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【2022 搞笑諾貝爾物理獎】小鴨游泳為什麼要排成一排?母鴨身後的「加速相位」推著小鴨走

ntucase_96
・2022/01/01 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報鴨子游泳為什麼要排成一排?

水禽寶寶游泳時常自動排成一列。圖/Pixabay

在湖邊散步時,有時會看到鴨子家族在水中遨遊。若是仔細觀察,會發現小鴨們並不僅僅是跟在母鴨的後面,而是以整齊的隊列前進著。是鴨子們的家教甚嚴,還是背後有什麼其他的原因驅使牠們這樣做呢?

生物特殊的行為,背後通常都有其獨特的意義,才會在漫長的演化中被保留下來。如果被問到小鴨子為什麼要緊跟在母鴨後面游泳,我們腦中可能冒出數個解釋:也許是母鴨可以保護小鴨?或形成隊列可以幫助小鴨們省力?…等。

自行車競賽中,騎手們會形成一個隊伍,第一位選手負責破風,使得後方的選手可以受到較小的空氣阻力,節省力氣;大雁在長距離遷徙時,也會形成 V 字形,讓後方的雁可以較為省力。我們不難想像,小鴨子跟在母鴨後方游泳,很有可能也是為了省力。這個猜測在經過研究者測量後,得到了證實。但是為什麼鴨子是形成直排,而雁則是 V 字型;若是可以省力,又可以節省多少力呢?這些問題在 9 月流體力學領域著名的《流體力學期刊》中出現的一篇論文,研究者藉由簡化的數學模型,進行了詳細的研究。

首先,鴨子游泳和自行車、大雁等運動,有一個明顯的差異:後兩者的運動是發生在空氣中,而鴨子們則是在「空氣-水」交界面。當母鴨在水中游動時,會在後方形成水波,就如同一艘船行駛時,後方會出現的「尾波」。小鴨子們藉由處在水波的正確位置,便有機會獲得向前的推力,大幅減少跟上母鴨需要耗費的能量。因此若是要在腦中進行類比,比起腳踏車騎士,小鴨子們其實更像是在衝浪!

wakesurfing, 人, 冒險 的 免費圖庫相片
尾波衝浪(Wakesurfing)利用的是船隻的尾浪,衝浪手如果能維持在尾浪上的正確位置,就會自然而然被推著向前,小鴨也是用相同的技巧在省力。 圖/Pexels

「衝浪」的鴨子們

接下來,讓我們看看母鴨子引起的水波,是如何幫助小鴨子們省力前進的。要能省力,代表小鴨子會受到一個向前推的力,因此,我們從鴨子在水中受到的作用力來開始分析。圖一(a)是一隻鴨子在靜止水面所受到的力。在水中主要力的來源是水壓力,它會與水深成正比,且方向垂直於物體的表面。我們可以看到,對於一隻對稱的鴨子來說,此時受力前後抵銷,只留下一個向上的力,也就是水給鴨子的浮力。那如果鴨子遇到水波時會如何呢?圖一(b)、(c)分別對應到鴨子處於水波不同的位置,我們可以發現,在(b)中,除了向上的浮力,還有一個向後的拉力,也就是此時水波傾向阻止鴨子前進;在(c)中,情況則相反,合力向前,會給予鴨子向前的推力。因此,當領頭的母鴨在水中前進時,會在後方形成水波,如果小鴨子們可以處在水波中正確的「加速相位」(如 c 的情況),那不就可以搭上這個「順波車」了嗎!

