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【快訊】生命密碼的剪刀手!CRISPR/Cas9──2020 諾貝爾化學獎

PanSci_96
・2020/10/07 ・1621字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 603 ・九年級

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2020 年的諾貝爾化學獎由 Emmanuelle Charpentier 與 Jennifer A. Doudna 共同獲得,她們開發出了嶄新的基因編輯療法,開啟了新的里程碑。

基因的剪刀!喀擦!改寫生命密碼

Emmanuelle Charpentier 與 Jennifer A. Doudna 開發出了非常厲害的工具:基因剪刀──CRISPR/Cas9。藉由 CRISPR/Cas9,研究人員可以用非常精準的方式改變動物、植物以及微生物的基因。這項技術在生物科學領域具有劃時代的意義,有助於開發新的癌症療法,也為遺傳性疾病的治療開啟了新的一扇窗。

研究者可以透過改變基因來了解生命的秘密,但在過去,要改變基因是非常耗時費力且困難的。而利用 CRISPR/Cas9,我們只要幾個禮拜就可以改寫重要的基因遺傳訊息。

利用 CRISPR/Cas9,我們只要幾個禮拜就可以改寫重要的基因遺傳訊息。圖/諾貝爾獎官網

諾貝爾化學委員會主席 Claes Gustafsson 表示:「這項基因工具有著非常強大的力量,可以說是影響了所有人類,它不僅是基礎科學的一大進展,也培育出新的作物與創新的醫療方式。」

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怎麼找到剪刀的?一場美麗的意外

就如同許多科學發現一樣,這把厲害的剪刀的發現也是出乎意料的。艾曼紐(Emmanuelle Charpentier)對化膿性鏈球菌 (Streptococcus pyogenes)進行研究期間,發現了一種以前未知的分子「tracrRNA」。研究後發現,tracrRNA 是細菌的免疫系統 CRISPR / Cas 的一部分。它在細菌裡扮演著免疫系統的角色,當細菌受到病毒感染時,Cas蛋白與 RNA 的組合可以精準辨識出外來的 DNA 並以切割的方式破壞病毒的遺傳資訊,讓病毒不會再繼續肆虐。

艾曼紐 2011年發表了他的發現,同年他也發起了和對 RNA 頗有研究的生化學家珍妮佛‧道納(Jennifer A. Doudna)的合作。他們的合作成功的在實驗室重建了這把「剪刀」,並簡化其分子成分,讓它更易於使用。由此延伸出的 CRISPR/Cas9 基因編輯技術則運用了其精準切割基因位點的特性,得以對基因上特定的位置做出修改。

CRISPR/Cas9 基因編輯技術運用了精準切割基因位點的特性,對基因上特定的位置做出修改。圖/諾貝爾獎官網

剪出癌症治療希望,也剪出胚胎試驗爭議

自從兩位得主在 2012 年發現 CRISPR/Cas9,它的作用範圍可說是有了爆炸性成長。目前這項技術已經運用於多種研究物種、農作物與家畜的身上,包括抗病毒的基因編輯豬、無角乳牛、低致敏性雞蛋等。也有許多研究應用 CRISPR 研究人類疾病,包括用於確定遺傳因素、評估藥物或細胞治療的功效等,CRISPR 有助於我們更快速的了解人類疾病的癥結,並且找到治療方法。CRISPR/Cas9 讓生命科學進入了嶄新的時代,也在許多方面為人類帶來了福祉。

雖然這是個如此突破性的技術,但也帶來了關於人體胚胎試驗的爭議。其中最著名的便是 2018年 11 月 26 日,中國南方科技大學的研究者賀建奎宣稱,其研究團隊利用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術修改了一對雙胞胎嬰兒的 CCR5 基因,使他們天生免疫愛滋病。這項消息引發各界譁然,在事件後本次化學獎得主道納也發表了聲明,認為從事這項實驗的研究者必須充分解釋他們為何要破壞關於CRISPR 在人類胚胎上使用的國際共識。

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賀建奎宣稱的研究掀起了巨大的爭議。圖/第二屆國際人類基因組編輯峰會直播截圖

那麼當科技發展跑在世界前面,科學家該做什麼? 關於這個問題,泛科學曾在2018年10月訪問到道納。當時他曾說「我猜想很多科學家想專注在自己的研究上,不太想解釋自己到底在研究甚麼,也不太接觸跟自身研究相關的倫理與社會問題。」該如何解決這個困局呢?他認為其中之一科學家有責任必須站出來向大眾解釋自己的研究。

