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驚奇科學:鋼鐵人的盔甲

活躍星系核_96
・2012/06/14 ・2865字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

作者/Ryan Haupt

想知道鋼鐵人盔甲的科學真相嗎?讓我們看下去!

驚奇漫畫一直以來都主打科學英雄,我們深以為傲;大部分英雄都來自科學意外或者是他們各自的實驗創舉。東尼史達克(Tony Stark)就是這樣的一個人才,而我們為了檢視他的真確性,非常榮幸地請到一位人很好的科學家為大家抽絲剝繭。

Ryan Haupt 是加州大學聖塔克魯茲分校 UCSC 的雙料理學士,主攻環境地質學與生態演化生物學,並即將前往范德堡大學攻下另一個古生物學碩士學位。目前他正研究多個不同的題目,從穩定同位素地球化學、哺乳類古生物學、到古海洋氣候學等等。他與其他大學時的朋友共同主持一個廣播節目「科學…大概吧」(Science… sort of),談論科學及科學宅的甘苦。他偶爾會跟超兇猛的海象打架……以科學之名。

盔甲

第一個要對付的當然是鋼鐵人盔甲本身。光是盔甲即包含了諸多細節、關鍵,如飛行、操作介面、武器等等。這結構是許多好玩東西的基礎,要是沒有它,就沒得玩啦!記住這原則,讓我們(以現下科技所允許的程度)來瞧瞧這盔甲。

材質

這套裝真是用鐵做的嗎?嗯,非也,因為鐵其實密度很高、很沉,會生鏽,而且比某些同樣含鐵的合金還不堅固(舉例:鋼)。漫畫裡,在洞穴裡做的第一個版本大概含有鐵,不然至少有一些含鐵的零件。所以完全不意外這材質一回到實驗室後就立刻被拋棄。像鐵這種活性高的金屬,鋼鐵人誕生不到一年就決定不再使用了,這大約是六零年代時。所以,東尼史達克到底是用了什麼呢?

幾乎可以確定是多種材質的組合。鈦合金、鎳鈦合金(又稱鎳鈦諾)是一般公認的最佳解,原因在於,即使它已非最新科技,仍然非常特別。這種合金很硬但很輕(以金屬而言)、非常抗熱、而且會復原。你沒聽錯……會復原、類似復原。鎳鈦諾在某個高溫點會變形,接著再超過一個特定的「轉變溫度」(transformation temperature)後就會還原成原本的形狀。試想東尼史達克要修理彈痕累累的盔甲時,這性質有多重要!方便至極!

值得一提的材料也包括碳─碳複合材質,這是一種強化碳纖維,非常堅硬、易碎,而其耐熱程度超乎想像!你知道嗎?太空梭的鼻錐在重返大氣層時必須承受超過華氏 2300 度的高溫,而這部分就是使用碳─碳複合材質。東尼的火箭相信是挺高溫的,所以他可能在某處就使用了碳─碳複合材質。

最後但頗值得一提的材料是單晶鈦(single-crystal titanium),完全是走在科技的最前端,連維基百科上都還沒這條目(也就是說,你要是對朋友提起,他們搞不好會覺得你蠻酷的)!根據一位工作於軍事工業製造商諾斯洛普.格鲁門公司的太空工程暨壓力分析師雅各.史頓(Jacob Stump)所言,這是一種特製的鈦,能減少瑕疵的數量,比起其他種類的鈦還要堅硬許多,也開始用於軍事戰機引擎這個易受鳥擊的地方。所幸東尼並沒有撞到任何鳥類,如果真的撞到了,這種材料也能承受得住。

能源

有人可能認為要有真正的鋼鐵人裝的主要限制,是一個充足的供能來源。東尼胸中的反應器對真實世界的邏輯而言亦是一個科學魔法。我們可能就是得接受他有個電子甜甜圈會供給他無限的能量,是吧?不,讓你瞠目結舌的是……踏噠!魔法科學甜甜圈是存在的,算是存在啦。瞧瞧環磁機(Tokamak,又稱托卡馬克)這個冷戰時代的反應爐吧(請見:一篇關於環式系統中電漿圍束的概述文章)。雖然這不是個很好的類比,但我們還是可以說「東尼是個天才,因此他讓它運作了。」

