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太空單程票多少錢?衛星如何與地面熱線?關於福衛七號的幾個問與答

Suzuki
・2019/06/24 ・1804字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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6 月 25 日六顆福爾摩沙衛星七號將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭,前往太空接替老兵福衛三號,成為「太空中精準溫度計2.0」。關於福衛七號與台灣的其他衛星,你是不是還有一些疑問呢?

關於福衛七號的太空單程票

福七的太空出差行,要搭哪一台火箭?太空單程票多少錢?

福七將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭(Falcon Heavy)升空,獵鷹重型火箭的起飛推力相當於 18 架波音 747 飛機,能夠有效負載 63.8 公噸到 2000 公里以下近地軌道(LEO)。

獵鷹重型火箭。圖/flicker

根據 SpaceX 官網指出,2018 年獵鷹重型火箭發射到 35,786 公里左右地球同步軌道(8.0 mT GEO),大約需要 9000 萬美金(約 28 億台幣)。不過福七是台美合作計畫,是由美國負責送上太空,且同部火箭上還有其他 18 顆衛星、任務軌道也比較低,因此詳細費用不大確定。

福七座位如何安排?跟哪些乘客一起安排升空呢?

太空中心方振洲博士表示,六顆福七將與 18 顆衛星一齊飛向太空。獵鷹重型火箭的衛星座艙有四層彈射機構,福七六顆衛星中有兩顆坐在第二層、四顆坐在第三層,美國空軍研究實驗室 DSX 任務衛星體積最大獨佔第一層,其餘較小型的任務衛星 GPIM 、Oculus-ASR 、OTB、NPSAT-1、Prox 1 雙星計畫(會彈出小的光帆 B衛星)及 11 顆小型立方衛星(10cm x 10cm x 10cm)則在最接近底部的第四層。

想知道它們的來頭請見:《與福衛七號共乘火箭的衛星同伴們

搭多久才到呢?下火箭要做什麼事情?過海關嗎?

太空中心預估火箭發射後 91 分鐘,福衛七號跟火箭脫離。福七操作指揮官蕭文宗表示,為了避免衛星撞在一起,火箭會依序將每顆衛星從不同位置、施以不同力量拋出來,衛星就會從火箭「翻滾」出來。

衛星到太空第一件事,就是開機並穩定它的轉動量,醒神會展開太陽能板鎖定太陽位置,並切換到安全模態,確保自己的電量足夠、儀器溫度正常,大約飛行 6 個小時經過台灣地面站,接收操控人員的指令。

福衛七號上空還不夠,要就定位才行

操控中心要怎麼跟衛星熱線呢?

福七升空後每顆每天預計會經過台灣 6 次,但每次衛星操控中心與它們的通話時間僅有 6-12 分鐘。福七很像過著軍旅生活,僅能在固定時間接電話。

為了能有效連線、傳遞資料,衛星操控中心有兩件重要的任務,一是預測衛星的飛行軌道;二是編寫衛星動作的指令集。

蕭文宗表示,地球非均勻的重力場,衛星在軌道上會飄移,所以操控人員必須事先做衛星的軌道預測,得知衛星通過地面站的時間,事先將地面天線轉到衛星從水平面出現的方位角,等待衛星出現,並跟著衛星移動,確保收到最強的訊號。

衛星大多數是聽令行事,因此操控人員會事先編寫一連串的指令集,如:要求衛星在特定時間打開發射機、傳遞資料等,而當衛星發生設備故障時,地面人員也會傳解決方式給它。

福七多久才能部署完成星系呢?

剛開始六顆衛星會在同個軌道上,但這樣會讓福七的觀測範圍縮小,因此福七要從 720 公里軌道調降,第一顆衛星會先下降到 550 公里的任務軌道高度,受地球橢圓重力場影響下,位在 720 公里衛星運行速度較快,會與 550 公里軌道面產生速度差,每天兩個軌道會產生 0.55 度的偏移,可利用這個偏移所拉開的角度來將六顆衛星從同個軌道面散開。

福七部署完成樣貌。圖/太空中心提供

太空中心表示,六顆衛星分別分開 60、120、180、240、300 度預計要 15 個月,再加上前四週在衛星在健檢,推估要 19 個月才能完成衛星的星系部署。

關於福衛三號和其他

福三和福七為何要六顆,但福二和五都只有一顆呢?

福二與福五是光學遙測衛星,主要是拍攝地表影像,但由於遙測衛星價格昂貴,加上取像時間的即時性要求不高,一顆衛星即能達成任務需求。相較之下,氣象預報要求即時資料,所以福三與福七作為氣象觀測衛星,以六顆作為衛星星系的部署較合適。

福三退休後,會去哪裡呢?

福三僅剩下一兩顆還能回應操控中心的操作訊號,退休後的福三將跟福一、福二衛星一樣繼續在太空遨遊,然後逐步下降至大氣層。方振洲表示,這些衛星都會在 25 年的太空垃圾定義時間內會自動燒毀在大氣層裡,而根據 STK 的軌道專家模擬,福三若在今年 4 月除役,推估會在 2025 年 6 月跟大家說再見。

福三預計會在2025年壽終正寢(圖片提供:太空中心)。
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Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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喂?喂?你有聽到嗎?去除訊號死角怎麼這麼難!——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/14 ・2371字 ・閱讀時間約 4 分鐘

不斷掉入收訊黑洞

在德國高速列車 ICE 上從柏林(Berlin)打電話到科隆(Köln):「喂?喂??(快速地查看了一下手機)……我快到柏林了,可能很快就會經過了……喂?……你剛離開(把手機貼在耳朵上)……喂?……(聲音變大了)……列車停靠下一站的時候我再打給你,好嗎?」

雖然高速列車 ICE 上接聽手機的專用區域已經加裝了增強手機收訊的強波器,但這種狀況仍然不斷發生,讓人覺得這段車程有夠累人,尤其是擔心斷訊時,還會不自覺地加大聲量。大聲說話當然沒用,但我們還是會這樣。讓人在全國各地都能接聽手機到有什麼難的呢?為什麼在某些地區,我們每隔幾公里就會掉進收訊黑洞,要怎麼改善這種狀況呢?

我們對這個議題的興趣是在德國下巴伐利亞地區(Niederbayern)某場研討會上被引出來的,已經忘了會議主題是什麼,不過休息時間發生的事我們還是記得很清楚。

有一群人跳起來興奮地揮舞雙手,跑來跑去開心極了,直到有人喊了一聲:「有了!」然後所有人衝到他旁邊擠在一起,像是在小孩生日派對上玩搶椅子遊戲,不過這群人想要的不是椅子,而是更珍貴的東西:手機訊號

每次自由活動時間或晚上到山上散步,只剩「德國電信」(Deutsche Telekom)的通訊用戶手機還有訊號時,會讓人心情變得更煩躁。

走來走去,卻到處都沒有訊號。 圖/GIPHY

前文中提到的每個人似乎都有個故事好說。德國的通訊網絡就像一塊充滿孔洞的乳酪,似乎到處都有訊號死角。在國際行動網路報告權威機構「打開訊號」公司(Opensignal)的一項研究中,調查了用戶使用手機通訊的體驗,德國在 100 個國家中,排行第 50 名,落後於印尼和位於中亞的吉爾吉斯坦共和國(Kyrgyzstan)。

鄉下地方的訊號特別不穩,但柏林中部地區也是,顯然這裡有個 4G 黑洞。據傳有位部長說自己不會在車上與外國同僚講電話,因為要是一直斷訊,那就太尷尬了。

現在還不清楚這個問題到底影響有多大,因為「死角」沒有科學定義。是有些路上沒訊號就算嗎?還是要整個地區都沒有呢?那麼「德國電信」的用戶有訊號,但「沃達豐」(Vodafone)電信公司的用戶沒訊號的地區,又怎麼算呢?

不過有一點很清楚,在德國光用手機講電話就不順暢了,更別說上網。畢竟,我們不只希望打電話時不斷訊,還想要開視訊會議,理想狀況下,啟動自動駕駛的汽車應該要能透過網路聯繫其他自動駕駛的汽車才對。這在技術上可行嗎?

訊號的傳輸暗藏著物理技巧

看看打電話時會發生什麼事。當你打電話給某人時,你的手機會發出電磁波,它們會在空中散開尋找下一個輸電桿,「基地臺」就是聚集這種接收手機訊號輸電桿的小區域。當我們從柏林搭火車到科隆時,主掌手機訊號傳輸的基地臺會從這個移到另一個。你的手機訊號會透過定向無線電(Directional Radio)或電纜轉發給在辦公室同事、在家的孩子,或者你是一名政治家,訊號會轉發給你外國的部長級同僚。

我們家孩子曾經試圖尋找這種天線,他們尋找時,腦中想的是必須安裝在屋子某處的那種典型細天線,或是俗稱小耳朵的碟型衛星訊號接收器。不過手機天線不是長那樣,它更像是一根連著整串怪異灰色長方形盒子的粗壯金屬棒,這種形狀是特意配合天線必須為長條形所塑造的,其中暗含著物理技巧。每個盒子裡接連安放著幾個同款發射器,如果只用到一個發射器,訊號會向各個方向均勻發散,也就是向上、向下和向左右周圍,有點像是發光的燈泡。但大家通常不想要向上和向下的訊號,尤其是住家就在發射下方時。

圖/商周出版

工程師會面臨一個問題:要如何控制訊號盡可能向前發射,而非朝其他方向發散?以燈泡為例,是用燈罩來解決燈光散射的問題,只讓光線投射到需要的方向。無線電天線很難做到這一點,但有一種簡單卻讓人激賞的物理方法可以控制發射方向:讓幾個發射器彼此發射無線電波,以便互相控制。

這就是基地臺上的無線電天線桿會重疊裝載數個天線的原因,這樣它們發射出來的無線電波就會交疊。如果將這些天線對齊,與地面平行的橫向電波會增強,波峰和波谷則弱化或甚至相互抵消,並以這種方式將訊號傳輸至發射器另一端的目的地。在沒有山脈、樹木、或房子等任何障礙物的情形下,這種平行於地面傳播的方式,可以將訊號傳送到很遠的地方,至少在德國離岸 30 公里的地方通常都還能講電話。

圖/商周出版

現在我們當然想要找到自己的無線電天線桿,下一個天線桿可能在住家公寓附近的什麼地方呢?我們在去商店購物的路上和散步的路途中朝上張望,看起來可能很像個傻子。我們懷疑天線在住家西邊,因為位居東邊的客廳訊號總是最差。一開始,我們什麼也沒找到,所以上網搜尋最近的手機基地臺。終於找到了!在德國聯邦網路局(Bundesnetzagentur)的網站上,可以準確看到基地臺分布情況(我們對分布圖的詳細程度感到非常驚訝)。

在這個網站,不僅可以看到通常安裝在大型建築物上的大型天線位置,還有其他小型基地臺(Small Cell),這些小型基地臺安裝的是較小的天線,通常位於人潮眾多的地方,例如展覽廳或市中心。結合 Google 街景地圖,就可以輕鬆查看負責你手機訊號的基地臺所在位置。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

商周出版_96
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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

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研之有物│中央研究院_96
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