CRISPR 技術的應用範圍很廣,對於未來影響深遠,彷彿科幻電影的場景就近在眼前。因此,除了掌握有技術的科學家之外,這也是你我不能置之於度外的重要議題,需要社會大眾持續關注與討論的。

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癌症治療方法有哪些?臨床試驗有哪些評估面向?
careonline_96
・2024/04/19 ・2447字 ・閱讀時間約 5 分鐘

給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友

醫學中心的臨床試驗機會多,病友們也存在一些錯誤的迷思,我們需要了解,臨床試驗是依據現今最標準的治療方式進行,參加臨床試驗的對照組,也有機會可以使用到健保沒有給付的藥物。不過,現有的臨床試驗不一定都適合每一位病友,病友們一定要與主治醫師充分討論自己的治療計劃,即使是晚期肺癌,只要隨時掌握疾病的狀況,找到合適的治療方式,便能穩定控制,與癌共存!

台大醫院胸腔科廖唯昱醫師

臨床試驗增加用藥可近性 為病友延長生命

一名年約 82 歲女士,手術後確定是肺癌第三期,後續接受輔助性的化學治療,在追蹤一段時間後復發,由於當時沒有很好的基因檢測與標靶藥物,僅能接受放射線治療、化學治療控制。廖唯昱醫師說,病友面對治療仍相當樂觀,治療一至兩年後,幸運地找到適合的臨床試驗,便開始使用標靶藥物,其中有兩到三年的時間,只需單純使用標靶藥物即可控制病情,病友也因此延長生命到近 90 歲。

臨床試驗是醫療機構依據醫學的理論,於人體施行新的醫療技術、新的藥品或新的醫材。廖唯昱醫師說,最主要的目的是希望找到一個新的、更有效的治療方式,讓病友可以延長生命,甚至達到治癒。對於晚期肺癌病友而言,最佳的治療方式可能是標靶治療、免疫治療,或是化學治療,若是健保有給付,我們會選擇用健保的方式進行第一線治療;若是對病友最有利的治療方式健保未給付,我們即會想辦法協助病友尋找適合的臨床試驗。

罕見基因治療武器有限 先確定驅動基因再找合適的臨床試驗

面對臨床試驗,可以從兩個方面評估,廖唯昱醫師說,若是新發現的基因突變與新研發的藥物,病友可以先觀察第一期臨床試驗中,新藥物可以達到的治療效果,以及可能出現的副作用,等到狀況較成熟後再加入;假如已通過第一期、第二期臨床試驗,並且清楚知道新藥物的成效,即可考慮加入第三期,無論抽到實驗組或對照組,其實對整個治療都有一定的幫助。

此外,對於一些罕見基因型的肺癌,由於治療武器較有限,病友常期望可以加入臨床試驗,廖唯昱醫師說,在加入臨床試驗前,需要先確定肺癌的驅動基因突變,再去尋找適合的臨床試驗。然而,臨床試驗通常會設定一些條件,如藥物可能有已知的副作用,在臨床試驗開始前,便會需要作詳細檢查,確認病友的所有狀況符合條件後,才有機會加入。

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近年來,肺癌治療有大幅進展,標靶治療、免疫治療、化學治療都持續進步。廖唯昱醫師說,即使是晚期肺癌,只要隨時掌握疾病的狀況,找到合適的治療方式,便能穩定控制病情,而且在接受治療的同時,病友可以回復正常的生活,甚至恢復工作,也能保有良好的生活品質。

他的故事 談生活品質

踩穩自己的節奏 癌後體會慢下來哲學

村上春樹的小說《舞舞舞》,不論世界如何紛亂,你要踩穩自己的舞步和節奏。我在 70 歲確診第四期肺癌,剛開始是肋骨痛,那時剛巧有人推壞我的門,花了些時間把門拆下來再裝回去,第二天睡醒,肋骨開始痛,一直誤以為是修門太費力導致疼痛,就近在診所拿止痛藥,吃了七個月,也耽誤了黃金治療期。

我從事鐘錶業,累積非常多客戶,都是靠著口碑、耳傳而來,客戶群裡有很多醫師。那時有四、五位醫師朋友提醒檢查身體,台大醫院廖唯昱醫師是我 20 年的好友,要我去他的門診掛號,我一直推拖,隔了一年多才就醫。或許是身體在抗議,過去熬夜修錶、抽菸是生活的常態,也不太吃東西,一天大概吃一餐,工作與生活都失序。

