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超巨大機器人科學嗎?那我們來說說《重甲機神》到底有多重|重甲科不科?04

PanSci_96
・2019/11/26 ・2304字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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大家有沒有想過,為什麼我們人類的身高,大致上就是一公尺多到兩公尺,體重就是幾十到百來公斤?在各種神話、傳說、科幻、奇幻故事裡面,以同樣比例與型態巨大化或微小化的人類,有可能存在嗎?

像「重甲機神Baryon」這樣的巨大人形機器人的設定,合乎物理學嗎?

這個問題早在四百多年前,有「現代科學之父」的物理大師伽利略就已經在他的「兩個新科學之間的對話」(Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences)中討論過。

伽利略以及其著作「兩個新科學的對話」。圖/維基百科

簡單的說,當動物等比例放大時,若「長度」(如身長)增加為10倍,則體積會變成10的三次方,也就是1000倍,由於構成身體的成分大致不變,密度應該相同,所以體重也會變成1000倍。

然而動物是以骨骼與肌肉來支撐自身的體重,最主要的是大腿骨。骨骼的支撐力又與其截面積成正比,長度增加10倍,骨骼截面積乃至於支撐力將只會增加100倍,結論是如果是「等比例放大」的話,動物的身體強度將無法支撐自身的體重,所以我們看到現存體型較巨大的動物,如大象,骨骼變粗的程度必須大於變長的程度,也就是大型動物的體型比例會比較「粗、短」,這種現象稱為「異速生長」(allometry)。

體重可達數噸的大象(左)與體重約三公斤斑尾虎鼬(右)的骨骼,型態上有不少相似之處,但是比例上大象的骨骼(尤其是大腿骨)必須比鼬鼠粗壯很多,不能以等比例放大。

所以如果人要變成「巨人」,身體的比例與構造又不變的話,是會被多出來的體重壓垮的,硬要「變身」的話,有兩個選擇,一個是要變成矮胖體型,增加各種身體構造的截面積,另一個就是像「進擊的巨人」裡面的50公尺的超大巨人一樣,密度極低,所以體重沒有以身高的三次方成長,不會還沒去爬牆就先自己把自己給壓垮了。

生物的世界中大體上要符合上述的「平方、立方法則」,不過純粹是「人造物」的巨大機器人又是如何呢?讓我們先來看看「先聖先賢」們的例子。首先當然就是從「人類坐在體內駕駛的巨大機器人」的老祖宗「無敵鐵金剛」開始囉!

指揮艇——組合。圖/imdb

無敵鐵金剛的身高18公尺,大約是一個相當高大的成年人的十倍,先假設這個人體重80公斤好了。因為鐵金剛是「人形」機器人,所以就當它是個等比例放大十倍的人類,體積就是人類的1000倍,如果鐵金剛是跟人類一樣的血肉之軀的話,體重就會是80公噸。無敵鐵金剛有「黑鋼之城」的鋼鐵軀體,應該比人類重吧!

剛好相反,根據官方設定資料,鐵金剛的體重只有20公噸,換算成密度(每單位體積的質量),只有人體的1/4,人體與水密度相仿(1 g/cm3),所以把人丟進水裡會是「載浮載沈」,這麼一算,無敵鐵金剛的密度只有0.25 g/cm3,跟軟木塞差不多,以後乾脆改稱「無敵軟木塞金剛」好了!

當然材質輕盈也有很多好處,動作可以比較靈活快速,不過根據物理學中的碰撞理論,它的招牌攻擊絕招「金剛飛拳」,或是直接用身體衝撞,就會因為質量不足而威力大打折扣了!

