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仿生機器人──小怪獸(製作篇)

馥林文化_96
・2012/05/09 ・3887字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 480 ・五年級

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開始製作小怪獸吧!

文/鮑惟聖

看過許多玩家的機器人作品,我總覺得它們的動作不夠靈活,而且缺少了智慧性,讓人有種隔靴搔癢、無法盡興的感覺,因此就興起了自己動手做一臺的念頭。我所做的這臺機器人,除了外觀酷炫、功能多樣外,還能避開障礙完成指定的任務。

我利用隨處可得的冰棒棍來當作機器人的四肢與身體(支撐控制器的支架),再從「遙控飛機模型店」買八臺8g伺服機當作肌肉、用SC8控制板當作大腦,以及紅外線LED當作眼睛。

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這隻我叫它「小怪獸」的四腳仿生機器人,打造完成後,有著兩顆一閃一閃十分討喜的紅色眼睛。它除了可以做伏地挺身外,還能走迷宮。當小怪獸走不出迷宮時,兩顆紅色的眼睛會閃得更快了,並不斷地轉動自己的身體,一副著急想趕快找到出口的樣子。以下我將說明如何利用SC8來製作這臺可愛的小怪獸。

1.設計草圖

1a. 先設計草圖

 

1b. 利用這些材料組出「工字形」主支架與「平行結構」四隻腳,基本上這樣骨架就完成了。當然這是我的版本,一旦大家上手之後就可以發揮DIY的精神,設計自己的版本,愈有造型就愈有特色。

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2. 裁切與鑽孔

2a. 冰棒棍在各個文具行都可以買得到,價格很便宜的。但也可以「物盡其用」,買上兩打冰棒然後找朋友幫忙吃完它,「獨樂樂不如與眾樂樂」這機器人也算是「集體創作」。冰棒棍的長度與鑽孔處,草圖上都畫得很清楚了,冰棒棍到手了就可以開始裁切了。

2b. 「工欲善其事,必先利其器」,有臺鑽孔機絕對是如虎添翼的,但是如果手邊沒有鑽孔機,那就需要有雙靈巧的雙手了。注意冰棒棍上的2㎜圓孔是為了固定伺服機的「搖臂」之用。請注意您手邊的伺服機「搖臂」上的孔距,是否可以鎖上,如有差異,請自行調整2㎜圓孔鑽孔位置。

3. 組裝「工字形」支架

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3a. 現在開始組裝,首先是「工字形」的支架,「工字形」的支架下方,會放置電池,「工字形」支架的上方則會放置SC8控制板。為提供較大的承載面積。

3b. 「工字形」支架的中間部份是由三條冰棒棍並排組成,共使用六顆3㎜的塑膠螺絲與螺帽固定。

4. 伺服機定位

4a. 伺服機(或稱之為舵機)是機器人入門的必備零件,在「遙控飛機模型店」都可以買得到。我這裡的「小怪獸」是採用小型8g伺服機。8g指的是伺服機重量約為 8公克。如果仔細找一下還會看到6g、7g、9g的伺服機。除了重量不同外,一般重量越大也代表了扭力比較大。目前「小怪獸」的重量輕,所以扭力影響程度 有限。

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4b. 注意伺服機可以轉動的角度範圍。伺服機可以轉動的角度範圍愈大,足部可以伸展的範圍就愈大。一般伺服機都可以達到60度,所以後續的動作都以60度為應用範圍。還有,不要用手大力或快速去轉動伺服機,這樣會很容易造成齒輪崩牙。

4c. 伺服機買到手之後,對第一次玩機器人的朋友來說,必須先了解伺服機的「定位」問題,這是需要花點心思的。首先從組裝的角度來看,伺服機分成主體上的「動力 輸出軸」,以及外加的「搖臂」塑膠件。主體上的「動力輸出軸」可以轉動的範圍是個「絕對」範圍。如何將這「絕對」範圍,因應機構需要,變成「相對」的範 圍,那就要靠「搖臂」的安裝了。有些事情就是愈聽愈糊塗,親自把玩一下就茅塞頓開。