加入臨床試驗,接受免疫治療兩年與服用標靶藥物四年,目前病況獲得穩定控制。我很幸運,藥物耐受力不錯,除了體重掉 10 公斤,沒有出現副作用,就是容易累,以前可以連續工作 12 小時等結案再離開桌子;現在工作兩個半小時就需要休息,等體力恢復後才能繼續,以前閒不下來,生病後把休息排到行程表中,做個慢下來的人。

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我過去是海陸步兵,曾經四個月背 30 公斤裝備行軍,磨了三年,十年沒有感冒過,因為有練過,體力一直很好,從來不覺得癌症這件事會找上我。客戶常來找我聊天,分享生活及心裡的感受,一個朋友後來也罹肺癌,他把我當模範,看到我不會埋怨也不會負面思考,讓他覺得安心也可以樂觀面對。

工作之餘,我會帶著狗兒子到公園玩,一拿出牽繩,狗狗就興奮得狂跳,台灣土狗體力好、運動量大,常常拉著我跑,增強健康也減少肌肉衰退。選擇適合自己的運動很重要,起床和睡前我會練啞鈴,各 20 分鐘,讓我維持好手力,現在還有 700 隻錶等著我,很多客戶勸我不要再收錶了,其實,「專注心之所向」可以釋放壓力及擁有成就感,反而能好好過生活。

生命自會找到出路!提醒學弟妹,接受已發生的事實,調整生活節奏,緩下腳步了解身體的需要,也不妨把罹癌當成一件事去鍛煉它、面對它,把生活重心放在自己喜歡的事物上,就不會被情緒左右。

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聲音是什麼顏色、什麼味道?談聯覺與跨感官反應
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/12/21 ・3162字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/陳品均|雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

星期一,聽起來是什麼顏色?

先別急著回答藍色,對某些人來說,這個答案可不是受到情緒經驗的影響,而是真實的色彩反應。

星期怎麼可能聽起來有顏色?事實上,根據研究大約有 4% 左右的人[1],在某個認知或感官接收資訊刺激後,另一種感覺或認知會同步自發的出現,並且具有特定規律,此反應與刺激本身並不一定相關,這些人被稱為聯覺者,擁有像是聽到聲音時,除了聲音的反應外,同時認知到了形狀或顏色等的特徵。

舉例而言,若一位聯覺者聽見 A,除了聲音 A 以外還自動產生了它是紅色的聯覺認知,則不論是在 Apple 或 Angel 中,A 對他而言都是紅色的,不會因為 Angel 比較常以白色的型態出現,便轉換成白色的 A。在學界,聯覺的發展和原因尚在探索中,有些研究指出可能與小時候接觸抽象觀念時的發展、遺傳以及大腦神經機制有關 [2、3]

聽覺及視覺的聯覺者在聽到詞彙時,除了聲音外,同時自動產生了色彩的認知反應。(圖片來源:作者自行繪製)

隨著聯合反應的感官組成不同,聯覺者的異能經驗也五花八門

你能想像當單一感官接收某一訊息時,同時產生另一感官的不同認知是怎樣的經驗嗎?BBC 的科普節目《Horizon》其中一集< Derek Tastes of Earwax >記錄了數名聯覺者的跨感官連結經驗。其中,一名酒吧老闆兼有聽覺和味覺的聯覺,當他聽見各式各樣的詞彙時,宛如品嚐綜合風味豆,讓他飽嘗各種滋味[4]

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聽覺和味覺的聯覺者,聽見各種名詞之際,嘴巴就像是咀嚼著各種滋味。(圖片來源:pexels

另一名受訪者是聽覺及視覺的聯覺者,經實驗後科學家發現,若聽到數字或是月份日期時,這名受訪者的腦部除了聽覺區域外,視覺區域也會產生反應。特別的是,他本身是一名視覺障礙者。

聽覺及視覺的視障聯覺者聽到日期時,腦部視覺及聽覺區域都有反應。(圖片來源:作者自行繪製)

感官認知上特別的連結,讓聯覺者所經驗的世界像是搭載了酷炫的特效般,使他們在藝術創作及記憶上屢有出色的表現,代表人物有:知名文學《蘿莉塔》作者 Nabokov[5]、以引起聽眾共鳴聞名的音樂家 Olivier Messiaen、表現主義的經典畫家 Wassily Kandinsky 等。若想檢視自身是否為天選之人的聯覺者,除了自我覺察是否有異於常人的跨感官連結反應外,目前也有相關的測驗[6]可以參考。

你我的類聯覺」跨感官反應

若說聯覺是天生具有特別音感的人,那麼跨感官反應肯定就是音樂家們透過經驗累積產生的直覺判斷,兩者不盡相同、卻又有其類似之處。那麼,不具有聯覺的異能,我們難道只能認命當麻瓜了嗎?