算完密度,軟木塞危機在心中揮之不去。圖/imdb

如果看近一點的作品,而且是跟重甲機神一樣在水中戰鬥的巨大機器人,那當然非《環太平洋》中的「吉普賽危機」(Gipsy Danger)莫屬了。

吉普賽危機身高79公尺,體重1980公噸,一算密度,0.29 g/cm3 挖咧又是個軟木塞!這些做巨大機器人作品的人,是有多愛軟木塞啊!密度這麼低要怎麼沈入海底戰鬥呢?這就要有模仿潛水艇的機制了,機體內部必須有71% 以上的體積是「空的」,可以注入海水,就能讓整體密度高於水而下沈了。

為了避免重甲機神變成另外一個軟木塞,我們在決定了身高是80公尺之後,不是先訂體重,而是先決定密度。最佳的參考對象,當然就是現役的潛水艇了。

既然有前車之鑑,我們決定把最佳的參考對象改為潛水艇。

以美國的「俄亥俄級」核子潛艦來說,全長170公尺,潛航深度240公尺,水上排水量為16,764噸,潛航排水量為18,750噸。由物理學中的浮力原理「潛航潛艦所受浮力=潛艦體積×海水密度(1.03 g/cm3)」可知,潛艦的總體積約為18204立方公尺。另一方面,「浮於水面上之潛艦所受浮力=潛艦本體重量」,即為16,764噸,所以俄亥俄級潛艦的密度為0.92 g/cm3。以此為參考基準,我們將重甲機神密度訂為0.92 g/cm3

俄亥俄級核子潛艦的初號機「俄亥俄號」,可搭載24枚「三叉戟I型」彈道飛彈,每顆飛彈可以攜帶6個核彈頭,可說是毀滅性的武器,也因此成為冷戰時期為背景的軍事電影中的常客,例如東尼‧史考特導演,丹佐‧華盛頓主演的《赤色風暴》(Crimson Tide, 1995)與詹姆斯‧卡麥隆執導,艾德‧哈里斯主演的《無底洞》(Abyss, 1989)都有登場。

又高又帥的重甲機神Baryon,身高80公尺,體重達6500公噸,這次不會變成軟木塞了喔!

我們還是以一個身高180公分,體重80公斤的人放大來看,由於人體密度大約與水相等,所以此人的體積為80公升。重甲機神身高80公尺,為人類的44.4倍,體積為44.4的三次方,也就是8萬8千多倍,約為7000立方公尺,乘上密度0.92 g/cm3,故體重為6500公噸,內部的空間至少要能注水超過500公噸,就能讓密度比水還高而往下沈。

透過注水量的調節,就可以讓重甲機神自由自在的浮出水面或沈入海底了。當然,在機械的設計上就要有相關的「注水—排水」裝置,變得更複雜了,以後如果要公布內部構造的設定圖的話,設計師可要多花一番腦筋囉!

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PanSci_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理
Evelyn 食品技師_96
・2022/09/25 ・3649字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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你喝過燕麥奶了嗎?相信很多人第一時間都會想到 Oatly,它原先流行於歐美咖啡界,後來因全球興起植物性飲食,加上具有健康、永續等訴求,使得燕麥奶的風潮也迅速吹進臺灣來。

燕麥奶背後代表的健康與永續等訴求,讓風潮在這幾年間快速傳開。 圖/GIPHY

現在知名連鎖咖啡店星巴克與 Cama 的燕麥奶拿鐵皆使用 Oatly 製作;路易莎與 85 度 c 則採用愛之味研發的咖啡師燕麥奶;後來連鎖超商的現煮咖啡也紛紛跟進,如今「燕麥奶拿鐵」已成為咖啡廳菜單上必喝的飲品之一。

但是你有沒有想過,充滿膳食纖維的燕麥,做成飲料感覺應該是口感稠厚,並且有顆粒和渣渣感,然而這個新型態的植物飲品燕麥奶,喝起來卻有如牛奶一般,具有微甜、絲滑的口感,到底是如何辦到的呢?

