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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)

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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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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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