有一種環磁機(托卡馬克)透過其構造,一個內含少量離子的環狀真空室,在外繞線圈產生螺旋磁場而產能。史氏企業的弧形反應器即貌似為這類型環磁機的美國版本。尺寸顯然是個問題,但現實中亦有桌上型的環磁機原型存在。俄巴斯塔(Obadiah Stane)就曾在《鋼鐵人》電影中讚嘆過,縮減是史氏企業的獨門絕活。

這個反應器非常符合鋼鐵人,因為它包含了許多該有的功能。它產能超強,有使用磁場概念,並形若甜甜圈。若這還沒有說服你的話,他另外還使用電漿概念。當小辣椒(Pepper)一邊幫助東尼轉換洞穴模型成 Mark III、一邊抱怨的時候,曾讓東尼糾正過,「這是無機的血漿排放。」

在《鋼鐵人》中,東尼史達克在洞穴中製作適合胸腔尺寸的弧形反應器時,花了好些力氣從導彈中取出鈀。這可能是一個必要的反應器組成成分,因為理論上,鈀是少數有潛力可作為室溫下超導體的元素之一。由於電子在金屬/半金屬中的流動方式,現代的超導體必須處於超低溫中。那為何史達克必須弄一個超導體到他的胸腔去?嗯,因為超導體能夠製造出現存方法中最強的電磁鐵,這對於某些必須在胸腔中裝電漿的人來說非常有用。若你將一些極不穩定的東西放在你心臟的隔壁,你一定會設法讓它好好地待著吧。更別忘了,磁鐵還負責另一項功能:不讓彈藥碎片靠近心臟,所以 B 值越大越好(B 是物理學中磁場的代號)。透過超導體來製造磁場很像是在升火,得花很多力氣升火,但升起之後,只要偶爾丟一點木頭進去繼續燒就好。而這讓每次飛行都會產生很多餿水得處理,但容我稍後再提。

電漿不可能突然從石頭裡迸出來,這是一種氣體的狀態,當氣體在加熱的過程中,電子從元素上被扒下來,使得元素成為次於原子的離子。由於其為離子化的狀態,便可以透過磁場來輕鬆控制。在你提問之前,是的,它在你的電漿電視裡面。太陽也是另一個你很熟悉的好例子。太陽透過核融合來運作(剛剛不是才說東尼有使用核融合嗎?所有事情都是有所連結的!),而用於核融合最容易但最有效的元素就是氫。它對太陽管用,對鋼鐵人也管用。兩個氫融合成氦加上一些廢物和能量。事實上,是很多能量。這樣就合理了,東尼的鋼鐵人裝具有能量,而且能量就包含在內。東尼是如何得到氫、又是如何處理產物氦,則是另一篇將要談的文章主題。

現實生活中的強化裝

若你想要在真實世界裡面找到接近鋼鐵人裝的事物,必須先朝驚奇漫畫裡面另一個更不可思議角色的方向去尋求。若你看得懂國語的話,那你一定知道我們是在討論浩克,或者應該說浩柯(HULC)。洛克希德.馬丁公司(如果我們的世界存在史達克企業,那就是他們了)就做出了一個人類通用載具(Human Universal Load Carrier)(但總覺得他們是先想出縮寫後才做出產品的)。

將這個稱作「裝」有點太慷慨了。它看來比較像是一些能夠強化四肢的框架,但還是蠻酷的。它完全不能跟東尼史達克的鋼鐵人裝作比較;事實上,它主要的特色是幫助士兵長途搬運重物而不失去戰鬥能力。

從一些網路上查到的研究成果可以知道,還有一些類似鋼鐵人裝的產品正在製成當中,而浩柯是當中唯一可運作的實體。不幸的是,我們跟東尼史達克差的可遠了,但管他的,這些理論上都辦的到。而鋼鐵人要如何飛行呢?我們下周同一時間再見。

致謝

這篇文章若沒有一群了不起的特殊領域科學人才,我是寫不出來的(就是那些我大一一遇到就很娘娘腔地尖叫逃離的神的領域)。我一定要感謝 Ben Tippett(University of New Brunswick)、David Tsang (CalTech)以及 Jacob Stump(Embry-Riddle Aeronautical University),若不是靠他們對於驚奇小宇宙的熱情,以及他們不得了的知識背景,我是絕無可能辦到的。非常感謝您們。任何我粗心未提及的人們,也十分感謝您。

原文出處:Marvel Science: Iron Man’s Armor—marvel.com [2010-04-15]

譯者:黃艾文

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》