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你想不到的大麻!取代棉花,更環保的纖維來源——《drawdown 反轉地球暖化100招》

聯經出版_96
・2019/02/25 ・1909字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

編按:此為《drawdown 反轉地球暖化100招》最終章,作者提出一些「明日新亮點」,期待可以減緩全球暖化的現象。

大麻也有「工業用」?

將工業用大麻稱之為「明日新亮點」似乎有些奇怪,因為它被用於製作人類衣物的纖維,已長達數萬年的時間。它之所以被納入本文,不是因為它可以做什麼,而是因為它可以取代什麼。

1937 年,美國有效地禁止種植各種大麻,當時帶頭反對的新聞與紀錄片,以駭人聽聞的方式,述說大麻作為一種毒品如何滋生暴力與精神錯亂。因為人們對於麻繩或是其他工業用大麻製品感到舒坦,對神經起作用的其他品種(大麻的學名為 Cannabis sativa)就被命名為「marihuana」,這是一個墨西哥黑話,除了用來指涉它摧毀性的效果,也隱含了種族歧視。

今日,越來越多州批准休閒與醫療用大麻,工業用大麻卻因緝毒局拒絕同意,在美國仍被禁止栽種。在世界其他地方,大麻是具有許多用途的商品作物。與休閒或醫療用大麻相比,工業用大麻含有的大麻素微不足道

以大麻取代棉花,對社會、環境與氣候的影響更小

大麻的內皮與莖皮都含有長而強健的纖維,可以單獨被紡織,或是與亞麻及棉花結合後製作服飾。圖/聯經出版

數千年前,大麻因為其富含纖維的莖而受到注意。內皮與莖皮都含有長而強健的纖維,可以單獨被紡織,或是與亞麻及棉花結合後製作服飾。 1840 年代,人們開始使用木漿製作紙張;在此之前,紙張幾乎都是使用丟棄的大麻服裝製作而成。尋找廢棄布料的拾荒者,來回歐洲城市之間,撿拾街頭的廢棄物來貼補家用。這些破舊的衣物被賣至類似今日的回收中心,大麻被分類出來、清洗、紮綑後賣給造紙業者。

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大麻生產強韌且永續的纖維。

用途涵蓋紙張、織品、繩索、縫隙填補、地毯與帆布(canvas)。「canvas」一詞源於「cannabis」(大麻,法語則為 canevas)。內皮是有價值的部位,被用於織品與繩索,每英畝產量在 800 至 2,400 磅之間,比棉花產量還高。兩種植物的影響差異也很可觀。棉花是世界上對環境最有害的作物,因為種植過程使用大量化學物質,並且相當倚賴化學燃料。棉花雖然僅占所有農地的 2.5 %,其每年的殺蟲劑使用量卻高達 16 %。

棉花是世界上對環境最有害的作物,因為種植過程使用大量化學物質,並且相當倚賴化學燃料。圖/Pixabay

當我們再把 2 萬人因為殺蟲劑中毒死亡、水質汙染、殺蟲劑引發的疾病,密集使用人工肥料與除草劑,以及因灌溉乾燥土壤導致的土壤鹽化等問題納入計算,你會發現這樣的一種作物對於社會、環境與氣候的影響。將近 1 %的溫室氣體排放來自棉花生產。一件白襯衫由農田至消費者手中的排放量是 80 磅的二氧化碳。

當大麻移除內皮後,剩下種子以及大麻屑(hurd)。大麻屑可以製造多種產品,包括纖維板、砌塊、隔熱材質、灰泥與粉刷。這種植物的多功能性讓某些人相信它是農業的萬靈丹。並非如此。大麻是一年生植物,所以必須輪耕使土壤恢復肥沃。不過它不需要像一般一年生作物那樣耕作。種植密集且成長快速的大麻,可以驅逐並遮蔽薊之類的雜草,因此發揮了除草劑的作用。此外也無需使用殺蟲劑。以當下價格計算,它的每英畝淨利是小麥的 2 至 3 倍。但是它需要不少的水,以及深厚且營養充沛的土壤,此外也不適合用來恢復退化的土地。

大麻對環境的益處很多,但是卻不便宜,至少在美國是如此。舉例而言,如果為了效率而使用打穀機收割大麻,將會破壞內皮纖維。雖然內皮用途多元,大麻纖維的成本將近木漿的 6 倍

