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[TED]創造人為與自然融合的循環 Using nature’s genius in architecture

Scimage
・2011/03/08 ・661字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 424 ・四年級

人為利用資源跟自然使用資源最大的不同,就是人為的利用常常以破壞來換取當下想要的結果,比起自然幾乎每種物質都被充分使用,人為的利用常常是破壞性的。

不論是誰都知道用目前的方式下去,地球負擔不起人類的存在,再生性的利用資源跟環境是以後人一定要走的路,但是常常有人懷疑在大的尺度上,資源再生利用的方式真的存在嘛?這演講展示了很多很有創造力的嘗試,希望把自然循環的精神加入到大尺度的建築上。

其實人類從自然中可以學習到很多技術,裡面一個很好的例子就是模仿甲蟲從空氣中讓水珠凝結的本事,設立海水蒸發溫室,一方面利用海風吹海水蒸發引起的內部溫度下降跟溼度增加,一來內部可以養植物,淡水自動凝結後就有多的水分的改變週遭沙漠化的環境。只是一個建築就開始改變周圍沙漠化的生態,所以並不是所有的人為技術都代表破壞,而是要看這樣的技術怎麼跟自然的循環結合。

本文原發表於科學影像Scimage

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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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想研究再生又沒有金剛狼,幸好我們還有斑馬魚!
科技大觀園_96
・2021/07/03 ・2779字 ・閱讀時間約 5 分鐘

手指斷了可以再生嗎?科學家正在從斑馬魚的再生能力尋找解答。圖/fatcat11 繪

我們該怎麼研究金鋼狼的再生能力?一般人的想法或許是:詳細解剖金鋼狼。不過更實際的策略其實是:養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!

用斑馬魚研究再生

陳振輝的研究領域是「再生」,作為中央研究院細胞與個體生物學研究所(中研院細生所)的成員,其研究團隊目前有數個有趣的題目正在進行,其中「斑馬魚尾鰭的再生」率先問世。

陳振輝在博士後研究時,研發出標記與追蹤細胞的「Skinbow」技術,登上《Developmental Cell》期刊封面。圖/劉馨香攝

再生為什麼值得研究?和遺傳、發育、生理、免疫等領域相比,人們對再生的認識仍然不多,學術上有許多深入開拓的空間。另外再生研究也有具體的應用價值:人類壽命大幅增長後,癌症、心臟病、老化成為主要的健康問題,增廣再生的知識,有助於對抗老化、退化,增進生活品質。 做研究,材料很重要,這就是選擇斑馬魚的原因。

為了方便實驗進行,多數基礎研究都圍繞在幾種科學社群精心建立的「模式生物」(model organism)上,然而,常用的模式動物,如果蠅、線蟲、小鼠,卻不太有再生能力,不適合用於研究再生;相比之下,斑馬魚擁有十分全面的再生能力,不只鰭與皮肉能再生,甚至遭受脊椎、大腦受損的重傷害,一段時間以後照樣可以再生、恢復正常生活。

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斑馬魚房的一角。自己的實驗動物自己養!中研院細生所提供充足的基礎設備支援。圖/劉馨香攝

陳振輝是勇於踏出舒適圈的探險家,他在博士後研究時才轉換跑道,投入美國杜克大學的 Ken Poss 門下,與尚在起步階段的斑馬魚再生領域一同成長。一番歷練以後,他帶著新研發的技術與創意回到台灣,開始大展身手,而尾鰭再生是他完成的第一項研究計畫。

再生是重要的問題,斑馬魚是好用的研究工具,但是尾鰭乍看不太起眼,為何探討尾鰭的再生呢?主因是觀察尾鰭再生的過程相對容易。尾鰭由皮膚、血管、神經等不同種細胞組成,構造夠複雜卻又不會太過複雜,切掉多少面積,再生長回來多少、多快,都可以精確地量化。選擇較為單純的身體外部器官來研究再生反應,有助於釐清調控再生過程的複雜機制。

用正向遺傳學,尋找失去正常再生能力的突變種

從突變的異常樣本著手,比較它和正常個體之間的不同,抓出關鍵的差異,這就是「養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!」的道理,又稱作「正向遺傳學」(forward genetics)。

概念說來簡單,但是光是尋找在誘發突變後,表徵可以穩定遺傳的突變品系,就需要耗時兩到三年;順利找到後又要花費同樣久的時間,確定突變點發生的位置,努力加上運氣,一共經過五到六年,才有我們如今在論文中見到的成果。 

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採取正向遺傳學的策略,篩選失去正常再生能力、且其表徵可以穩定遺傳的突變品系,最後進一步找到具體的基因。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

動物身上每一個細胞的基因組都是一樣的,透過調控不同的基因表現,卻能產生各式變化。具備再生能力的動物,細胞中儲存了一套復活的遺傳「記憶」,如同電腦的重開機程式一般,有需求的時候就會啟動。尾鰭再生的過程中有許多基因牽涉其中,重要的基因倘若失去作用,尾鰭會喪失再生能力,了解哪些基因是「再生基因」?這些基因如何影響再生?是陳振輝實驗室努力的方向。 

經由這個研究方法,陳振輝與其研究團隊,發現有個基因 pola2 ,其表現活性竟然可以影響尾鰭再生後的形狀或大小!也就是說,指引尾鰭重建的「再生記憶」其實也可以改變。

超過五億年,指引再生的動物方程式

原本以為按部就班,一成不變的再生過程,人為介入後卻可以改變再生的結果。累積更多這方面的知識後,是不是有反過來應用的機會:讓原本不會再生的組織也能重新生長呢?比方說,手指被夾斷是常見的職業傷害,假如能讓斷掉的手指再生,將是多麼實際的用途! 

當然,離那一天仍然遙遠,不過這類想像卻不是癡人說夢。陳振輝的研究工具不侷限於斑馬魚,為求了解找到的機制是否只是斑馬魚的特例,他與細生所的同事游智凱與蘇怡璇合作,發現另外兩種具有再生能力的動物:文昌魚和水蚯蚓,在「再生記憶」的調控上也具備類似的機制。

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人類、斑馬魚、文昌魚、水蚯蚓的親戚關係。這些動物在五億年前有共同祖先。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

文昌魚、水蚯蚓和斑馬魚,如今是差異很大的動物,演化上的共同祖先能追溯到超過五億年前;然而,它們依舊保有類似的機制維持再生記憶,表示這是一套非常遠古的調控之道。而人類也身為可再生動物的後裔,儘管早已喪失大部分的再生能力,或許仍存在一絲潛力,只待我們找到激活的辦法。

跨領域合作,挑戰再生經典難題

上述研究聽起來很有趣嗎?其實這只是陳振輝實驗室許多研究主題之一,再生研究的領域還有許多基礎問題等待回答。

應用「Skinbow」技術所產生的斑馬魚。利用此技術,準確掌握細胞行蹤,有機會繪製完整的「再生藍圖」。圖/陳振輝提供

陳振輝利用博士後研究時研發的「Skinbow」技術,精確標記細胞,追蹤再生時詳細的變化過程,是進一步探討不同題材的基礎。此外,中研院也有多元的人才庫,有需求時能發出穿雲箭,尋訪其他領域的專家合作。 

例如再生過程中有一個普遍的現象:「受傷愈重,再生愈快」。像是蠑螈有再生能力,切掉一隻手或一支手指都會再生,可是失去兩者後傷勢不同,長回來的時間卻是一樣。此一至今仍然無解的有趣現象,在陳振輝與中研院物理所、化學所的同儕一同努力之下,似乎已經見到曙光,而且真相令人非常驚喜。至於詳情如何,目前先賣關子,還請各位讀者耐心等待。 

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成為世界上第一個知道這件事的人,這就是做研究最大的樂趣啊!

參考資料

  1. Chen, C. H., Puliafito, A., Cox, B. D., Primo, L., Fang, Y., Di Talia, S., & Poss, K. D. (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental cell, 36(6), 668-680.
  2. Wang, Y. T., Tseng, T. L., Kuo, Y. C., Yu, J. K., Su, Y. H., Poss, K. D., & Chen, C. H. (2019). Genetic Reprogramming of Positional Memory in a Regenerating Appendage. Current Biology, 29(24), 4193-4207.e4. 
科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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真愛總是尋尋覓覓?讓「數學愛情大師」漢娜‧弗萊幫你找到解答
數感實驗室_96
・2019/11/13 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 601 ・九年級

  • 數感實驗室/朱倍玉

每個專業領域都有所謂的權威,當「出了一些狀況」時,我們會向他們求助。

健身不見成效?請找健身教練;經常胃痛?請聽聽醫生怎麼說;在交友軟體尋覓另一半?除了拜月老, 「數學家在尋找真愛上特別在行。」數學家漢娜‧弗萊(Hannah Fry)也是一位值得諮詢的對象。

漢娜的演講「愛的數學」(The mathematics of love),在網路上有近 500 萬觀看次數,從數學家的角度來分析愛情,整理出愛情三部曲,告訴聽眾從零開始的愛情該如何順利發展,從交往一路到婚姻經營,教導在愛情中茫然迷失的人們如何找到方向。

等等,你或許會想,自己只是個想談戀愛的人,晚上打開手機,滑一滑交友軟體為你推薦的對象,思考可以開啟什麼話題來吸引對方。為什麼這樣也能扯上數學?而且教你談戀愛的竟然是,嗯,數學家?

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找數學家教你談戀愛,合理嗎?圖/pixabay

恐怖主義、購物行為、愛情三部曲,數學通通都包了!