4d. 伺服機定位的目的就是將伺服機動力輸出軸,轉到我們希望的角度位置。一般會是中間位置,這樣我們就可以獲得相同的的正反轉範圍。市面上有伺服機角度設定的 小儀器,使用起來很方便,如果預算可以的話,值得去買一個,很多場合都用得到。但是省錢的方法,就直接安裝InnoBASIC Workshop 2系統,使用內建的「動作編輯器」完成定位的工作。

4e. 到官網下載InnoBASIC Workshop 2安裝軟體,安裝完畢開啟該軟體。

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4f. 找一條Mini USB訊號線連接SC8控制板與電腦。當電腦偵測到SC8控制板就會開始USB驅動程式安裝程序。只要按照電腦畫面指示,幾個步驟後就完成USB驅動程式 安裝。如果電腦無法偵測到SC8控制板,請檢查一下是否拿到的不是USB訊號線,而是USB充電纜線。

4g. 如果一切都順利,請在「工具」選單中啟動「動作編輯器」,開始初始設定畫面。由於「小怪獸」不是標準產品,請選擇「預設值」。並在使用模組區選擇Servo Commander 8。

4h. 設定完成後就會有就會出現「動作編輯器」主畫面。在每個通道(CH)的前方都有一的核取方塊 (check box) ,想要使用到的通道就去點選它。我們就先選CH0,同時把想要定位的伺服機插到SC8控制板的CH0接口上。通常伺服機線為黑、紅、白三種顏色,分別代表 電源(-)、電源(+)、訊號線,而且電源(+)在中間。安裝伺服機線時請注意顏色方向。

4i. 現在SC8控制板是使用USB電源,雖然伺服機是插到SC8控制板上,但是SC8控制板只送出控制訊號,各個伺服機的電源則需另外提供,SC8控制板只是 將電源引到伺服機接口處,並未做任何穩壓控制。換句話說,外部電源的電壓是直接通到伺服機,所以一定要注意外部電源電壓與伺服機操作電壓的匹配問題。 現在我們就來看看電池的問題。又要重量輕又要電流夠大,鋰電池通常會是最佳人選了。但是缺點是電壓高了些,規格上為7.4V。如果伺服機的工作電壓較低, 有可能沒有工作多久就會燒毀了。選用5個電池的「鎳鎘」或「鎳氫」充電電池,則可較符合6V規格,缺點則是稍微重了些。電池可使用魔鬼氈黏貼於「工字形」 支架下方,這樣方便取下充電。每次裝上電池時注意不要影響到伺服機的轉動,另外儘量將電池的重心調整到「小怪獸」的正中央讓四隻腳平均受力,否則行走時會 有跛腳現象。

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4j. 現在試著調整動作編輯器裡CH0的捲軸或數值,觀察伺服機轉動的狀況。新手可以利用這個機會第一次觀察伺服機轉動與數值設定的關係。將八個伺服機輪流插拔 到CH0,就完成伺服機定位的工作了。如果伺服機上已經有裝上「搖臂」,將它先卸下再來做定位比較好。定位好的伺服機小心不要再去轉動它。好了!電腦可以 先關掉了,我們會有一段時間用不到電腦。

5.安裝伺服機

5a. 使用2㎜攻牙螺絲將四支「搖臂」固定到「工字形」支架下方。

5b. 使用伺服機所提供的螺絲,將四個伺服機與「搖臂」結合。注意在結合的過程中不要轉動到伺服機的軸,最後再使用所附的螺絲將其鎖緊。此時伺服機、搖臂、「工字形」支架的相對位置已固定,如果不小心轉動到伺服機,只要將它輕輕轉回即可。

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5c. 接著使用3M雙面膠,將伺服機以90度直角互相黏合。現在四隻腳已經可以前後、上下轉動了,八個自由度就完成了。

6.安裝平行結構腳

6a. 平行結構最主要的目的在保持足部與地面垂直,獲得較好的運動形式,同時分散伺服機輸出軸的力距到平行結構上,減少受損機率。

6b. 伺服機動力輸出軸當然是平行結構的支點,平行結構的另一個支點,則是使用長度1公分的塑膠柱鎖在伺服機的固定孔做為第二個支點,一般8g伺服機結構類似,應該都可以適用。