燕麥有多營養?內含 β-葡聚醣幫助保健

那麼就先從「燕麥」這個原料開始談起。

燕麥(Avena sativa L.),因其果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀而得名,為溫帶地區一年生的作物[1]

燕麥果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀。圖 / 參考資料 1

燕麥穀粒結構一般可簡單分成胚芽(germ)、胚乳(endosperm)及麩皮(bran)三個部分,胚乳主要成分是碳水化合物與蛋白質,也是製造成燕麥奶最主要的來源;纖維主要存在於麩皮;而礦物質及維生素多存在於胚芽及麩皮中[2]

燕麥營養價值高,為蛋白質和膳食纖維的良好來源,其蛋白質含量約為 15-20%,燕麥球蛋白(avenalin)是最主要的蛋白質(約佔 70-80%),在穀類中被視為優良蛋白質的來源之一[3]

而 β-葡聚醣( β-glucan)是燕麥最具保健功效的水溶性膳食纖維,在遇水後會膨脹,形成人體無法吸收的膠狀體。故可延緩食物消化吸收的速度,延長飽足感,也具有降低血液中的低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein-cholesterol ; LDL-C)與血糖含量等益處[4]

燕麥穀粒結構。 圖 / 參考資料 3

改善燕麥糊化後變稠的關鍵——酵素水解

燕麥的主要由澱粉組成,具有高溶脹(high-swelling)的特性,在加熱過程中會快速吸水膨潤,於攝氏 44.7-73.7 度間(糊化溫度)糊化產生高黏稠性米白色漿體,甚至可達到如凝膠狀態的稠度[2]

這樣不但限制燕麥的添加比例,也增加製造過程中的操作與清洗難度。為了讓它保持流動性,有一道「酵素水解」的程序(酵素又稱為酶),可將澱粉分解成小分子以提升流動性,在加工過程中就能夠順利流動[2]

延伸閱讀:烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用

而燕麥因澱粉含量高,需使用澱粉酶(amylase)進行水解,一般廣泛應用於澱粉水解的酵素有兩種,為 α-澱粉酶與 β-澱粉酶。

α-澱粉酶(α-amylase)是一種內切型葡萄糖苷酶,可任意切斷 α-1,4 糖苷鍵(glycosidic bond),生成大小不一的分子,包括直鏈和支鏈寡糖、麥芽糖、葡萄糖及糊精等產物,因反應完後產物黏度會急劇下降,故又稱「澱粉液化酶」。

β-澱粉酶(β-amylase為外切型葡萄糖苷酶,從澱粉的非還原端逐次以一分子麥芽糖為單位,切斷 α-1,4 糖苷鍵,產物為麥芽糖、少量糊精或葡萄糖,因此又稱「澱粉糖化酶」[5]

另外有研究指出,燕麥在水解過程中若單一使用 α-澱粉酶或 β-澱粉酶,無法使燕麥水解液兼具黏度降低與產生麥芽糖的優點,兩者混合使用的效果最佳[2]

微甜又絲滑的燕麥奶是怎麼來的?

既然澱粉酶是製造燕麥奶的關鍵,那到底是如何加工的?

首先,將燕麥加水浸泡軟化,研磨成燕麥漿,接著升溫至澱粉酶適合的作用溫度,加入澱粉酶進行水解。燕麥漿會從濃稠狀逐漸轉變為流動狀,並產生許多麥芽糖或少量葡萄糖等,甜度也會因此而提高。

水解結束後,將燕麥漿加熱至攝氏 90 度以上使澱粉酶失去活性(即蛋白質變性),然後進行過濾,去除無法水解的纖維和殘渣,獲得澄清的米白色液體,為燕麥水解液[2]

再將燕麥水解液與水、植物油、食鹽、磷酸鹽類或是其他營養成分混合,例如:可添加碳酸鈣,彌補燕麥奶缺乏鈣質的缺點;添加膠體以提升飲品穩定性;或是添加香料來增添風味。

將上述原料混合後進行均質(homogenization)[注 1],形成質地穩定的飲品,這樣就完成微甜(來自麥芽糖或葡萄糖等)又絲滑(來自植物油)的燕麥奶,即可進行殺菌、包裝來販售囉!

如此一來,我們熟悉的好喝燕麥奶就完成了。 圖/envato.elements

β-葡聚醣不見後,燕麥奶又為什麼能打成奶泡?