圖一、鴨子在不同水面受力示意圖(綠色線:水面位置;藍色小箭頭:壓力方向示意;淡藍色粗箭頭:合力方向。)(a):靜止水面下,鴨子受向上之合力。(b)、(c)在有水波的情況下,由於水面改變,使得合力可能向前或向後,給予鴨子阻力或推力。 圖/Case 科學報

從上述描述,我們了解到「加速相位」的存在,與領頭鴨子產生的波關係十分密切。因此,我們先來了解一下,一個物體在水中運動時,會在那些地方產生波動。

讀者們坐船或是看到水中移動的物體時,可能也有留意過。以一艘船為例,形成的波大致上可以被分為兩個區域:在前方以及側邊的船首波(又稱弓形波,Bow Waves),以及船後的尾波(Wake)(如圖二)。因此加速相位其實不只存在母鴨的後方,小鴨也可以乘上前方或側邊的波浪。但這兩個位置,有各自的問題:首先,在側邊的波由於左右不對稱,因此小鴨子在這裡受到的力,除了前後方向,還會有左右的作用力,使得小鴨子容易被推離出合適的加速位置;在前方雖然沒有左右的作用力,但由於只有在非常靠近母鴨的位置,才有水波的產生,因此小鴨必須非常靠近母鴨才有辦法享受到省力的效果,再加上生物傾向於將幼體保護於成熟個體後方的習性,母鴨前方也不是個好位置。綜合以上考量之下,小鴨們最適合的選項便是母鴨正後方的波了!

圖二、移動物體產生水波示意圖。(a) 在航行小艇的側方以及後方可以看到明顯的波浪產生。(b) 加拿大鵝在水中游泳,母鵝的前方及側邊(淡黃色虛線處)以及後方(白色虛線處)有水波產生。圖片來源:筆者後製於 Pixabay 公開圖片。 圖/Case 科學報

研究者藉由電腦模擬計算發現,在母鴨後方的第一個加速相位效果最好,和自己游泳相比,除了原本受到的水阻力可以被完全抵消,還能夠獲得額外約 60% 的推力。距離母鴨愈遠的位置,由於水波的振幅逐漸減小,因此加速的效果會逐漸降低。那會不會排在最後面的小鴨子,就非常吃虧呢?研究者發現排在前頭的小鴨子,並不只是躺著享受向前的推力,牠們在水中運動會產生的水波和母鴨的水波疊加在一起,綜合起來的效果便可以幫助母鴨將產生的波動「傳遞下去」,如此形成一個整齊的鴨子隊列!

有趣的是,本篇論文的作者中有著不少船舶工程的專家,在論文結尾處提到本研究對於船體的省力設計也許能激發不同的創意。大自然經過了數十億年的演化,形成了許多看起來「理所當然」的現象,但這其中其實藏有非常多值得人類學習的巧思與創意,等著我們更深入的探索。

更多奇妙的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎專區】

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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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【2022 年搞笑諾貝爾和平獎】用八卦守護世界和平!先等等,你聽到八卦是真的嗎?
Yiting_96
・2022/10/14 ・2950字 ・閱讀時間約 6 分鐘

「欸欸你知道嗎隔壁班的雅婷又換一個男朋友了啦,而且看起來比她大很多歲耶!」

「我同事的弟弟的老公的姊姊的小孩,最近考上醫學系但又說他不想當醫生啦,現在的小孩吼⋯⋯」

八卦一般指的是閒言閒語、對他人說長道短,也常被用來代稱為演藝圈的小道消息、緋聞等。圖/Pixabay

你是個喜歡八卦的人嗎?根據維基百科上面的定義,八卦一般指的是閒言閒語、對他人說長道短,也常被用來代稱為演藝圈的小道消息、緋聞等。但如果讓我對八卦做名詞釋義的話,大概就是「關心身旁朋友身體健康感情糾葛工作學業順不順利」這種與朋朋間的正向交流(眨眼比心)。

身為一位喜歡與朋朋交流八卦的人,資訊的正確性就很重要了。但要怎麼知道這個八卦內容是真是假?今年(2022)搞笑諾貝爾和平獎用數學模型告訴你答案:人們傾向對想合作的人說真話,對不願為伍的人說假話

講八卦到底有什麼幫助?