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以大麻取代棉花,希望能減少碳排放。圖/maxpixel

當大麻作為棉花的替代品時,才是它發揮改變作用的時候,其他用途則可支持它的經濟。當中國前最高領導人胡錦濤於 2009 年造訪中國的大麻加工商時,他懇求他們增加中國種植量至 200 萬英畝,藉此避免棉花的有害效果。成長端賴大麻織品的生產能否達到價格低廉、時尚與舒適。就纖維柔軟度而言,它不是棉花的對手,但是如果成本有競爭力,它確實可以取代世界一半的棉花,用於日常衣物的製作,例如牛仔褲、夾克、帆布鞋、帽子等,如此一來將對碳排放產生顯著影響。

註:傳統棉花種植使用大量殺蟲劑與除草劑,棉花種植面積占農業2.5%,但農藥用量卻占總量的16%;所使用的農藥毒性亦高,例如涕滅威。此外,將棉花製成服飾的過程中,也會使用各種化學物質,例如甲醛、氨、石化除垢劑、矽蠟、化學清洗劑等。

本文摘錄自《drawdown 反轉地球暖化100招》,2019 年 1 月,聯經出版

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聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

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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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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5656字 ・閱讀時間約 11 分鐘

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

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最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

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燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

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在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

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等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

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中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

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目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

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但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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液晶溫控纖維:捲窗簾、撐乳房、擁抱狗、掀燈罩
胡中行_96
・2023/11/20 ・2772字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「教授」趴在辦公室的地板上,百無聊賴。材料科學家、互動設計師、工匠與工藝研究人員,整日於麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab),忙進忙出,沒空搭理。作為論文第一作者Jack Forman的愛犬,身兼創作謬思,「教授」可能從沒想過,自己終將獲邀貢獻學術,並且榮登致謝名單。[1]

第一作者的愛犬「教授」。圖/參考資料1,Figure 15a(CC BY 4.0

FibeRobo

「教授」備受冷落的這段時日,研究團隊一直忙於開發織物纖維:穿戴手套、實驗袍和護目鏡,隔著通風櫃,以液晶元(mesogen)為主要原料,適量加入能感光、增加黏性、降低驅動溫度,以及延長有效期限等的各種化學物質。然後,將調製好的液晶彈性體(liquid crystal elastomer;LCE),灌進精心設計的機器。利用液晶分子在常溫下整齊排列,遇熱就亂了陣腳,導致收縮的特性,生產出來的FibeRobo纖維,長度能為溫度所控制。製作步驟及機器各部位的功能,大致如下:[1]

左二為FibeRobo機器示意圖,最右是實體。圖/參考資料1,Figure 3(CC BY 4.0
  1. 可調控溫度的針筒幫浦,將原料加溫至約莫34°C,降低其黏性後,推擠出來。(圖片:Step 1的上半段。)[1]
  2. 紫外線照射,使纖維稍微硬化,避免蜷曲。(圖片:Step 1的下半段。)機器外圍的黃色壓克力板,能隔絕99%的紫外線,保護使用者。透過調光器,則可依需求適度調整光線強度。避免光線太弱,使纖維斷掉;或者是光線太強,而結塊並堵塞針筒的開口。[1]
  3. 鑷子夾住纖維兩端,把它拉得又直又細,再沾點礦物油,比較容易舒展。(圖片:Step 2。)[1]
  4. 經過滑輪的纖維,於緊拉的張力下,再照一次紫外線,加強硬化。(圖片:Step 3。)滑輪轉動的速度愈快,纖維就愈細。[1]
  5. 纖維被捲到機器最頂端的線軸上。(圖片:Step 4。)[1]
  6. 從線軸上取下纖維,撒點滑石粉,降低摩擦力,方便以後用機器紡織。等布料完成,再以溫熱的肥皂水,洗去滑石粉。[1]