然而這樣的加工方式有個遺憾的缺點,那就是在後段進行過濾去除殘渣時,容易造成 β-葡聚醣損失。

因 β-葡聚醣大部分存在於大粒徑的殘渣中(麩皮),這些殘渣多為不溶性膳食纖維,故不會被澱粉酶水解[2],所以若想要補充 β-葡聚醣,建議直接沖泡燕麥片來食用會較容易達到保健的效果。

此外,燕麥奶之所以能打成綿密的奶泡,是因為燕麥含有的「蛋白質」具有起泡性。

燕麥奶打入空氣後,蛋白質展開,吸附到氣體與液體之界面處包住氣泡,蛋白質的疏水端隨之移動到氣泡內,親水端則移到氣泡外,與液體相互作用形成液體膜層,氣泡就被這個膜保留住,形成綿密的奶泡。

而起泡性會受到 pH 值、離子強度和糖質種類的影響,一般而言,添加鹼性材料可增加泡沫體積;添加糖質可增加泡沫安定性[5]

故一般市售燕麥奶均會添加磷酸鹽類(鹼性材料);糖質來自燕麥水解液本身的產物,即麥芽糖或葡萄糖等,就不需再額外添加。

燕麥奶本身含有的蛋白質,與添加磷酸鹽類,都可以幫助燕麥奶打出綿密的奶泡。(本圖僅供示範,請勿浪費食物!) 圖/GIPHY

為什麼燕麥奶的成份表沒有標出「酵素」?

不過,仔細看市面上燕麥奶的成份標示,似乎都沒有標出「酵素」或「澱粉酶」等字樣,依《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》,酵素屬於食品添加物[注 2],不是應該要標示出來嗎?

因為法規特別規定,食品添加物若在食品加工製造使用,在終產品完成前,經過中和、去除或以其他方法使其失去活性,對終產品無功能者,得免予標示[注 3]

上述分享了這麼多燕麥奶的小知識,是因為隨著友善環境與健康意識的抬頭,植物基產品已成為現代人的食尚新選擇,而「燕麥奶」便是新型態植物基飲品的最佳代表。

燕麥奶不但能打發出綿密細緻的奶泡,適合搭配咖啡或茶,最近還發展出更多元的料理方式,像是製作成燕麥奶吐司、燕麥奶甜點,甚至還能入菜,做成燉飯或是燕麥奶火鍋等,提供素食者更多友善低負擔的美味餐點[8]

相信未來會有愈來愈多人來一同響應這股蔬食趨勢,甚至成為新的飲食型態。

相信未來會有愈來愈多人喜歡上這股新形態的飲食風潮。  圖/GIPHY

註解

1. 均質(homogenization),利用高壓所產生的剪切力,將大小不一的脂肪球撞碎成大小均一且細小的脂肪球,使脂肪球能均勻散佈在水中,形成穩定且均勻飲品,才不會產生油水分離的現象。

2. 酵素在《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》中,被歸於第 (十七) 其他類別的食品添加物[6]

3. 食品安全衛生管理法施行細則第九條第二項指出,食品添加物若對終產品無功能者,得免標示之[7]

參考資料

1. 莊溪,2000。燕麥。認識植物。

2. 陳愉婷,2020。燕麥應用於植物性飲品之研究開發。食品工業 52:07,49-54。

3. Chu, Y. and Blatner, D. J. 2016. The Whole Grain Picture: Sharing the Science Behind Oats. International Journal of Food Science and Nutrition 1: 6 1-10.

4. Deswal, A., Deora, N. S. and Mishra, H. N. 2013. Optimization of Enzymatic Production Process of Oat Milk Using Response Surface Methodology. Food and Bioprocess Technology 10.1007/s11947-013-1144-2

5. 顏國欽,2020。最新食品化學。臺中市:華格那出版有限公司。

6. 食品藥物管理署,2022。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。衛生福利部。

7. 食品藥物管理署,2017。食品安全衛生管理法施行細則。衛生福利部。
8. 經濟日報 新聞部編輯中心,2021。台灣首發「燕麥奶入菜」 美味復「蔬」計劃正式啟動。聯合報系。

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Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確知識!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁喔!https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421