「我絕對不可能得到諾貝爾獎,這大概是我最接近諾貝爾獎的一次!」今年和平獎的得獎研究來自一個跨國合作團隊,成員之一的艾希特大學(University of Exeter)管理學教授 Kim Peters ,在接受澳洲科普媒體 COSMOS 訪問時說到。

在研究領域中,「八卦」的定義其實非常廣泛,只要我們跟他人聊到當事者,而那個當事者恰好不在現場的時候,就會被認定是在講八卦——這幾乎是我們每天都在做的事!但講八卦到底有什麼幫助?Kim Peters 說明,八卦其實可以幫助我們更了解社會環境。例如誰該相信、誰又是個騙子,這也對我們在社會互動中選擇跟哪些人合作、做出哪些行為而言相當重要,可以幫助人們更適應社會生活。

八卦其實可以幫助我們更了解社會環境,也可以幫助人們更適應社會生活。圖/Pixabay

讓我們回到研究內容,雖然八卦對人們的社會生活來說很重要,但我們要怎麼在這個真真假假的花花世界中,知道八卦的內容是真、是假?為了分辨出八卦的真假、哪些人會對你說真話,研究團隊以經濟學中的訊號理論(signaling theory)、適應性相互依賴(fitness interdependence)為基礎設計了一個新的分析模型。

用訊號理論當基礎建立一個分析模型

先來談談什麼是訊號理論。假設今天有A、B兩個人要進行交易,A就會對B釋出一部分自己商品的內容,讓交易能夠順利完成;若是將交易的物品換成「資訊」的話,資訊提供者A就會對資訊接收者B說出這項資訊的一部分內容,以最大化自己最終能得到的效益。而「誠實訊號」(honest signaling)模型,則是用來分析在什麼條件下這種效益最大化可以導致誠實均衡(honest equilibrium),也就是B從A那邊獲取可靠的資訊後,可以反過來幫助A得到更多的效益。由於要完成一個八卦的最小單位是三個人——發出訊息的八掛者、接收者、被談論的目標,若是想分析真、假八卦與人際互動之間的關係,就不能直接挪用訊號理論。

為了建立分析模型,團隊還需要另一個理論基礎——適應性相互依賴,描述了生物體之間的相互影響。生物體之間適應性相互依賴的高低,能以利害關係指數(stake index, s)表示,這項指數能顯示一個人的適應度變化與另一個人適應度變化的相關程度。例如A、B兩個人共同工作以維持生計,那麼彼此之間的福祉就會取決於另一個人是否做得好。正適應性相互依賴(s>0)顯示個體對彼此的生存、繁衍有正面影響;負適應性相互依賴(s<0),則代表個體對彼此的生存、繁衍為負面影響;當然也可能有不存在適應性相互依賴(s=0)的情況產生,表示個體對彼此的生存、繁殖沒有任何影響。

結合訊號理論與適應性相互依賴,團隊假設八卦者會選擇一種八卦策略(說真話、說假話)以最大化他們的效益。而八卦者要選擇說真話、假話,又會取決於八卦者與接收者、目標之間之間的適應性相互依賴程度,這些原因共同組成了八卦三元組(gossip triad,圖一)。

圖一:八卦者、接收者、目標之間的互動關係。八卦者會決定對接收者傳送真/假的八卦,接收者則會在遊戲中與目標互動。而八卦者能得到的效益以及他是否決定說真的八卦,則會取決於他與接收者、目標的相互依賴關係。圖/參考資料 1

在分析模型中套入四種不同的依賴關係

在模型建立好之後,團隊透過四種遊戲分析八卦者與目標、接收者之間不同的適應性相互依賴關係:

  1. 獵鹿遊戲:共同合作,接收者與目標互利
  2. 雪堆遊戲:共同合作,但只對接收者有利
  3. 幫助遊戲:共同合作,但只對目標有利
  4. 懲罰遊戲:有懲罰代價,以背叛為主的遊戲

實驗時,八卦者會決定對接收者說真/假八卦,接收者則會在遊戲中與目標互動。而透過模型分析,團隊發現八卦者能得到的效益以及他決定說真話/假話,將會取決於他與接收者、目標之間的相互依賴關係是正向或負向:

