑螂身上植入微型生能電池2;另一組人馬則是由山謬辛格博士 (Dr. Sameer Singhal) 所領軍由CFDRC (CFD Research Corporation) 的生醫能源技術部門與加州大學柏克萊分校合作的團隊,這個團隊則是以甲蟲作為對象植入生能電池;這些昆蟲能夠在同時承受外接電極並產生電能的狀態下存活超過兩個禮拜。

這些科學家投入心力就為了能成功創造出昆蟲 (或蝸牛) 機械有機體;這種機械生體的概念吸引了美國國防部投入資金來資助他們的研究;過去十年以來,科學家們創造出了各種搭配有微型電路及無線電天線的昆蟲和爬行動物,作為環境偵測的資訊收集者或用作軍事用途3

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但對於長時間的任務而言,電池先天上的體積及續電性問題使其應用窒礙重重-這也是引起了卡茲教授將腦筋動到了蝸牛本身代謝產生的能量; 生能電池能提供持續數個月微弱但穩定的電力。來自猶他州大學的雪莉麥提爾教授 (Dr. Shelley Minteer) 說「卡茲教授的研究之所以讓人印象深刻,在於他的方法提供了一個長時間穩定的供電潛力」。

小小生物 小小功率

來自新墨西哥大學新興能源技術中心 (Center for Emerging Energy Technologies) 的普拉門博士 (Dr. Plamen Atanassov) 指出,雖然大型的生能電池可以驅動手機或其他類似的裝置,但不得不讓人懷疑才幾釐米大小的電池,是否能驅動一些複雜的動作-例如遠端遙控飛行。生能電池能提供多少電能,取決於電極的大小,以及它們從生物血液中萃取糖與氧的速率 (在蝸牛裡面就不是血液了,而是功能性類似的血淋巴液)。

以卡茲教授的蝸牛為例,一開始雖然能提供超過7.45微瓦的電力,但經過45分鐘後,功率下降了80%左右。為了能夠持續的汲取電力,卡茲教授不得不將電力的汲取向下減弱到0.16微瓦。

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史克森博士則表示他有機會從他的蟑螂發電機上汲取到超過一百微瓦的電力 (他使用海藻糖餵養蟑螂,海藻糖是一種由葡萄糖構成的特殊糖類)。辛格博士也從他的甲蟲實驗中提出了類似的成果。史克森指出電力其實不需要無時無刻的被汲取出來,而是可以儲存於電容器中並以脈衝的形式釋放;他表示現在可以透過這種方式從他的蟑螂身上產生和探測到無線電訊號。

人類也能植入電池嗎?

來自法國約瑟夫傅立葉大學 (Joseph Fourier University) 的菲利浦辛奎茵博士 (Dr. Philippe Cinquin) 對生能電池的利用則有不同的方向-他將其植入老鼠體內。他們在2010年所做的研究4揭示了未來人類在使用生能電池上的可能性,例如以我們血液為電力驅動來源的心律調節器。

辛奎茵博士指出,若想要發展出人體內的生能電池構造,其作為一個植入體必須不能被免疫系統排斥;他的團隊現在已經成立一家專門發展人工尿道括約肌的公司,這種人造裝置需要300~500微瓦的電力,電力來源可能就是來自體內的葡萄糖燃料。當然,現今的電池有很多這類的應用方式,但是小型的生能電池卻能為這種醫療裝置提供更方便、更永續的供電方式。

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來自德州大學奧斯汀分校 (University of Texas at Austin) 的亞當海勒博士 (Dr. Adam Heller) 從2003年起就埋首研究如何從葡萄中製造電力5,他指出生能電池對於低功率低耗能的應用將非常適合,例如刺激單條神經元。

在此同時,卡茲教授表示接下來將要嘗試比蝸牛還要大的生物,因為大型生物的代謝量能提供更多的電力。他的下一步:生化龍蝦!

 

新聞來源:

Cyborg snails power up

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相關文獻:

  1. Halámková, L., Halámek, J., Bocharova, V., Szczupak, A., Alfonta, L., & Katz, E. J. Am. Chem. Soc.http://dx.doi.org/10.1021/ja211714w (2012).
  2. Rasmussen, M., Ritzmann, R. E., Lee, F., Pollack, A.J. & Scherson, D. J. Am. Chem. Soc. 134,1458–1460 (2012)
  3. Sato, H., Cohen, D. & Maharbiz, M. M. in CMOS Biomicrosystems: Where Electrons Meet Biology (ed. K. Iniewski) http://dx.doi.org/10.1002/9781118016497.ch12 (John Wiley and Sons, 2011).
  4. Cinquin, P. et al. PLoS One 5, e10476 (2010).
  5. Mano, N., Mao, F. & Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 125, 6588–6594 (2003).
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milkdoggy
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以科學、哲學與電玩為精神食糧,曾任學術期刊《Taiwania》、科普雜誌《BBC知識》編輯,現任天下文化科學叢書編輯。

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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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