6c. 連桿部份目前的設計是使用塑膠螺絲,另一端則是連續鎖上二個螺帽,以固定螺帽位置以免螺帽鬆脫。如何將冰棒棍結合在一起,不能太緊導致轉動不易,又不能太鬆變得結構鬆散,就要靠調整這二個螺帽的位置了。

6d. 伺服機的「搖臂」則以2㎜攻牙螺絲鎖到平行結構上。

6e. 最後使用伺服機所提供的螺絲將平行結構鎖到伺服機上。注意在結合的過程中不要轉動到伺服機的軸。鎖緊「平行結構」腳之後,足部支架的相對位置已固定,如果不小心轉動到伺服機,只要將它輕輕轉回即可。其他三隻腳以相同的方式安裝之。

7.安裝SC8控制板

7a. 使用海綿雙面膠把SC8控制板固定在「工字形」支架上方。請注意,SC8控制板下緣的一排針腳就是輸出入腳的位置。由於最後會把感測器放到這裡,所以SC8控制板下緣應朝向前方,我們將它定義為「頭部」。SC8控制板可以控制最多八個伺服機,分別標示為CH0∼CH7。

7b.八個伺服機的依編號插至SC8控制板,插裝時並注意接頭顏色方向。安裝完成後線材凌亂可以使用束線帶整理。

NOTE:
SC8 (Servo Commander 8)的使用手冊:http://www.innovati.com.tw/website/down/html/?151.html

*鮑惟聖
擁有中原大學電機工程學士學位,利基應用科技(www.innovati.com.tw)的創辦人。多年來一直從事微處理器應用與系統工具的開發,並致力於推廣智慧型機器人科普教育。

更多:
仿生機器人──小怪獸(運用篇)
仿生機器人──小怪獸(升級篇)

本文原發表於《Make》國際中文版vol.03

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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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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

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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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鑑識故事系列:手錶會「記錄」死亡時間?!
胡中行_96
・2022/08/29 ・2476字 ・閱讀時間約 5 分鐘

時年 26 歲[1] 的 Caroline Dela Rose Nilsson 手腳被緊縛,[2] 嘴巴堵塞著,神色極度焦慮,[1]在自家的車道上呻吟。[3, 4] 鄰居見狀快速通報警察。[1]

事情發生在 2016 年 9 月 30 日,[4] 晚間 10 點 10 分,[1] 南澳阿德雷東北市郊的 Valley View 地區。[1, 3] Caroline 的三個孩子當時在家,他們分別為 1、3 和 5 歲;[2] 而她 57 歲的婆婆 Myrna Nilsson 早已被重擊致死,陳屍於洗衣間。[5] 稍後,員警在屋裡的走廊找到眼神渙散,面容哀戚的男孩;他的兩個姊妹則是面部朝下,趴在床上哭泣。員警讓孩子們同自己坐在警車裡,但卻什麼也問不出來。[5]

另一邊,當死者的兒子 Mark ,也就是 Caroline 的丈夫,得知母親死了。 Mark 詢問警方, Caroline 是否受傷,然後平靜地以實事求是的口吻說:「我不懂怎麼會有這種事情,您是說意外嗎?」由於警方不願意透漏細節,在完全不知道來龍去脈的情況下, Mark 又問是不是有人闖入家中。[5][註1]

澳洲國產霍登皮卡車的模型。圖/Andrew Bone on Flickr(CC BY 2.0

根據 Caroline 的說法,當天有 2、3 名開著皮卡車的男性,跟蹤她的婆婆 Myrna 回家。他們與 Myrna 在屋外爭執了約 20 分鐘,但殺害她的時候, Caroline 碰巧在關著門的廚房裡,所以什麼也沒聽到。[1] 這幾個「看起來像粗工」的人,後來也攻擊 Caroline 。[2, 5] 問題是,如果三個孩子徹頭徹尾都在屋裡,為何會安靜到沒被捲進來?