弗萊是倫敦大學學院(University College London, UCL)的教授,一名相當出色的女數學家。

她在倫敦大學學院的先進空間分析中心(Centre for Advanced Spatial Analysis)專職研究人類行為模式。城市中的社會問題是她經常處理的對象:恐怖主義、購物行為、犯罪等。她不僅研究這些議題,她還同時是一位積極讓普羅大眾感受數學之美的數學傳播者。

除了學術方面的工作,弗萊更為一般人所知的身分是講者。上面提到的「愛的數學」是她在知名演講平台TED上的演說。

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漢娜‧弗萊在BBC主持的節目《拉塞福與弗萊的稀奇古怪一籮筐》(The Curious Cases of Rutherford and Fry)圖/截圖自網頁

除了這個,她還會上廣播節目跟聽眾聊一些數學或科學裡有趣的問題,也在BBC主持節目《拉塞福與弗萊的稀奇古怪一籮筐》(The Curious Cases of Rutherford and Fry),回答民眾大大小小的數學或科學疑惑。

不僅如此,她更協助 BBC 拍攝多部紀錄片,提供其中相關的數學知識,像是《天空之城》(City in the Sky)、《數字的喜悅》(The Joy of Data)。《天空之城》在探討航空業的飛行安全,以及航空業後勤工作所仰賴的數學、工程學等領域。《數字的喜悅》則是在說幾個掀起數據時代革命的幾個工程師的故事。

圖/wikimedia

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數學家,其實是網路世代最重要的媒婆

主題再拉回來本次我們主要關心的「愛情議題」。一個研究人類行為又擅長分析數據的數學家,聽起來可能真的能給人愛情上的建議,你一定會好奇她是如何解決大家的愛情困擾?

首先你必須知道,為網路世代的我們鋪上愛情路的專家,其實有許多是數學家。至少對三分之一的美國新婚夫婦來說,數學家就是他們的媒人婆。

圖/截圖自網頁

我們以弗萊最愛的交友網站 OKCupid 為例。OKCupid 就是由一群數學家建立的免費交友網站,他們有一套配對演算法,幫使用者計算與其他人的速配程度。決定你按下喜歡還是不喜歡的關鍵除了照片之外,就是速配程度了。使用者可以提出一些問題,並且自己排序這些問題的重要性。

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系統就像在計算成績一般,以使用者的答案、使用者期望心儀對象的答案搭配題目重要性來加乘權重,最後算出兩人的幾何平均數,產生速配程度。

舉例來說,假設 A 與 B 提出的問題是:

  1. 你怕蟑螂嗎?
  2. 你擠牙膏都從尾端開始擠嗎?

A 的答案兩者皆是。同時,他認為心儀對象答案應該為「否」與「是」,且兩題的重要性為 90 分、10 分。

B 的答案兩者皆否,他認為心儀對象答案應該為「是」、「否」,且兩題的重要性為 20 分、80 分。

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從以上的回答,我們可以知道 A 是一位非常怕蟑螂,需要另一半來幫忙打蟑螂的人。他會從牙膏尾端開始擠,但這點對他來說不太重要。B 不僅不怕蟑螂,也很樂意幫害怕蟑螂的另一半處理,不過或許是他自己不常從最後面擠牙膏,他很不希望另一半是認真擠牙膏的人。

於是,A 與 B 的第一題配對成功。第二題配對失敗。再考慮到兩個題目的加權,我們可以得到,對極度害怕蟑螂的A來說,B之於他的速配程度是(90+0)/(90+10)=90%。對受夠為了牙膏吵架的 B 而言,A 之於他的速配程度只有(20+0)/(20+80)=20%。綜合以上,兩人的速配程度(幾何平均數)約為 42%。

交友軟體運作的方式大概如同上述,透過簡潔又易懂的運算方式就可以估算出兩個陌生人適不適合開啟話題,或進一步發展關係。當然,實際的運算會再更複雜一些,問題也會再多上許多。只是背後的原理其實並不難懂。

認識了還不夠,數學還能教你該怎麼談戀愛相處!

《數學的戀愛應用題》在愛情的每個環節裡,都有數學的規律可循。圖/博客來

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由於弗萊的演講點擊率相當高,TED組織邀請她把影片提到的數學概念加以整理,擴寫成一本書,書名是《數學的戀愛應用題》。

除了影片中提到的愛情三部曲外,她在書中詳盡地帶讀者從頭愛一遍,在愛情的每條必經之路上分析如何借用數學,讓大家的情路更好過。教你如何更有效率地找到合適對象、對於另一半你該不該忠誠、怎樣才可以度過感情中最大的一關──婚禮,最後,如何經營一段長久的親密關係。這其中會用到包括了最佳停止問題、費米估測、回歸分析產生的婚姻方程式等等。很神奇吧,在愛情的每個環節裡,都有數學的規律可循。

還在愛情上困擾的人們啊,倘若你翻遍了坊間的愛情教戰守則,卻依然無法覓得真愛,不如尋求地表最強助攻的「數學」吧。

數感實驗室_96
60 篇文章 ・ 39 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/