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黏土電子玩具! AnnMarie Thomas: Hands-on science with squishy circuits

Scimage
・2011/04/10 ・675字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 468 ・五年級


雖然這時代是電子學時代,不過大部分的朋友可能除了小時候的燈泡實驗,就沒有創造過自己的電路還是裝置了。簡單的電路除了主動元件-像是LED或是馬達等以外,主要是電阻跟電線的接合。不過因為需要焊接或是使用麵包板,對一般人來說並不方便。

這影片介紹了怎麼利用黏土來做電路的方式,黏土其實是一些固體跟液體的混合,可以做的材料其實在廚房都找的到,只要控制成分像是鹽或糖的比例,就可以控制做出來的黏土的導電度,因為黏土的特性很容易跟任何東西疊合或是相接,所以簡單地把一些主動元件插在不同黏土的堆疊上,就可以創造出不同的電阻與線路接合的電子裝置。

雖然是簡單的應用,不過讓電路創造過程可以在自己的手上實現,是很難取代的體會,尤其是可讓小朋友體會這種創造的樂趣。有興趣的朋友可以試看看喔!

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本文原發表於科學影像Scimage

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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獨自搞定電腦與通訊的理論基礎,卻罕為人知的天才——夏農│《電腦簡史》數位時代(四)
張瑞棋_96
・2020/09/14 ・2348字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

【齒輪時代】的最後一章提到,MIT 教授凡納爾.布希除了發明微分分析儀之外,也直接或間接地對電腦發展做出重要貢獻。其中一項間接貢獻就是來自他所指導的學生夏農 (Claude E. Shannon)。這位不世出的天才雖然大眾知名度不高,但事實上,現代電腦與通訊的發展,都始於他憑一己之力提出的理論基礎。

本文為系列文章,上一篇請見:電腦運算的基礎——布林代數,是麼搞出來的?│《電腦簡史》數位時代(三)

擔任布希助理,操作微分分析儀,奠定電路基本功

夏農自小就喜歡搞電子實驗,他還曾利用鐵圍籬和八百公尺外的鄰居互傳電報。1936 年,夏農以數學和電機雙學位自密西根大學畢業後,進入 MIT 電機研究所就讀,同時在布希的實驗室當研究助理。

夏農(Claude Shannon, 1916-2001)。圖:Wikipedia

當時微分分析儀是唯一能算高階微分的計算機,所以實驗室不時會接受教授或其它研究單位的委託,為他們計算微分方程式。夏農的工作便是針對他們的問題,調整微分分析儀的設定,包括大大小小的連桿、滑輪等機械零件,以及近百個控制電動馬達的繼電器。

夏農相當樂在其中,看著微分分析儀按照自己的設定運轉,最後自動畫出答案,總令他心情愉悅。而最令他著迷的,就是在背後控制所有動作的繼電器。繼電器就像閘門,掌控電流的進出,雖然只有開與關兩種狀態,但串成迴路後,就能以特定的順序開開關關,就能讓微分分析儀解出各種微分方程式。

於貝爾實驗室實習,悟出電子迴路與布林代數的關聯性

第二年暑假,夏農到美國電話電報公司 (AT&T) 的貝爾實驗室實習。當時貝爾實驗室正在開發縱橫式自動交換機,也是利用繼電器來控制電話線路的搭接。夏農操作了一學年的微分分析儀,對繼電器的運作已了然於胸,儘管電話交換機是截然不同的機器,其中的迴路也更密集複雜,他卻能看出兩者在運作上有共通之處。

1924年的電話交換機尚需人工操作。圖:Wikipedia

無論迴路大小,都是由許多繼電器與電路所組成,不同的連接方式決定電流如何流動,進而讓機器做出不同動作。如果兩個繼電器在一條電路上前後串聯,就必須兩個繼電器都打開,電流才能通過。如果電路一分為二,各自經過一個繼電器再合而為一(這稱為並聯),就只要有一個是開的,電流就能繼續往前了。

這只是電路的基本常識,每個工程師都知道,但就是沒有人像夏農那樣,看出電子迴路與布林代數的關聯。

夏農是以數學和電機雙學位畢業,對布林代數自然不陌生,但要從實體的電路聯想到抽象的邏輯關係,真的要有超乎常人的洞見。在他眼中,繼電器只有開、關兩種狀態,恰可用布林代數中的 1 與 0 兩種數字表示。繼電器串聯相當於邏輯運算的「且」(AND),並聯則是相當於「或」(OR),不管是什麼迴路,都可以用布爾代數描述。

