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二十世紀最大的小發明,如何拴緊全世界——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》

貓頭鷹出版社_96
・2020/11/12 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

早期的螺絲,工匠們都拒用!

第一批由工廠製造的螺絲則完全不是這麼一回事。首先,雖然手工螺絲是有尖頭的,工廠製造的螺絲卻只有鈍頭,而且無法自行起動,必須先為它鑽個導孔。問題出在製造的過程。

鈍頭螺絲壓根兒沒法銼出一個尖頭來,螺紋本身也必須停止在尖端;但當時的車床沒有切削推拔螺紋的能力,螺絲製造商曾試著改變刀具下刀的角度,結果是螺絲的全長都得經過推拔。然而,這類螺絲的固定力很差,所以木匠都拒絕使用,當時所需要的是一台能同時在螺絲本體(圓柱狀)以及螺旋尖端(錐狀),切出連續螺紋的機器。

歷經幾十年的螺絲演進

一位有發明天分的美國技工找到了解決之道。美國最早的螺絲工廠於一八一○年成立於羅德島州,用的是經過改良的英國機器。該州首府普洛威頓斯成為美國螺絲工業的中心,於一八三○年代中期之前,其產品需求量日益激增。自一八三七年起,有一連串的專利都與具螺旋尖端螺絲的製造問題相關,但經過十年以上的試誤學習之後,才終於找出解決之道。

當時美國工廠經過十幾年的不斷嘗試,才逐漸找出解決方法。圖/Wikimedia common

一八四二年,一名為新英格蘭螺絲公司工作、來自普洛威頓斯的技工惠波,發明了一種完全由機器自動製造螺絲的方法,七年之後,他有了新的突破,遂成功取得尖頭螺絲生產方法的專利。

斯隆設計出一個稍微不同的方法,而其專利則成為大企業美國螺絲公司的主力;另一位新英格蘭人羅捷斯則解決了將有螺紋的核心推拔至平滑頸幹的問題。諸如此類的改進,將美國螺絲業者穩定地推上了領導者的寶座,到了該世紀末,螺絲已演變至其最終的形式,美國的生產方法也已主宰全球。

自十五世紀以來,螺絲一向有著正方形、八角形或有槽的螺絲頭;前者以扳手轉動,後者則以螺絲起子轉動。溝槽的起源不難理解,正方頭必須非常精確才能與扳手配合;溝槽則是個能以手工大略銼出或切出的形狀。有槽螺絲也可埋頭旋入鑽孔中不至於凸出表面;這正是連結對接鉸鏈必須的一點。埋頭螺釘一旦於十九世紀早期普及之後,有槽螺絲頭(還有平刃式螺絲起子)就成了標準規範。

1870 年,製作螺絲的車床。圖/Wikimedia common

所以,儘管螺絲至此已全由機器製造,傳統式的溝槽卻得以留存下來。但有槽螺絲也有數項缺點。

螺絲起子很容易就自溝槽滑脫,結果經常是對需要固定的物件、操作者的手指——甚或兩者——造成損傷。溝槽僅能微弱地抓住螺絲,而在試著上緊一枚新螺絲或鬆開一枚舊螺絲時,磨壞溝槽也是司空見慣的事。

最後,有些不便的情況,如在摺梯上試圖保持平衡、在狹窄空間工作的同時,往往必須以單手拴上螺絲。這對有槽螺絲而言幾乎是不可能辦到的。螺絲搖晃不定,再一滑,掉到地上後又滾開,修理工氣得破口詛咒(也不是頭一回了)這令人發狂工具的始作俑者。

美國螺絲業者完全了解這些缺失。在一八六○和一八九○年之間,有一大堆的專利申請:磁性螺絲起子、收納螺絲的器具、不完全延伸整個螺絲頭的溝槽、雙溝槽,以及各式各樣的正方形、三角形和六角形的凹頭或凹洞等等,其中以最後一項最具潛力。

當時美國業者為解決這些螺絲使用上的缺失,申請了一大堆專利。圖/Pixabay

以凹洞代替溝槽,能把螺絲起子緊緊握牢,螺絲起子就不會自溝槽滑脫。然而困難又一次出在製造過程上,螺絲頭是經由機器在一根冰冷的鋼條上打印成型,若要印出一個深度足以握緊螺絲起子的凹洞,往往不是減弱螺絲的強度,就是會使螺絲頭變形。

取得專利的強力推銷員——羅伯森

二十七歲的加拿大人羅伯森發現了解決的方法。羅伯森是費城一家工具公司所謂的強力推銷員,一個在加拿大東部的街角和鄉間市集販賣他所有商品的旅行推銷員。他把空閒的時間花在自己的工作室裡,嘗試著各種機械發明。他宣傳自己發明的「羅伯森氏二十世紀扳手曲柄鑽」——一個集曲柄鑽、猴頭扳手、螺絲起子、檯鉗和鉚釘製造器於一身的組合工具。

他擁有一種改良式拔塞鑽、一種新型的袖釦,甚至改良式捕鼠器的專利,卻只是白費力氣而已。一九○七年,他取得了凹頭螺釘的專利。羅伯森後來說,他在蒙特婁為一群站在人行道旁觀望的行人展示一只彈簧式螺絲起子時,因為螺絲起子的刃部自溝槽滑脫傷了手,因而讓他得到凹頭螺絲的靈感。他這項發明的祕密在於凹洞精確的形狀:具去角緣的正方形、稍呈錐形的四邊,以及金字塔型的底部。

羅伯森在一次推銷過程中被螺絲起子的刃部弄傷手,而有了靈感。圖/giphy

「很早之前就有人發現利用這種打印方式,根據指定的角度分毫不差地製造,冷金屬會流向四周而非被逼至刀具的前頭,結果是有益地緊密結合金屬原子,使其強度增加,卻絲毫不需浪費或切除所處理的金屬,這和一般有槽螺絲的製造迥然不同。」他相當自負地解釋。

身為一個熱心的推銷者,羅伯森找到了金錢上的後援,說服了位於安大略省的小鎮米爾頓,許他一筆免稅貸款以及其他特權,並成立了他自己的螺絲工廠。「大財富來自於小發明,」他向有可能投資的人士鼓吹,「很多人都認為,這是二十世紀目前最大的小發明。」

事實上,正方形的凹洞真的是個很大的進步,這種特殊的方頭螺絲有適貼的配合(羅伯森聲稱,其精確度達千分之三公分),而且螺絲起子從來不會滑脫。對工匠們尤其是製造家具和船隻的人而言,能自定中心並以單手拴入的螺絲所帶來的便利,真是讓人額手稱慶。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,2020年 9月,貓頭鷹

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貓頭鷹出版社_96
41 篇文章 ・ 14 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。


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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》