  1. 當八卦者與接收者、目標的整體適應度相互依賴關係為正,這項合作對接收者、目標都有利時,八卦者會傳遞真的訊息(獵鹿遊戲)
  2. 在對接收者有利的情況下,若八卦者與接收者的相互依賴關係比較高,那麼八卦者會傳遞真的消息(雪堆遊戲)
  3. 在對目標有利的狀況中,當八卦者與目標的相互依賴關係比較高,則八卦者也會傳遞真的消息(幫助遊戲)
  4. 由於懲罰會降低接收者與目標的效益,如果八卦者與接收者、目標的整體相互依賴關係為,八卦者也會選擇誠實(懲罰遊戲)

若將上面的結果講得白話一點,你可以想成:

  • 果果、千千、梅梅是好朋友(整體相互依賴關係高),如果千千跟果果說:「梅梅玩遊戲課金花了快十萬!」的八卦時,千千說的話大概是真的 ʕ •ᴥ•ʔ
  • 可可跟安安很好(相互依賴關係高),但可可超討厭花花(相互依賴關係低),當可可跟安安說:「欸花花昨天上完廁所沒洗手!」的八卦時,就有可能是可可在說謊 ಠ_ಠ
信賴關係低的時候,說出的八卦就有可能是在說謊 。圖/Pixabay

所以說八卦真的有助於世界和平嗎?

Kim Peters 表示,人們「說謊」是為了幫助盟友、傷害競爭對手。當你是八卦訊息的接收者時,你跟八卦者的之間關係、八卦者與被談論者之間的關係是正向或負向,將決定他說的是真話還是假話。這項模型解釋了人們為什麼會選擇分享真/假八卦,而其實我們在生活中也常直覺性的應用這個概念去分辨話題內容的真假。

所以這項研究真的能幫助世界和平嗎?「我是覺得這有點誇大了啦!」Kim Peters 笑著說。雖然八卦有助於人們的社會生活、維持社會的良好運作,但畢竟也不是每個人都喜歡被他人在背後議論(尤其是那些假消息)。此外,我們也要注意談論八卦可能對他人帶來的影響。在未來,當有人跟你分享他人的負面訊息時更要記得採取保留態度,以避免自己被錯誤的訊息欺騙,而後又將假消息傳播出去!

參考資料

Yiting_96
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在鳳梨田裡唸生科的人類,畢業後意外走上了科普路,目前還在緩慢前行中。喜歡有趣怪知識、諧音爛笑話,還有床。

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【2022 年搞笑諾貝爾安全工程獎】交通安全麋鹿有責!用假麋鹿守護行車和平!
Peggy Sha
・2022/09/30 ・2013字 ・閱讀時間約 4 分鐘

夜路走多了,總匯三明治;公路開久了,總會遇麋鹿(咦?)。

好啦,在台灣不管開車開多久,你都不太可能會撞到麋鹿,但若是在北美、西伯利亞或斯堪地那維亞半島這些高緯度的國家,那實在蠻容易碰上突然衝出來的「麋鹿驚喜包」,一不小心就可能造成車禍慘劇。

在瑞典,平均每天會發生 13 起左右的麋鹿車禍事件,可說是道路安全的一大難題。

在台灣的我們,很難想像開車在路上會撞到一隻鹿。但在高緯度國家,這是一個嚴重的交通問題。
在台灣的我們,很難想像開車在路上會撞到一隻鹿。但在高緯度國家,這是一個嚴重的交通問題。 圖/envato.elements

於是,為了防止車輛被破壞、為了守護行車的和平,瑞典道路管理局贊助了一項碩士論文研究,希望可以找出減少車禍損害的方法;為此,研究團隊做出了非常可愛的鹿鹿……然後努力撞爆它!