通電與收縮

FibeRobo纖維搭配別種材料,可以創造不同的效果。然而傳統多股對絞的作法,會扭曲FibeRobo,使它收縮的特質變得難以預測。於是,研究團隊改將FibeRobo置於中央,在外面纏繞其他材料。比方說,拿以蠶絲包覆銅芯的利茲線(litz wire)來捆它。銅的電阻低,升溫快,能迅速使FibeRobo遇熱收縮。FibeRobo與利茲線合體後,接上2.5安培、8.5伏特的電,8秒即縮短37%;斷電30秒,則又恢復原狀。不過,這種混合纖維傾向堆成一團,不適用於針織、紡織與刺繡。研究團隊建議,最好分開製作,再搭配使用。[1]

a. & b. 不同材質的線,纏在一起。FibeRobo纖維與利茲線合體:c. 沒通電;d. 通電收縮。圖/參考資料1,Figure 5(CC BY 4.0

另外,他們也嘗試用導電塗料浸染纖維。如同調製LCE原料時,身穿防護衣著,隔著通風櫃,先將FibeRobo泡入含有重量百分濃度7%碳黑(carbon black)的甲苯(toluene)溶液裡。8小時後取出,置於80°C的烤箱中,烘烤1個鐘頭。如此一來,FibeRobo纖維就能通電,其電阻會跟著長度的伸縮變化。拉長變細的時候,電阻較高。[1]

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成品展示

研究團隊用FibeRobo纖維跟其他材料,做了些模型和成品,來展示實際用途。以下是其中幾個例子:[1]

  • FibeRoBra運動胸罩:當體溫隨運動逐漸上升,FibeRoBra便開始收縮,給予乳房無鋼圈、零負擔的支持。體溫下降後,布料又回到放鬆的狀態。[1]
圖/參考資料1,Figure 8(Edited;CC BY 4.0
  • FibeRoGlow燈具:開燈後升高的溫度,令燈罩緩緩上捲,彷彿打開花瓣。全程費時,大約5分鐘。[1]
圖/參考資料1,Figure 9(CC BY 4.0
  • ShadeRobo窗簾:窗簾不該因為陽光強烈,氣溫上升,就自動捲起來。因此,驅動此窗簾所需的溫度,被設計得比較高。布料只有在上面的利茲線通電時,才會有反應。4伏特、2.5安培的電,得花2分鐘,才能將這個5 x 5公分的小窗簾捲好。冷卻1分鐘後,又會完全攤平。[1]
圖/參考資料1,Figure 12CC BY 4.0
  • FurbeRobo遙控狗背心:論文的第一作者Jack Forman,為他的愛犬「教授」,織了一件小背心。本文開頭的那張照片,即是牠的定裝照。如果寵物在辦公室悲鳴,於實驗室忙碌的主人,就可以透過藍芽,啟動背心上的控制器。此時,連接12伏特、2.5安培電池利茲線,會通電並發熱,造成驅動溫度不高的布料,輕微收縮。就像給狗溫暖的擁抱,減輕牠的分離焦慮(separation anxiety)。不過,基於動物實驗倫理等因素,後來示範布料收縮的照片,都是穿在布偶上拍攝,「教授」再次被晾在一旁。[1]
圖/參考資料1,Figure 15(CC BY 4.0

成本與環保

2023年麻省理工學院的團隊,在美國計算機協會(Association of Computing Machinery)主辦的使用者介面軟體與技術(User Interface Software and Technology)研討會上,發表了這篇介紹FibeRobo的論文。研究團隊認為,他們的成果具有商業化的潛力。畢竟跟雷同的技術比起來,製作FibeRobo的成本相對低廉:機器的針筒幫浦約美金250元;裝滿5、10、20或30毫升原料的針筒,每個至多4元;而生產直徑0.5mm的纖維,每公尺約0.2元。[1]單人操作單機,一天或一個下午就能產出750公尺的纖維;[1, 2]亦有報導指稱是每日1公里。[3, 4]不過,FibeRobo不可回收,儘管某些新興LCE纖維可生物分解,有時搭配的導電材質,仍是廢料處理的阻礙。因此,在這方面還有改善的空間。[1]

麻省理工學院媒體實驗室的FibeRobo介紹影片。影/參考資料2

  

參考資料

  1. Forman J, Afsar OK, Nicita S, et al. (2023) ‘FibeRobo: Fabricating 4D Fiber Interfaces by Continuous Drawing of Temperature Tunable Liquid Crystal Elastomers’. UIST ’23: Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 9, pp. 1 – 17.
  2. MIT Media Lab. (27 OCT 2023) ‘FibeRobo: Powerful Body-Temperature Morphing Fibers’. YouTube.
  3. Paul A. (26 OCT 2023) ‘This liquid crystal fabric is ‘smart’ enough to adapt to the weather’. Popular Science.
  4. Global Update. (29 OCT 2023) ‘New Liquid Crystal Elastomer Fiber Makes Shape Shifting Fabrics a Reality – FibeRobo’. YouTube.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。