別急,縱使不是聯覺者,普通人也多少會有類似聯覺的經驗,這樣的類聯覺稱作跨感官反應,往往在我們渾然不覺時,悄悄地舉辦同樂會,並影響人們的喜好、感知和行為等。

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先來看看研究者們發現的有趣現象,請看這兩個形狀:

圖片來源:作者自行繪製

過去曾有研究者以 bouba 及 kiki 兩個虛構詞進行實驗,九成受訪者傾向認為雲朵狀的形狀是 bouba,尖銳的形狀則被認為是 kiki,即使這些受訪者其實並不認識兩個假詞,但基於聲音和形狀的特徵,卻讓多數人做出這樣的選擇[7]

後續研究者也繼續投入各式各樣以不同語言文化環境為背景、不同年齡階層為對象的研究,有趣的是,結果顯示此現象幾乎是跨語言、跨文化、跨地域存在的,甚至在少與外界互動的部落居民,或是尚未識字的幼兒身上,也有這類從聲音特徵影響其視覺形狀感知歸類的效應 [8、9、10]。除了虛構的詞彙以外,有些研究者使用真實存在的詞彙(如:Bob 及 Kirk),來對應圓潤及尖銳的剪影或人臉,最後也有相似的結果[11、12]

一般人的經驗和認知,往往加速催化感官間的互相影響

除了語言與形狀外,我們生活中還有許多感官互相影響的例子,來試試看下面這張圖,你聽見聲音了嗎?

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(圖片來源:GIPHY

瑞克搖(Rickrolled)的影片在 2019 年突破了 10 億次的 youtube 觀看次數[13、14],迷因化後大量的連結及有聲影片傳播,使得曾經的觀眾在看見這張圖時根據經驗,腦海中自然出現了<Never Gonna Give You Up>的旋律。

然而,不同於聯覺,若沒有經驗累積,跨感官的反應便無法被觸發,以上圖為例,即便觀看次數如此驚人,對於未曾接觸過此影片的人而言,由於缺乏經驗和認知的累積,在看見該張圖片時,理所當然也無法產生相對的聲音反應。

將跨感官反應置入在行銷中的策略,現正流行中!

在大量接收資訊的生活中,我們不自覺地累積了許多感官經驗,成為由單一感官啟動與其他感官同步作用的引線。行銷高手們從中嗅出了商機,精明的將消費者們不由自主產生的跨感官反應也算進了商業行銷的一環。如:某知名咖啡品牌在過去曾進行一項實驗,將兩杯一樣的咖啡配以不同的音效提供給不知情的消費者。前一杯搭配液體沖入便宜咖啡杯、攪拌,模仿沖泡即溶咖啡的聲音,另一杯則在播放磨豆聲、蒸氣聲以及倒進陶瓷杯的聲響後,再次提供給消費者,結果發現在不同的聲音所營造的環境氛圍下,同樣的兩杯咖啡,人們覺得後一杯更加濃醇香,並願意為之付出更高的金額[15]

近年熱門的 ASMR 亦是味覺和聽覺的跨感官應用,若想了解更多,別錯過之前的專欄文章﹤加點「聲音調味料」,享受聽覺與味覺的極致饗宴吧!﹥。

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下次若覺得某張圖片有聲音、光看某部電影的宣傳海報就起雞皮疙瘩,或是外帶的咖啡沒有內用的美味,也許就是跨感官反應悄悄影響了你的感覺。最後,讓我們回到一開始的問題,星期一聽起來是什麼顏色的?不論是不是藍色的,何不試試透過 GIF 圖和親朋好友無聲地分享你震耳欲聾的情感吧! 

