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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
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

———————————————————————————————————————–

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!

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

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。

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。

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

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).

相關標籤: 機械有機體
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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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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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