暑期實習結束後,夏農回到學校,立即向導師布希提及自己的想法。布希深感興趣,鼓勵他以此做為碩士論文的題目。

史上最重要的碩士論文,堪稱資訊時代的大憲章

沒幾個月,夏農就在 1937 這一年完成劃時代的論文,題為〈繼電器與交換電路的符號分析〉(A Symbol Analysis of Relay and Switching Circuits),開宗明義即宣告:「任何電路都可以用一組方程式表示,……。事實證明,其計算方式完全等同於符號邏輯所用的命題運算。」

夏農先以簡單的雙開關電路為例,說明如何用布林代數標示串聯與並聯的接法,並列出基本公理與交換律、結合律、……等運算法則。接著他再進一步分析不同型式的複雜電路,證明也都可以用布林代數表示。最後夏農強調這套方法不只可以用於現有的機器,還可以解決各種問題。

他寫道:「事實上,任何運算只要是用『若』、『或』、『且』等字眼在有限的步驟內描述,都可以用繼電器自動算出來。」

為了佐證這項主張,他提出三種全新的應用,並附上自己設計的電路圖。第一個是電路的簡化;原本使用二十個元件的電路,經由邏輯演算找出等效的表達式後,可以將元件減少為十四個。第二個與第三個應用都是他的創新發明,分別是使用五個按鍵開關的電子密碼鎖,以及二進位的電子加法器(嚴格來說仍不算電子式,因為繼電器的開關仍是利用電磁鐵的機械動作)。

電路的邏輯閘。圖:Wikipedia

這篇論文於第二年公開發表後,立即引起巨大的迴響,甚至被譽為「應該是本世紀最重要、最值得注意的碩士論文」,後來《科學美國人》雜誌也稱它是「資訊時代的大憲章」。

電路設計化繁為簡,電腦從此邁向數位時代

的確,夏農這篇論文影響深遠。原本錯綜複雜的電路圖改用布林代數表示後,就可以在實際建造機器之前,清楚計算出執行的結果,大幅減少嘗試錯誤所耗費的時間與成本。除此之外,還能如夏農所示範的,找出更精簡的電路方案。科技產品因為設計效率提升、製造成本下降,才得以更加迅速地推陳出新。

計算機的發展也受惠於夏農的創見,才開啟了數位時代(他革命性的通訊理論會在第三部另外介紹)。

夏農所提出的邏輯電路雖然以繼電器為範例,但其實這套抽象法則具有普遍性,任何有開關兩種狀態的元件皆可套用。因此即使後來繼電器被真空管取代,然後真空管又被電晶體淘汰,無論電腦的硬體零件怎麼換、電路圖多複雜,都還是基於夏農所提出的邏輯閘。

夏農已經指出一條通往未來之路,很快地,這條路上就將出現打造現代電腦的各路好漢……。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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有機生物電子材料:連結細胞與元件,實現《攻殼機動隊》科幻未來的鑰匙
研之有物│中央研究院_96
・2017/11/16 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

「有機生物電子材料」是什麼?

尤嘯華常跟學生說:「左手掌握分子,右手掌握奈米,就可以做很多事!」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中,藉由模仿生物體結構,設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料,將能因應不同領域的需求,開發出各種生物電子元件。

有機生物電子:「電子元件」結合「生物醫學」

「生物電子」技術不只存在於《攻殼機動隊》的草薙素子、《海賊王》的佛朗基體內,現今許多醫療發展,也在研究如何將電子元件植入生物體內,藉此了解神經退化疾病,或是篩選、純化癌細胞等等。 圖片來源/iStock

我們很常遇到的問題是,別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要,有些只專注於優秀的電子元件,但若沒有良好的接觸介面,遲早會有問題。

尤嘯華點出這個容易被忽略的問題,將電子元件放入生物體內時,大多只在意電子元件本身的功能,卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。

生物體由有機分子組成,尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中,開發出各種有機導電高分子化合物,可運用於生物醫學領域,做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務,也提升電子元件與細胞接觸的相容性。

一般對「材料」的理解可能是:一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」,取師於大自然中常見的含羞草,若用指尖給予含羞草壓力,植物細胞結構變化會帶動開闔反應。

記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料,就好比含羞草,若遇到環境中的觸發機制,會隨之產生響應式的分子結構變化。