參考資料

  1. Simner, J., Mulvenna, C., Sagiv, N., Tsakanikos, E., Witherby, S. A., Fraser, C., Scott, K., & Ward, J. (2006). Synaesthesia: The prevalence of atypical cross-modal experiences. Perception, 35(8), 1024–1033. https://doi.org/10.1068/p5469 
  2. Bankieris, K., & Simner, J. (2015). What is the link between synaesthesia and sound symbolism? Cognition, 136, 186–195. https://doi.org/10.1016/j.cognition.2014.11.013
  3. Freeman, E. D. (2020). Hearing what you see: Distinct excitatory and disinhibitory mechanisms contribute to visually-evoked auditory sensations. Cortex, 131, 66–78. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2020.06.014
  4. BBC. (2014, September 17). Science & Nature – Horizon. BBC.
  5. Eagleman, D. (2023, September 6). Wednesday is Indigo Blue. David Eagleman. https://eagleman.com/books/wednesday-is-indigo-blue/
  6. Eagleman, D. M., Kagan, A. D., Nelson, S. S., Sagaram, D., & Sarma, A. K. (2007). A standardized test battery for the study of Synesthesia. Journal of Neuroscience Methods, 159(1), 139–145. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2006.07.012
  7. Ramachandran, V. S., & Hubbard, E. M. (2001). Synaesthesia–a window into perception, thought and language. Journal of consciousness studies, 8(12), 3-34.
  8. Ozturk, O., Krehm, M., & Vouloumanos, A. (2013). Sound symbolism in infancy: Evidence for sound–shape cross-modal correspondences in 4-month-olds. Journal of Experimental Child Psychology, 114(2), 173–186. https://doi.org/10.1016/j.jecp.2012.05.004
  9. Styles, S. J., & Gawne, L. (2017). When does Maluma/takete fail? Two key failures and a meta-analysis suggest that phonology and phonotactics matter. I-Perception, 8(4), 204166951772480. https://doi.org/10.1177/2041669517724807
  10. Ćwiek, A., Fuchs, S., Draxler, C., Asu, E. L., Dediu, D., Hiovain, K., Kawahara, S., Koutalidis, S., Krifka, M., Lippus, P., Lupyan, G., Oh, G. E., Paul, J., Petrone, C., Ridouane, R., Reiter, S., Schümchen, N., Szalontai, Á., Ünal-Logacev, Ö., Winter, B. (2021). The bouba/kiki effect is robust across cultures and writing systems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 377(1841). https://doi.org/10.1098/rstb.2020.0390
  11. Barton, D. N., & Halberstadt, J. (2017). A Social Bouba/Kiki Effect: A bias for people whose names match their faces. Psychonomic Bulletin &amp; Review, 25(3), 1013–1020. https://doi.org/10.3758/s13423-017-1304-x 
  12. Sidhu, D. M., Pexman, P. M., & Saint-Aubin, J. (2016). From the bob/kirk effect to the Benoit/éric effect: Testing the mechanism of name sound symbolism in two languages. Acta Psychologica, 169, 88–99. https://doi.org/10.1016/j.actpsy.2016.05.011
  13. BBC. (2021, July 29). Rick Astley rolls into a billion YouTube views. BBC News. https://www.bbc.com/news/technology-58011677
  14. BBC. (2018, September 10). Rick Astley on the Rickroll meme that made him an online legend. BBC Scotland. https://www.bbc.co.uk/programmes/articles/5D3ZmWf1hJmCxCc5Vn0sS64/rick-astley-on-the-rickroll-meme-that-made-him-an-online-legend
  15. Jones, R. (2021)。跨感官心理學:解鎖行為背後的知覺密碼,改變他人、提升表現的生活處方箋 (陳松筠譯)。商周出版。

討論功能關閉中。

雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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除了像風車一樣,風力發電機還能長成什麼樣?風機百百種,沒有扇葉還可以靠震動發電?!
PanSci_96
・2023/12/11 ・5185字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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你有騎車被擊落的經驗嗎?比馬路更危險的是,水鳥可能在天上飛著飛著,就被巨大的風機送去投胎。

不是,風機蓋那麼大幹嘛?既然核電有小型核電廠,風電應該也要有小型版吧?

事實上除了大型水平軸式風機外,我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機,甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等,這真的能發電嗎?

為何需要新的風力發電技術?