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檢方拿 3 個孩子的頭髮樣本,去做藥物檢測,其中 2 個結果顯示有Tramadol殘留。[2] 在澳洲屬於四級管制藥物的 Tramadol ,需要有處方籤才能取得,是一種會抑制呼吸且具有鎮定作用的止痛劑,一般不得施予 12 歲以下的兒童。[6] 更啟人疑竇的是,屋裡既沒有外人入侵的 DNA 證據,附近的鄰居也沒注意到一輛皮卡車進出。[7] 這令檢警不太採信 Caroline 的說辭。[1]

此外,負債澳幣 4,000 元(時值約新臺幣 10 萬元)的 Caroline ,每半個月還得跟丈夫共同支付婆婆 Myrna 澳幣 1,000 元的房租。[註2]相較之下,Myrna 經濟優渥,不僅擁有汽車,在澳洲和菲律賓置產,曾赴歐洲旅遊,還給年幼的孫子買車買房。Mark 是獨子,若 Myrna 過世,他們夫婦便可順勢繼承財產,謀財害命的動機充足。[8]

檢警因此把 Caroline 列為頭號嫌疑犯,卻始終沒有以謀殺罪名逮捕她。直到 2018 年 3 月,他們取得關鍵證據。[1]

蘋果智慧型手錶示意圖,非當事證物。圖/Adam Kovacs on Unsplash

Myrna Nilsson 慘遭殺害的時候,戴著一只蘋果智慧型手錶。[1]

從智慧型手錶判讀死亡時間

Myrna 的智慧錶記錄到她人生末了的重要數據:她在返抵自家的 47 秒內開始遭受猛烈攻擊,[4]其中有短短 39 秒的長度,出現 65 次倉皇的動作,然後她的心跳就停止了。時間約莫是傍晚 6 點 41、42 分。[2, 4] 15 分鐘後, Caroline 用手機傳訊息給丈夫,還留下在臉書和 eBay 的使用紀錄。[4] 從這個時間點到她的鄰居報案,中間相差三個小時。此情形讓 Caroline 的陳述顯得不合理,因而遭檢察官起訴。[3]

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從傳統手錶推測死亡時間

智慧型手錶進入人類生活已有一段時日,不過有些人仍然會戴其他類型的手錶。它們雖然不會追蹤使用者的生命徵象,但有時也能提供警方估計死亡時間的線索。以下是 2022 年《國際鑑識科學》(Forensic Science International)期刊,介紹的二個例子:

一名八旬老翁俯臥於公寓的地板上,毫無生命跡象。他最後一次被人看見還活著,已經是 5 天前的事情了,對縮小死亡時間範圍的幫助有限。死者左手戴著一只持續運作的自動機械錶,錶面顯示的時間準確無誤。此種手錶仰賴使用者手部的活動帶動發條。老翁戴的這款每次帶動之後,可以撐上 44 至 48 小時,而且它在警方展開調查後 18 小時才停止運轉。所以用 48 減掉 18 ,得知老翁或許在被發現前的 30 小時左右身亡。[9]

期刊介紹的另一起案件,死者右手戴的是太陽能石英錶。某年12月在丹麥的沼澤,有個獵人撞見一具屍骨。當下右手骨頭上的錶還在走,不過時間快了 1 小時,而日期則晚了 3 天。該國的日光節約通常始於 3 月,終於 10 月,也就是說死者的手錶在 10 月之後,沒有被調回標準時間。至於少掉的 3 天,則是因為 6、9 和 11 月都只有 30 天。若未手動跳過 31 日,手錶的日期就會在這段期間,每個月各晚 1 天。由此推估,死者可能是在 5 月 1 日到 6 月 30 日之間身亡。[9]

死亡時間與判決

死者配戴的各種手錶,留給警察辦案的線索。然而是否能破案,並將罪犯繩之以法,仍受到其他因素的影響。2016 年 Myrna Nilsson 被害身亡;2018 年她的媳婦 Caroline ,遭警方以智慧錶的紀錄為證據逮捕。[1] 2020 年在 8 週的審理後,陪審團無法達成共識。 2021 年又經歷 6 週的法律攻防, Caroline 最後被無罪釋放。[3] 而直至 2022 年的今天,警方仍未捕獲她口中,謀殺婆婆的那幾個粗工。