(話說這篇論文的研究對象是肩高可達 2 公尺的那種巨型麋鹿,不是那個拖著聖誕老公公的可愛馴鹿,想知道兩者的差異可以看這篇:「鹿茸」是誰的茸?」)

想守護道路安全?首先,你需要一隻耐撞的鹿鹿

鹿鹿這麼可愛,怎麼可以撞鹿鹿?就算想要守護道路安全,我們也不能夠抓真麋鹿來測試對吧?於是乎,做出一隻既「真實」又「耐撞」的假麋鹿,變成了最重要的功課。

鹿鹿這麼可愛!怎麼可以撞鹿鹿? 圖/GIPHY

真正動手之前,首先要來蒐集一些背景資料。由於麋鹿本身的個體差異很大,要在野外觀察也較不容易,於是,本研究的作者 Magnus Gens 聯繫了科爾莫登野生動物園(Kolmården Zoo)和其中的獸醫,除了取得資料外,也近距離觀察了兩隻 3 歲左右、已馴化的麋鹿。

每年五月左右,當小麋鹿逐漸成熟、長到差不多一歲時,便會被麋鹿媽媽掃地出門。剛離開母親的小麋鹿們會有些懵懂、容易到處亂晃,也因此帶來交通事故的高峰時期。麋鹿雖然看起來笨重,但其實十分苗條,此外,當牠們被撞擊時,會呈現出「柔若無骨」的狀態,肩膀和骨盆的關節甚至可以用超乎想像的方式詭異地扭轉。而當牠們受到驚嚇或是卡在擋風玻璃上時,有時會劇烈掙扎,並對駕駛造成二度傷害。

親愛的,我為你打造了隻超強無頭麋鹿!

資料收集完成後,就準備要來實行「造鹿大業」了!

首先呢,假鹿的材質可得十分講究,需要耐用、容易取得又接近真實數據,千挑萬選之下,Magnus Gens 決定採用由 Trelleborg Industri AB 所製造的一款又軟又韌,約為蕭氏硬度(Shore)40° 的橡膠「RF 19 Red」。

Magnus Gens 共用了 116 塊橡膠搭配鋼製零件,打造出了超強大的假麋鹿,雖然它的外表實在是不太像頭麋鹿,畢竟沒有毛也沒有頭,不過呢,它能很好地模擬真實麋鹿的組織密度和柔軟度,也解決了舊有模型太硬、太脆而導致撞擊測試失準的問題。

接下來,Magnus Gens 找來了三輛舊車來進行撞擊測試,分別是 Volvo 245 和兩輛 Saab 9-5。關於這撞擊的結果呢,只能說非常令人滿意!因為撞毀的車輛看起來跟真正的車禍車輛看起來有 87% 像,實在是可喜可賀啊!

假麋鹿撞擊測試。

別小看假麋鹿的力量!交通安全從假麋鹿做起!

看到這裡,你或許會有點好奇:到底為什麼要花這麼多力氣去做假麋鹿呢?

Magnus Gens 表示,研發這種好做、容易維護又耐用的假麋鹿非常重要,因為它能在各個車廠進行車輛安全測試時發揮巨大效用。假設車廠們能根據相同條件進行反覆測試,便能為潛在的買家提供有價值的比較數據。另一方面,如果消費者開始重視相關議題、要求車廠進行安全測試,便能帶來更多資金和支援,進而打造出更加安全的汽車。

所以說,假麋鹿真的是非常重要而且影響深遠的存在啊!難怪在多年後的今天,這個研究能成功拿下 2022 年搞笑諾貝爾中的「安全工程獎」,讓我們感謝假麋鹿們的努力!

感謝研究團隊與假麋鹿們的努力! 圖/GIPHY

另一方面,除了麋鹿之外,世界上還有許多地方都苦於大型野生動物所造成的相關車禍;在澳洲有袋鼠,在非洲有駱駝,因此,相關需求始終存在。不知道,未來會不會有更多人開始研發假袋鼠、假駱駝呢?那想必又將會是一場有趣又有意義的奮鬥吧!

參考資料:

http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:673368/FULLTEXT01.pdf

Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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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

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
33 篇文章 ・ 569 位粉絲
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。