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顯微鏡轉接拍照就靠這個啦!讓〈Reductive 疾速轉接器〉協助捕捉鏡頭下的世界

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/10/04 ・3539字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 482 ・五年級
  • 文/洪郁真

以顯微鏡開啟一花一天堂的繽紛世界,是許多人求學時代難以忘懷的記憶。在教學現場之外,顯微鏡也是許多醫生或科學研究者必備的工具,但這項工具有個令人心癢難搔的侷限:如果沒有安裝專業而昂貴的的攝影裝備,要在顯微鏡上完成拍照跟錄影的工作,在隨身手機已經可比小相機畫素的年代,居然比把大象放到冰箱裡還要困難啊!

使用顯微鏡進行觀察,想來是許多人難以忘懷的經驗。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

舉例來說,在醫院的工作現場,對顯微鏡使用比較多的科別來說,若能簡單的取得紀錄病症的影像對醫生後續的追蹤確認,輔助值班醫師快速了解病患目前的狀況,或是製作醫院內部的會議報告都有很大的幫助。那該如何簡化這本來複雜且麻煩的流程呢?用顯微鏡照相能不能像「打開冰箱、放進大象、把冰箱門關起來」一樣的直接,就只要「把手機放到顯微鏡上、喀喳、拍照囉」呢?

「Reductive 疾速轉接器」的研發正是為了要讓這樣場景變成可能!

要找到合適的轉接器比找到真命天子還難

突然報出了名號好像很威,但不就是個轉接器嗎?跟夜市買的一支九十九元的手機架喬一喬有什麼不一樣?這事情有那麼難搞嗎?Reductive 創辦人,眼科 Y醫師向泛科學團隊解釋,以眼科為例,可以轉接照相工具的專業裂隙燈顯微鏡所費不貲,顯微鏡可能就要 60 至 80萬以上,如果還要照相功能可能往上加 20 萬甚至更多。所以一家有二十多個診間的醫院,也許只有一台機器可以照相,醫生如需要影像紀錄,必須另外安排病患與攝影技術人員碰面。

如能在診間安裝的轉接器,就可以由醫師直接拍攝記錄病患狀況,不需另行安排影像紀錄。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

由於影像記錄需要額外花費來回溝通的時間與心力,降低醫生的使用意願,這讓 Y醫生感覺十分可惜,希望能找出更好的方法改善照相紀錄的簡便性;畢竟有時「一張照片勝過千言萬語」啊。於是他開始搜尋文獻及網路教學,嘗試製作簡易的手機版顯微鏡轉接器(adapter),也從國內外訂購現成的高階目鏡轉接器;卻在拆拆裝裝與微調焦屏中,發現了兩個難題:

第一、光學系統中,光軸(Optical axis)是一條定義光學系統如何傳導光線的假想線。如果光線和光軸重合,光將會沿著光軸傳遞。為了準確對接光軸,要找到兩者間正確的水平位置和傾角。此外,兩個光學系統間的距離也很重要。有目鏡的光學儀器有「適眼距」的設計:當你的眼睛(或手機)靠近目鏡到某段距離時,可以看清楚另一端的影像。一旦兩者距離太遠或太近,就會導致出瞳 (exit pupil) 或入瞳 (entrance pupil),後方接收的畫面會出現明顯漸暈,無法完整看到顯微鏡的全部視野,但目前市面上的轉接器幾乎都無法真正解決這個問題。

第二、市售轉接器常見的使用情境為,使用者先以肉眼調整好顯微鏡的焦距,一個一個步驟把轉接器與手機裝在目鏡上、微調後再拍照。如果轉接器設計不良、穩定度不足,點觸控螢幕的瞬間或意外碰到桌面都可能導致畫面搖晃,根本是訓練使用者屏氣凝神老僧入定的神器。等好不容易照完了,要恢復用肉眼觀察時,只能將轉接器拆下,等下次要拍照時重複安裝與微調的步驟。

但對於需要連續觀察並且記錄的醫生、學生、研究者,或觀察快速移動物體,需要用敏捷的肉眼追蹤的人而言,無法快速切換肉眼與數位攝影模式的攝像系統,相當克難與不便。現有較完美的傳統解決方案就是將顯微分出第二或第三個光路接感光元件(CCD or CMOS),或用此多出來的光路轉接至相機或攝影機,價格十分昂貴,而且這種作法也無法利用不含分接光路的光學儀器。

在實驗室內的觀察,用轉接器就可以獲得昂貴攝像系統才能達到的基礎紀錄功能。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

煩惱許久的 Y醫生,興起了「讓大家能用現成或手邊設備達到目的,降低成本又不失精確度」的念頭,希望透過功能越來越強的個人數位攝影裝置「智慧型手機」與更好的轉接器,幫忙那些苦於沒有足夠資金採買專業顯微鏡攝像設備的醫師及研究人員,最後造就了「Reductive 疾速轉接器」的誕生。

肉眼切換手機,快速又精準的關鍵是?

在工作空檔之餘,Y醫生著手分析各家產品的優缺,再融合自身使用經驗嘗試產品開發,這才發現想達到前面所說,讓光學系統相接後可以準確微調水平、傾角與距離真的沒有想像中簡單。

他為此持續學習 3D繪圖軟體與添購 3D列印設備,自己打模。為了讓產品更好,他請教了工業設計師與結構工程師,讓「Reductive 疾速轉接器」在調整角度與穩定度等結構層面、視覺與觸感的外型層面,以及工廠開模製作的量產層面都進一步完善。

過去轉接器的設計頂多考慮 X軸與 Y軸,卻沒辦法調整相機鏡頭與顯微鏡目鏡的傾斜吻合度調整,Y醫生苦笑:「即使是同一套顯微鏡與轉接器,想讓每個人每次安裝完都拍出同樣清晰的照片簡直就是在碰運氣,不可能全辦公室最會對焦的人隨時都在吧?」

他現場向泛科學團隊示範如何將 Reductive 疾速轉接器安裝於顯微鏡目鏡,再將手機「夾」至載台上,然後透過幾個精巧的設計,微調最關鍵的「Z軸」與手機的傾角,以及肉眼對焦完成後,將手機載台沿著滑軌向上一推,就定位後屏幕隨即跳出顯微鏡底下的畫面,且清晰明亮如肉眼直接觀察(小提醒,相機軟體需開啟M模式,不然你可愛的手機就會發揮「智慧」,使勁朝著目鏡裡頭對焦啊!),如果要切換下一個畫面,只要將手機推回原位即可。

幾秒鐘可切換一次的 Reductive 疾速轉接器,在實驗室中要做觀察與記錄轉換均十分方便。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

除了要求穩定與符合人體工學外,Y醫生也考慮到各大品牌手機鏡頭位置有所不同或是側面按鍵可能卡到固定夾,設計出能讓使用者自己調整的彈性。

雖然專業攝影儀器對研究論文中需要的精密影像仍有不可取代性,但單純就醫院看診或研究工作,想在短時間取得大量又實用的影像,「Reductive 疾速轉接器」的便捷度與精確度都足夠了。不論是透過圖像加強與病人溝通,與其他專科醫生商討病例的診治,透過手機就能達成同樣的效果(當然要以維護病患的隱私為基礎),在教學示範與會議報告上都相當實用,有機會提升醫療品質與效率。

以 3D 列印製造出第一代「Reductive 疾速轉接器」原型後,Y醫師邀請醫療領域的朋友或同事試用,並從旁觀察大家安裝調整、上下推動軌道,切換肉眼與手機模式的速度。經過初步統計,從使用者開始在顯微鏡上安裝調整器與手機,到多次重複切換肉眼對焦與手機拍照的整套行為,近乎幾秒鐘可切換一次的Reductive 疾速轉接器,與傳統需要拆裝的轉接器相比,使用速度縮短了 20%~50%。

許多醫生使用後,對便捷性與精確性的回饋都很好,例如對眼科醫生而言,將Reductive 疾速轉接器裝在醫療診間的眼底鏡,就能在沒有系統輔助下,提供外眼攝影,以現代手機攝像鏡頭的水準,試用後可以清楚拍下眼周外部、角膜與水晶體等部位。

Reductive 疾速轉接器竟能成為追「鳥」神器?

但要說最讓 Y醫生驚訝的使用者回饋,大概是有賞鳥愛好的朋友一聽完他設計的轉接器,立即詢問:「賞鳥活動可能也需要,這可以裝在單筒望遠鏡上嗎?」

原來全台各地有許許多多的賞鳥人士或自然生態志工,會舉辦體驗活動,邀請大大小小的朋友體驗。這時主辦單位會準備好幾支單筒望遠鏡讓大家輪流欣賞,但在實務教學中,有時會發生人太多,望遠鏡太少,鳥又是活的,老師找到鳥兒的身影大家開始排隊輪著看,鳥等不及被太多人欣賞(?)就跑到別處去。此外,也遇過有些小朋友第一次接觸單筒望遠鏡,不知道該怎麼「看」。

除了顯微鏡,另外令人驚喜的是使用於賞鳥望遠鏡。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

不過在使用Reductive 疾速轉接器後,賞鳥活動的主辦人或解說志工一旦找到了目標物,可立即透過手機屏幕,讓圍觀的群眾邊聽解說邊享受賞鳥的樂趣。如果幸運遇上長得很像但又不同種的鳥同框,主辦人還能在一旁拿出圖鑑,讓大家同時與螢幕上的鳥做比對。不但切換迅速,臨時遇上好畫面只要能輕點手機屏幕,就能立即留下豐富的生態影像資料。(當然,清晰度還是看你手機原本的相機夠不夠力)

不論你是在使用顯微鏡拍照上苦惱不已的醫生和菸酒生,或者會用望遠鏡賞鳥的自然系夥伴們,「Reductive 疾速轉接器」都是最萬用的選擇。產品正在 indiegogo 進行募資,構想設計製作以及最後寄送均 MIT 來自台灣!有興趣的朋友直接可以到募資頁面支持,或到 Reductive 臉書粉絲專頁及他們的 YouTube 頻道獲得更多資訊。

同場加映:沒有用過 indiegogo 嗎?請見樓下使用教學喔。

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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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