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備註

  1. 筆者找到的新聞資料,好像都沒有明確解釋,事發當下 Mark Nilsson 身在何處。
  2. 有一篇報導說 Caroline 跟 Mark 給婆婆房租,一家三代同堂,她卻連自己的房間也沒有。Caroline 得跟兩個女兒睡;兒子則是和婆婆同寢。該文沒提到 Mark 睡哪。[8]

參考資料

  1. Rebecca Opie. (29 MAR 2018) ‘Smartwatch data helped police make arrest in Adelaide murder case, court hears’. ABC News.
  2. Dillon M, Carter M. (13 DEC 2021) ‘Caroline Nilsson murder trial returns hung jury over death of mother-in-law captured on an Apple Watch’. ABC News.
  3. Mahalia Carter. (26 OCT 2021) ‘Caroline Nilsson found not guilty of murdering mother-in-law after smart watch case retrial’. ABC News.
  4. Kathryn Bermingham. (15 OCT 2020) ‘Prosecutors close case against woman charged with murdering her mother-in-law in 2016’. The Weekend Australian.
  5. Mahalia Carter. (13 DEC 2021) ‘Alleged murder victim’s son was ‘matter-of-fact’ when told of death, court hears.’ ABC News.
  6. APO-Tramadol’. (01 March 2022) NPS MedicineWise
  7. Rebecca Opie. (3 MAY 2018) ‘Son of alleged murder victim Myrna Nilsson urges court to release wife on bail’. ABC News.
  8. Meagan Dillon. (13 DEC 2021) ‘Alleged killer Caroline Dela Rose Nilsson had ‘no motive’ to kill, despite financial pressures, court hears.’ ABC News.
  9. Busch JR, Hansen SH. (2022) ‘The wristwatch – A supplemental tool for determining time of death’. Forensic Science International, 335, 111283.
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。

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大象你的鼻子怎麼伸得這麼長?因為多功能皮膚也能伸展!
Peggy Sha
・2022/08/24 ・1627字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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「大象~大象~你的鼻子怎麼那麼長?」

在象鼻皺皺的皮膚下面,隱藏著超強伸展力。 圖/envatoelements

喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)最新的研究發現,大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」,跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力,大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能,還能將象鼻伸得更長、更遠!

又硬又軟的萬用工具!象鼻究竟有多強?

象鼻實在是非常神奇的存在,它擁有超過四萬條肌肉,既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉,又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢?

神奇的象鼻,靈活地就像大象的手一樣。 圖/GIPHY

為了深入探索象鼻的秘密,研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園(Zoo Atlanta),設置了高速攝影機,紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下,軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣,是充滿肌肉的無骨組織。然而,它真正派上用場時,可一點兒也不像舌頭呢!透過鏡頭,研究人員發現:象鼻頂部底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時,象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面,就能發現外側的象鼻其實伸得更長!

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非洲象用象鼻拿取食物的過程。影/Georgia Tech College of Engineering

秘密就在皮膚裡!打開皺紋發揮伸展之力吧!

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢?秘密原來就藏在象鼻的皺褶中!研究團隊解剖了大象屍體,發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚,比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是,大象移動象鼻的方式,跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同,象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘,內部是固定的,而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此,大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔!

怎麼說呢?牠們運用象鼻時,會先探出頂端,然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉,不到萬不得已,絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群!學者們表示,大象之所以會這樣動,是因為象鼻前端部分的肌肉量較少,動起來也比較不費勁,而大象其實就跟人類一樣懶,當然是追求越省力越好囉!

在拿取東西時,象鼻會由前往後一節節伸展。圖/envatoelements

借我學一下啦!皺褶象皮竟能應用在機器人身上?

另一方面,象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬,能起到重要的保護作用。比如說,在關節部分,一般肌肉容易拉伸,甚至拉傷,但如果有了皺褶,則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

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這樣的保護力有什麼用呢?在未來,或許可以應用在仿生機器人身上喔!許多仿生機器人都會設計液壓系統,雖然十分靈活,但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚,不僅能提供更強大的保護力,也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

參考資料

  1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
  2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunkProceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
  3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
  4. 動物奇門功夫.象鼻神奇構造
Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。