從古巴比倫人和古埃及人的時代,「風」就被視為構成世界的元素之一,因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代,有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴,就是利用風力驅動風車,並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後,中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作,例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多,但構造與荷蘭式風車沒有太大差異,都是扇面垂直於地面,並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計,真的是最理想的發電方式嗎?有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢?

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Heron’s Windwheel。圖/wikimedia
荷蘭式風車。圖/wikimedia

先來說說大家熟悉的水平軸式風車,國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸,台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇,為什麼扇葉是三葉的嗎?或是不知不覺就認為,三葉就是最正常的結構?既然推動風車的力量來自於扇葉,不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎?而且看看風車,扇葉的面積明明就不大,旁邊都是空隙,這些能量不是浪費了嗎?實際上也確實不是越多扇葉越好,其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說,更多的葉片會帶來更多的風阻,也會降低葉片旋轉的速度,因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉,4 座三葉發電機的發電量,會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此,在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下,三葉成為最佳選擇。

對了,雖然更多葉的風機較少見,但反過來說,還真的有雙葉片,甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本,以及較快的轉速。但是,單一葉片在旋轉時並不穩定,需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量,顯得多此一舉。那雙葉呢?它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時,容易產生震動而不穩定,對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下,現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車,就有垂直軸式風車,也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣,你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它,我不是指工廠的排風球哦,而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢?因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向,它都可以發電,不需要特別轉向;此外,它也不需要水平軸式風車長長的扇葉,相對不占空間,甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中,用來捕捉方向不固定的小規模氣流,因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖/PanSci YouTube

不過城市內的風畢竟還是有限,為路燈或是小型家電發發電可以,但要能成為支撐整個城市的電力,還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海,不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機,外海的風能,就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力,也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方,但外海還是有其他原始住民的,短暫地把人類的文明,建立在其他物種的痛苦之上 最後還是會害到整體。然而,巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物,扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集,有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式,讓其他生物注意到風機的存在,進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計,可以一勞永逸?

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風力發電還能長什麼樣?

面對目前風力發電的困境,有人重新思考風力發電的構造,提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能,近年來積極發展離岸風電廠,作法非常簡單,就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時,而且成本高,施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍,這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢?來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組,省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計,這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上,除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域,我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車,這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。圖/World Wide Wind

不只如此,最特別的是,它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成,因此被取名為反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定,還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電,所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣,等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向,所以彼此干擾並不大,展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套,因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

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垂直軸提供了新選擇,但只要有軸,發電機就是會旋轉,還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類,看來……只能讓風機不旋轉了嗎?等一下,風機不旋轉還能發電嗎?誒,還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術,就是這根抖動的棒子。

不要懷疑,這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了,為什麼風吹會造成這種震動呢?原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時,會在後方形成不穩定的渦流,讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近,便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代,有座位在美國的塔科馬海峽吊橋,就是因為氣流共振導致扭曲斷裂,所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

塔科馬海峽吊橋與氣流共振。

而這根風力發電棒的尺寸和材質,都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動,位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣,產生的噪音也小很多,還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片,也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置,在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下,只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機,就能產生很可觀的電能。對了 這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大,但如果每個人都同時按下訂閱泛科學,就能給我們莫大的支持與力量,麻煩各位了,跟我們一起共振吧!

話說回來,這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低,能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本,或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行,但目前在設計與量產方面仍處於開發階段,還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

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講完了海上與陸地上的風機,最後,既然要靠風發電,那麼風能最豐沛的高空,能不能也來發電一下呢?

高空的發電量會更高嗎?

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央,放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右,由於風能正比於風速的三次方,所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能,之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外,也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

圖/Altaeros Energies

除了用氦氣球搭載發電機外,也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中,形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是,雖然高空發電可以節省地面空間,還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏,在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置,對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前,這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性,可以為遠離電網的偏遠地區,或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電,那好像也是挺浪漫的。

圖/wikimedia

雖然今天講到那麼多有創意的設計,但大多數的新創能源公司,都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段,還無法進入商業化生產。短期內的風力能源,還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過,未來再生能源的需求只會持續地增加,我們確實需要有更多新想法、新設計,尤其是能廣泛設置,同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步,當這些新設計的成本下降,我們就有機會在生活周遭看到它。

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最後也想請大家預測一下,20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢?

  1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪,感覺技術成熟後,施工成本可以降到很低
  2. 渦流震動發電棒,對環境傷害小,又不挑地方到處都能設置,積少成多
  3. 大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底,估計還是發電主力

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參考資料

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