尤嘯華仔細尋找著電腦中密密麻麻的資料夾,找出常用來向大家介紹的兩個有機生物電子研究:「仿生細胞薄膜」與「奈米晶片追蹤癌細胞轉移」。 攝影/張語辰

仿生細胞薄膜:讓電子元件與細胞順利互動

雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應,但若直接將電子元件植入體內,例如心臟血管支架或是矽晶片,可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此,需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」,鋪設在植入生物體內的電子元件上,讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。

若將「目標細胞」比喻為「鎖」,則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」,要能與鎖的洞口相容,並開啟生物反應機制。

「仿生細胞薄膜」的原理,就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織,來模仿細胞膜的成分與結構。

雖然過去的研究中,有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可,但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇,因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性,可以作為電子元件和細胞的黏著劑,或成為傳遞生物訊號的通道,也有助延長電子元件的壽命。

(1)細胞膜上的特定受器 (integrin) 會辨識「仿生細胞薄膜」上的特定胜肽 (peptide),宛如鎖孔與鑰匙結合。(2)為了避免細胞非特異性的沾黏,「仿生細胞薄膜」還需加上模仿細胞膜的親水性結構。 資料來源/尤嘯華提供。圖說重製/王怡蓁、張語辰

奈米偵測晶片:追蹤癌細胞數量與特性

由於某些癌症不容易切片檢驗,例如腦癌或肺癌,因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中,可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞,更準確且更方便地取得癌症資訊。

「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構,可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞,提供數據給醫生參考。

尤嘯華團隊研發的另一個仿生細胞薄膜應用,就是透過「奈米偵測晶片」抓取血液中的「循環癌細胞」,以利後續純化出癌細胞,分析其數量變化及基因資訊。 資料來源/尤嘯華提供 圖說重製/王怡蓁、張語辰。

這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構,裝上硼酸分子的官能基團,會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結,奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來,並進一步純化細胞。

這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化,幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性,也有機會運用於孕檢,孕婦只需抽血檢查,就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。

這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究,尚有一些挑戰待優化。首先,癌細胞的量非常稀少,如何抓到取出體外,這過程很困難;其次,要確保取出的癌細胞,在離開存活環境後的生物訊號不會變質。

「我希望跟合作夥伴可以有正向循環,而不是做好一個東西讓你直接用。」尤嘯華期待能與更多醫療和生物團隊合作、討論,優化材料和元件的設計。 圖說設計/王怡蓁、張語辰。

問:科幻電影有人體植入晶片的情節,這有可能嗎?

答:科幻電影其實是很有啟發性的,對科學家來說,沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術,我都願意嘗試發展。

例如,最近我們實驗室有個技術,可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構,可以培養取出體外的「神經細胞」,並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後,可以再透過生物電子元件,將它放回生物體內,確保神經細胞不會被破壞。

透過會沾黏、不沾黏的導電高分子材料 (PEDOT) 介面設計,讓有些地方跟神經細胞產生鍵接,控制神經細胞在介面上產生格狀排列。 資料來源/尤嘯華提供。

問:為何會想把「電子元件」跟「生物體」結合?

答:台灣的強項是電子產業,但我想做些不一樣的事,我喜歡原創性、概念性的研究項目。

我在美國麻省理工學院有機化學博士班時,原本研究的是「化學偵測器」,後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近,但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物,而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變,像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣,有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發,卻缺乏更多「材料」的開發。

現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的,當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內,是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如,蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結,但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基,會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面,也希望能開發出更多有機智慧材料。

問:研究過程中,遇到的困難?

答:

最大的挑戰是與不同領域的人溝通,還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。

在有機生物電子元件的研究過程中,需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家,而且是研究分子基理的專家,而應用端則需要醫生,這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時,很難說服其他領域的人合作,所以我試著到不同領域的研討會演講,主動尋找更多合作機會。

問:研發這些生物電子材料,都能派上用場嗎?

答:(思考了幾秒後說)我們實驗室已經研發出很多介面材料,但是到底有什麼可以真正拿來應用?從科學、到科技、到應用、再到產品,這個過程非常困難,而走上市場的這條路更是艱辛。

以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例,他應用先進的科學原理,花了十幾年研發,開發出偵測 TNT(三硝基甲苯)氣體的機器,現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區,用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中,最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力,未來我希望可以跟更多團隊合作,開發出可以改變人類生活的應用。

就算開發了 100 個材料都沒用,但第 101 個可以進入市場、幫助到別人,那就很好了。

延伸閱讀

 

CC 4.0

 

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook