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「地表太空旅行」 兩小時從紐約到北京的真空運輸系統

Trr. 特誌_96
・2012/05/03 ・640字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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長途飛行耗時費力,同時必須消耗大量燃油和資源,現在美國運輸業者Evacuated Tube Transport Technologies(簡稱ET3)正在開發一項運輸技術,設計概念是在兩地間建構長長的密閉管狀通道,只要將管道內的空氣抽出,就能利用真空的引力把膠囊狀的磁浮車廂快速運送到另一地;這種膠囊車廂每台可以搭載六名乘客,或載運367公斤的貨物。ET3真空運輸系統的聯結設計就像高速公路,但膠囊車廂會自動從起點運送到終點;以國內運輸來說,時速為每小時600公里,未來若開發成為國際運輸,每小時則可高達6,500公里,換算起來,從紐約到北京居然只要兩小時,也難怪ET3會將這項計畫形容為「地表的太空旅行」!

ET3表示,乘客不會像坐自由落體的遊樂設施那樣臉都給擠扁了,旅途中依然可以體驗到普通氣壓環境的舒適度;此外真空運輸系統也兼顧綠色環保,加速時的能量消耗會在減速時恢復,而且與高速鐵路相比,建設真空運輸系統只需要二十分之一的材料,因為膠囊車廂的重量只有183公斤。在成本效益上,真空運輸系統的造價是高速鐵路的十分之一、高速公路的四分之一。ET3預估,只需要一組真空運輸管,就能超越一條高速公路的運量。雖然聽起來相當不可思議,但若能成功開發實行,恐怕會給地表運輸帶來全面革新呢!

資料來源:ET3 Transportation Concept Promises NYC to LA in 45 Minutes

 

延伸閱讀:Vactrain

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原文發表於Trr.特誌

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Trr. 特誌_96
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從號誌開始還路於民:增設行人專用時相真的能保護行人嗎?
PanSci_96
・2023/09/02 ・3577字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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「好不容易綠燈了,怎麼又有路人擋在斑馬線上?現在汽機車要停讓行人,不是只會讓路口更塞嗎?」

「怎麼一綠燈,腳才剛踏出去,就差點被撞到,台灣真的是行人地獄啊!」

話說道路設計的最高原則,就跟XX製藥一樣,是先研究不傷身體,再講求效果。包括行人、駕駛者等用路人的安全要確保,再來才是讓所有用路人都能在安全的條件下,快速地到達目的地。

那麼駕駛轉彎時須等候行人的規定,你怎麼看呢?身為行人的我覺得,這只是遲來的行人正義,本該如此啊!以前每次過馬路都要急急忙忙,還擔心被司機怒瞪,感覺真的很差。不過握上方向盤的我卻又覺得,哇靠,現在每次汽車轉彎遇到行人就要停下來,結果根本如入行車地獄,一整排車子在路上塞爆,綠燈都結束了,車子還卡在路中間!

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與其讓每個人都陷入行人與駕駛的無間道,也許我們該思考的是最根本的燈號設計問題,調整號誌設置加上增設行人專用時相(Pedestrian Scramble),被認為是擺脫行人地獄惡名的關鍵一招,但這招真的有用嗎?該怎麼用才真的好棒棒呢?

紅綠燈秒數該如何設計?

最近交通改革的呼聲很高,820「還路於民大遊行」也即將登場。台灣交通雖然不會因為一次的遊行,在一夕之間改變,但能讓更多人在乎交通的癥結,願意理性討論,我認為都是很好的發展。

因為多起令人傷心的事故,「道路設計」如今備受重視,然而設計道路不是看心情或靠直覺,不論是車道寬度、人行道寬度或是標線位置,都是集合交通學、數學和心理學分析的綜合結果。其中,紅綠燈的設計相對來說比較簡單,因為那就是解數學題嘛。

喔?這數學題該怎麼解呢?我們先以最簡單的雙時相號誌來舉例。這裡所謂的時相,就是指號誌的狀態。例如一個最一般的十字路口,會由一個南北向綠燈、東西向紅燈的時相,加東西向綠燈、南北向紅燈的另一個時相,組成雙時相系統。如果又加上禁止直行、僅允許轉彎的情況,那就是又多了一個時相。而由三個以上組成的系統,就是我們常聽到的「多時相交通號誌」。

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雙時相號誌例圖。圖/轉動高雄青春夢-高雄市政府交通局

現在我們眼前有一個雙時相號誌路口,我們的目標,是設計一個在固定時間內,能讓更多車通過,駕駛可以花更少時間抵達目的地的路口。唯一的條件,是它的紅燈與綠燈時間必須一樣長,那麼你會希望紅燈長一點還是短一點呢?蛤,短一點比較好?真的是這樣嗎?

當我們在設計號誌週期 (signal timing) 時,通常會將號誌畫成類似於 PM 常用的甘特圖,更加一目了然。現在我們有第一種設計:紅燈、綠燈各一分鐘,一個號誌週期是兩分鐘。以及第二種設計:紅燈、綠燈各 30 秒,一個週期是一分鐘。實際畫成甘特圖,雖然一次的紅燈等待時間變短了。但長時間來看,你遇到綠燈跟等紅燈的時間,是一樣多的,也就是在相同時間內,前進的距離是一樣的。

設計號誌週期不同,實際有效時間也會不同。圖/PanSci YouTube

當然啦,相信你也看出來了,現實情況不是這樣,就算是藤原豆腐店的送貨員,從零加速到一百,喔不對,一般道路速限是 50 公里。從零加速到 50,也是需要起步時間的,如果遇到紅燈也需要煞車時間。再加上黃燈的轉換時間,這些時間加起來會產生不少的時間損耗。如果遇到一次紅燈,就會損失 5 秒。那麼在週期為兩分鐘的道路上行駛兩分鐘,實際上的有效時間,只有 60-5 秒,也就是 55 秒的時間。在週期為一分鐘的路口呢?雖然行駛兩分鐘的綠燈時間總計也是一分鐘,卻因為會多遇到一次紅綠燈。所以有效時間會損失 2 次 5 秒,也就是有效時間只剩下 50 秒,比週期是兩分鐘的道路還少了五秒。

結論就是,雖然綠燈長一點,紅燈也需要等久一點,但比起不斷地走走停停,能將速度維持在速限的時間更久,就能節省更多時間。

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號誌連鎖,幹道更順暢

當然,以上假設是紅燈與綠燈一樣長的情形,大部分的道路規劃都存在幹道、支道的區分。幹道是交通的命脈,也是車流量最大的地方,因此綠燈時間就會設計的比紅燈還要長,在號誌設計上也會有其他的考量。

例如,大家在路上看到一整排綠燈,一路大順暢,心情一定也十分舒暢,這被稱為號誌同步 (Signal Synchronization)。剛才討論的是單一紅綠燈的時間長短,現在我們同時考慮整條路上的紅綠燈,依照經驗也知道,沒有號誌同步的幹道,遇到的紅燈次數自然也會比較多,那麼因為頻繁減速、加速而出現的時間損失又多起來了。

但是,號誌同步真的是最優的作法嗎?其實不見得。當我們將號誌再次畫成圖,把號誌的時間和空間擺在一起,形成時空圖(Time-Space Diagram),並且加入行駛速限的考量。

號誌時空圖(Time-Space Diagram)。圖/Traffic Signal Timing Manual

我們會發現,放入合適的時差,能讓號誌如波浪般傳遞下去,每次你剛好到下一個路口,就會剛好遇到綠燈,達到真正的一路大順暢。這種安排方式被稱為號誌連鎖 (Signal Coordination)。而要讓雙向的道路都能受益於號誌連鎖的好處,就需要透過嚴密的車流量與數學計算。

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在這些基礎之上,還需要加入時間、車流、轉彎道等資訊,才能做出最有效的號誌設計,實在不簡單。在這個基礎之上,若要解決行人屢屢遭遇事故的困境,該怎麼設計紅綠燈呢?

行人專用時相是什麼?

前陣子,關於駕駛轉彎時須等候行人的議題又再度浮上水面,有人提出既然每次汽車轉彎遇到行人就要停下來,不如增設「行人專用時相」(Pedestrian Scramble)來解決問題。在這個時相內,只有行人可以移動,反過來說,在汽車移動的時候,行人是不能移動的。

這有什麼好處呢?首先,因為行人穿越馬路時所有汽車都得靜止,因此行人可以穿越對角線,穿越馬路的次數從兩次變為一次。對於駕駛來說也有好處,因為駕駛行駛時已經沒有行人會穿越斑馬線,因此右轉車輛可以不受影響,降低等待時間。而最重要的是,行人移動時沒有任何交通工具正在移動,直接降低了車禍的風險。倫敦交通局在 2010 年的報告中,便說明行人專用時相可以降低 38% 的行人傷亡。

行人專用時相可以降低 行人傷亡。圖/Giphy

既然這麼立竿見影,那把所有路口都加設「行人專用時相」就解決問題了嗎?其實也不是。增加一個時相,就意味整個週期拉長了。因此不論是行人還是車輛,要等的紅燈時間也會拉長。在少部分城市,就觀察到駕駛更容易因為等得不耐煩而搶跑、闖紅燈,例如加拿大的多倫多,就因此在 2015 年取消了行人專用時相。

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一般認為,適合設置行人專用時相的地方,僅在行人人流量高的路口,例如鬧區、車站前、幹道交叉口等等。在行人數量不多的路口,增加時相可能反而會使塞車問題更加嚴重。

還有什麼方法能讓行人更安全的過馬路?

事實上,台灣交通安全協會理事長陳宏益也表示,行人專用時相只是短期應急作法,更好的做法是搭配不同路口採用不同的措施。例如設置「行人早開時相」(Leading Pedestrian Interval),讓行人比車輛早 3~7 秒綠燈,增加行人被駕駛看到的機會、減少人車爭道。

或是呢,設置行人庇護島或將行穿線退縮,除了庇護島能多一分保障外,重要的是行穿線退縮能增加汽車的等候空間,並且因為車輛在轉入時已經轉直,比較不容易因為 A 柱死角而看不見行人。

行穿線退縮也能保護行人安全。圖/PanSci YouTube

這樣聽起來,只要根據每個路口車流、人流,調整燈號設計,台灣的「行人地獄」應該有解囉?你覺得呢?有可能改變嗎?

  1. 當然有解,那麼多國家都提出了交通零死亡願景,事在人為啊!
  2. 教育才是最佳解,從幼兒園開始重新學習行人路權觀念,保守估計下一代……大概就會成功了。
  3. 我不入地獄,誰入地獄,這個肉身臭皮囊,還是靠自己長眼顧好吧!

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看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
Riley Tu_96
・2021/09/17 ・2439字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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不到一毫米身長的水熊蟲,是一種多細胞微小的生物,在 18 世紀被科學家發現,歸類於緩步動物門,目前全球大約有 1000 種被發現,棲息地包括淡水沉積物、苔蘚類的水膜,有少數種類棲息於海水的潮間帶,甚至在喜馬拉雅山脈或深海都可以發現牠們的身影。

聽起來毫不起眼…嗎?那你就錯了,牠可是目前是第一種被認證可在太空中生存的動物,堪稱地表上最強的生物!

水熊蟲在顯微鏡下的樣子。圖/flicker, CC BY 2.0。

環境不太舒適? 那就「假死」一下吧

水熊蟲體長通常在 0.3-0.5mm 左右,擁有頭部和四個體節,身體的表面含有幾丁質(節肢動物外殼的成分),擁有 8 隻腳,末端有爪子、吸盤跟腳趾,在顯微鏡下觀察,看到牠們身形飽滿、動作又笨重,所以被科學家稱為「水熊蟲」。

在 2007 年 FOTON-M3 任務,水熊蟲在太空待了十天,隨後回到地球,發現約 70% 的水熊蟲存活,並成功繁衍後代;而在 2019 年 2 月 21 日,以色列的太空船創世紀號墜毀在月球,卻意外發現有大量的水熊蟲在 DVD 大小的鎳片[註1]

水熊蟲可以在乾燥、高溫(約為150 °C)、絕對零度(-272℃),面對輻射以及真空下的環境存活,因為具有四種隱生狀態–低濕隱生、低溫隱生、變滲隱生跟缺氧隱生,面對不利於生存的環境,牠們會捲縮起來,讓水分排出、暫停身體代謝,處於「假死」的狀態!

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科學家們表示微重力和宇宙輻射,對水熊蟲影響不大,未來有望在太空研究中扮演重要的角色!

水熊蟲可以上山下海,不禁讓人心想,那些因太空船墜毀而登上月球的水熊蟲,至今是否還能行動? 

名字有「熊」、長了八隻腳,步態卻像蟲?

最近刊登在「美國國家科學院院刊」(Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS)的一項新研究,透過用高速攝影記錄了水熊蟲的移動,意外發現水熊蟲的爬行方式跟比自己大 50 萬倍的昆蟲相似。

通常尺寸像緩步動物門一樣小的生物很少有腳,牠們不走路而只會四處滑動亂竄;水熊蟲卻擁有 8 隻腳,是一種很特別的生物,讓科學家不禁好奇,這麼微小的生物是利用什麼方式移動,於是對牠們進行了研究。

圖/GIPHY

洛克菲勒大學的研究團隊,在顯微鏡下長時間持續觀察水熊蟲,並記錄其行走的步態(走路時身體各部位週期性的動態表現)。研究人員 Jasmine Nirody 表示,水熊蟲在沒有外力干擾下,有時牠們會很冷靜,以每秒半個身長的速度悠閒地漫步;當牠們看到對自己有吸引力的事物,這時會像踩了油門般,加快速度往目標物前進,可以達到每秒兩個身長。

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研究團隊從水熊蟲移動的步態,以科學角度來解釋,我們平常走路,腳跟後蹬,此時會產生靜摩擦力,所以水熊蟲的爬行是靠著腳與地面接觸獲得動力,然而當我們行走在不同環境 ( 光滑或粗糙地面 ) ,會受到不同壓力、產生靜摩擦力不同,不過牠們的肢體協調很靈活,不管在大海或沙漠,牠們都會去應變不同環境!

水熊蟲跟昆蟲、甲殼類動物很相似,牠們都是在不同速度下步態相同,而脊椎動物會依據不同的速度改變其步態。

對此,研究團隊有兩種解釋,第一種是緩步動物可能跟螞蟻或是果蠅這類昆蟲或其他節肢動物有演化上的共同祖先,甚至有相似的神經迴路;第二種可能性是緩步動物和節肢動物並沒有共同的祖先,這兩類不同群體的生物為了生存,而演化出相同的行走。

但這只是兩種假設性說法,到底答案是什麼,還需要科學家們進一步研究。

水熊蟲的一小步,是科技上的一大步

水熊蟲的研究除了對動物運動學有很大的進展,科學們之後有望研究出,微小尺度行動的機器人!

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某種水熊蟲的雌蟲。圖/WIKIPEDIA, by Gąsiorek P, Vončina K。

例如 2020 年美國康乃爾大學跟賓夕法尼亞大學的研究團隊,設計出小於 0.1 毫米的微小機器人,一塊晶片上就可以製造出約一百萬個機器人。

從 4 吋晶圓切下的一塊晶片上,表面約有 100 萬個微型機器人。圖/參考資料 4

這個微小型機器人由矽太陽能光電材料製作的簡單電路,跟四個電化學執行器製成的腳組成。研究團隊把機器人放在 200 微伏電壓、10 奈瓦功率的雷射光照射,從顯微鏡下觀察,會發現這些機器人在液體中游動。

這些機器人目前只能移動,其他功能還需要開發,水熊蟲的研究對微小型機器人的設計有很大的幫助,如果機器人再經過改良,在醫學上也有幫助,例如:運送藥物、人工受精、執行組織切片或微型手術等,雖然當中也有風險,需要經過跨領域的專家協助,找出適合臨床的使用。

除了微小型機器人,也對仿生機器人有幫助,其中昆蟲機器人考量到複雜機構學、運動學、動力學、昆蟲步態等研究,未來昆蟲機器人朝向以微小尺度、可進入角落或縫隙、環境監測等目標前進!

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註解

  1. 以色列的太空船創世紀號,是由「以色列方舟使命基金會」(Arch Mission Foundation)與其他民間機構合作發起的月球登陸計畫。由於該計畫的目的包括備份「地球生物學」的相關資料,基金會在發射計畫中,攜帶了一個稱作月亮圖書館(The Arch Lunar Library)的裝置,在大約一張光碟片大小的 25 片鎳片中,記錄了人類的歷史及科技等資料。此外,創世紀號裡也放入了25 名人類血液和毛髮樣本,以及部分生物的樣本,其中包括了本文所談論的水熊蟲,在經脫水乾燥後,保存於合成樹脂內。

參考資料

  1. Creature Survives Naked in Space, SPACE.com
  2. ‘Water bears’ are first animal to survive space vacuum, New Scientist.
  3. The physics behind a tardigrade’s lumbering gait, Science Daily.
  4. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots, Nature.

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連假無法逃離宿命!為什麼會塞車呢?
fabg
・2016/02/04 ・1643字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 430 ・四年級

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Source: flickr

塞車的秘密

相信大家都曾碰過高速公路發生「塞車」,如果塞車的理由是前面發生車禍或有車輛拋錨,那還可以理解。但是更常見的情形是明明前面沒有狀況,可是就是塞車、塞著塞著又慢慢地變順暢了,這究竟是為什麼呢?

人類科技發展到今日,飛機、火車、輪船都具能夠讓電腦自動駕駛,唯獨就是只有跑在路上的車輛很難靠著電腦控制,到目前為止也頂多是用「自動定速」的方式來減輕駕駛的負荷。雖然每個人的駕駛習慣不太一樣,但是畢竟駕駛是需要經過訓練的過程,所以其實也相去不遠。所以,當很多車輛在一條路上形成「車流」時,人類的反應習慣,就對於車流有非常關鍵的影響特性。

根據交通工程師的統計,他們發現在一台又接著一台的「穩定車流」中,駕駛會形成一個有趣的默契。以一群小客車所形成的車流,他們會穩定地保持車頭與車頭約2秒的間距、也就是你站在一點觀察一群穩定通過的車流,大約每2秒可以通過一台小汽車。

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巧妙的是,這個2秒的間距,從一般道路、車速大約30公里起,至高速公路環境下、大約車速為90公里的環境都能適用,但是同樣的間距時間、卻能構成不同的安全距離。以時速36公里、也就是每秒10公尺、車輛長度5公尺來算,前後車頭間距2秒,代表前車的車尾大約距離後車車頭15公尺(2X10-5=15);但是如果時速增加到90公里、也就是每秒25公尺計算,前後車頭間距2秒、則前車車尾到後車車頭的距離就會拉長到45公尺(2X25-5=45)。

Source: ccccltd.cn

大部分的駕駛會有這樣的默契,其實是受到人類神經「反應時間」的影響。根據統計顯示,人類的反應時間,從你看到前車煞車燈亮、到踩下煞車有煞車反應時,大約需要0.5~1秒的反應時間,在這一段反應時間中,因為神經在運作,所以車輛還是保持在原本的速度、並不減慢或停止。因此,人類為了要保持安全的反應時間,會自然而然地以2~3倍反應時間來拉長車距。所以,那些每天在路上開車的計程車駕駛,他們因為熟悉車況與路況、所需的反應時間較短,通常就會縮短與前車的距離;而剛拿到駕照的新手,因為對於反應時間所需較長,自然而然就會拉開距離。

受到了反應時間限制,這就讓高速公路的每一台高速行駛的車輛都需要和前車保持安全距離。所以,如果以單一車道中、每2秒通過1台車來算,每一個車道每1分鐘就可以通過30輛小客車,也就是每小時可以通過1,800輛車。當然,如果車流裡面有像是大客車、聯結車等大型車輛,因為他們所需的安全距離更長,當然,也會降低可以通過的車流量。

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當使用高速公路的車流達到穩定的情形時,再加入這些穩定車流的人就是破壞穩定的罪魁禍首了。以高速公路車速90公里來說,可能每個駕駛人都穩定地和前車保持45~50公尺的安全距離,這時從交流道上來的車子硬是「插隊」進入安全距離時,後面的車輛因為安全距離只剩下一半、讓後面駕駛人覺得反應時間不足具有風險時,自然而然就會降低車速、甚至踩下煞車。當有一台車踩下煞車、後面穩定跟隨的車輛就會因為前車煞車而放慢速度,於是後面跟著的車越來越慢,就讓整個車速降低、導致塞車。那前面的兇手呢?其實早就逃之夭夭、也不知道後面因為他造成塞車了……

Source: pixbam

也是因為這個理由,高速公路的管理機關才要使用「匝道儀控」或是「高乘載管制」的手段,利用紅綠燈或者乘車人數管制的方式,避免太多車流一下子上到高速公路上去破壞車流的順暢。同時,也會提醒駕駛人保持適當的安全距離,免得一下子踩煞車導致後面的車輛也跟著採了煞車而塞車。最重要的是,不要在高速公路上蛇行,不僅讓自己變得危險、也縮短不了多少時間,最重要的是,如果害後車煞車時,就會影響整個車流的穩定。下次上了高速公路,別忘了提醒開車的爸媽,保持安全距離,才能讓大家都能又快又安全地抵達目的地喔!

fabg
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從小就追著火車和飛機跑來跑去的宅小孩,生活的最大興趣就是研究交通工具,後來發現交通工具富含許多常見的科學原理,加上與「人」的互動後更呈現了多樣化的樂趣,於是決定努力鑽研、把自己研究的小小發現用淺顯易懂的方式與普羅大眾分享。現為國語日報科學版專欄作者、經營自己的Blog:「fabg@運輸邦」 (Blog網址:http://fabg.pixnet.net/blog)