讓你一看就懂的無人機原理！——《世界第一簡單無人機》

為了瞭解鯨豚的健康狀況，科學家們正試圖用更好的方法，來蒐集牠們的鼻涕。

來觀察鯨豚囉！

鯨豚的背鰭，是牠們最容易被人們觀察到的部位，類似於人類的指紋，背鰭是鯨豚的辨識區，可以作為研究人員個體種類辨識上的依據【註1】。然而，若想進一步了解鯨豚的演化史，就不得不仰賴含有 DNA 的活體組織。

早期，科學家採集鯨豚活體組織的方式稱作「活體組織切片飛鏢」。如同字面上的意思，他們會向動物投擲飛鏢，獲得牠們的小部分組織作為樣本。但是，這種光用聽的就很痛的方式，不僅會讓鯨豚對研究船隻感到畏懼，更會使得牠們在水中生活時，成為傷口感染的高風險群。

值得高興的是，隨著科技進步，現在科學家已有了新的採集方式。這回，他們自製非侵入性的工具，而且決定改成採集「鼻涕」。

此鼻涕非彼鼻涕

說到鼻涕，我們容易聯想到感冒生病時，從鼻孔裡流出來的東西，不過這裡所提到的「鼻涕」，和那個可不一樣。鯨魚呼氣時所吐出的黏液並非來自呼吸孔，而是來自肺部【註2】。

藉由蒐集鯨豚呼吸孔吐出的氣，可以得到許多關於牠們的資訊——包含肺表面活性物質（一種蛋白質和脂質的混和物）、呼吸液與肺細胞。同時，這些樣本也可以用來檢測疾病以及皮質醇【註3】、孕酮【註4】等荷爾蒙，幫助研究者知道一頭鯨魚是否染病，甚至可以知道雌鯨是否有孕。

不過，鯨豚的鼻涕藥怎麼蒐集呢？接下來讓我們一起來看看方法。

鼻涕機器人登場

隨著 DNA 提取技術的進步，研究員們從 2010 年起便開始使用新的工具採集。一但在海面上觀察到鯨魚蹤跡，他們便驅船前往，伸出長長的的竿子，利用末端的培養皿來收集鼻涕。

另一種進階版的工具稱作「鼻涕機器人」（The Parley Snotbot），由無人機和培養皿所組成。鯨魚換氣時，機器人會從後方靠近鯨身，讓鯨魚的鼻涕因慣性往後落在無人機上的培養皿中。

不過以上兩種方法通常用來蒐集座頭鯨等大型鯨魚的 DNA，對於體積、肺部容積較小的海豚則不易達成【註5】。

鯨魚鼻涕在遺傳學上的貢獻

至於我們能不能利用鼻涕檢體來進行遺傳學相關的研究呢？答案是可行的。儘管小型鯨豚的鼻涕提取比預期中困難，科學家仍然能從樣本中回收一些粒線體 DNA。

他們嘗試以聚丙烯製成的管子倒置在水族館豢養的海豚氣孔上，以得到每隻海豚體內的粒腺體 DNA 和微衛星 DNA ，收集到比野外樣本更加豐富的數據。此外，科學家也發現，從海豚鼻涕中獲得的 DNA 圖譜與從血液中取得的 DNA 圖譜相符，證明了在研究海豚遺傳學上，使用鼻涕的結果可能和抽血一樣好。

現在，科學家們要克服野外採集樣本量不足的挑戰，以期在未來能結合傳統的照片識別，建立有關海豚種群的遺傳學目錄。

【註】

1. 不同種類的鯨豚會有不同形狀的背鰭。就算是同種，不同個體背鰭上的花紋也都不一樣。
2. 由於鯨豚僅靠呼吸孔呼吸，呼吸孔的堵塞會使牠們窒息死亡。2016 年，研究員曾發現一條呼吸孔先天畸形的海豚在換氣時用嘴呼吸，但這是目前所知的唯一例外。
3. 腎上腺皮質激素中的糖皮質激素，可以提高血壓、血糖水平和產生免疫抑制作用，有助身體調節壓力事件。
4. 屬於孕激素荷爾蒙的一種，與懷孕、胚胎與月經週期有關。
5. 座頭鯨的體型大，吐息也大，容易被船上的研究員發現。海豚因為個體嬌小，肺部僅有約兩個橄欖球大，因此採樣相對困難：牠們呼出的液氣混和物距離海表過近，常在竿子到達前就被海浪打散。另外，面對來勢洶洶的龐大漁船，牠們往往跑得飛快、「走敢若飛」（tsáu kánn-ná pue），不利採樣進行。

資料來源：

1. 【鯨豚大小事】鯨豚背鰭說
2. whales-do-not-catch-colds-but-they-do-get-snotty-blowholes
3. ‘Dolphin snot’ used to look at health of pod off Gower
4. Those snot-collecting drones are back, and this time they’re seeking dolphins
5. The Usefulness of Dolphin Snot
6. The ‘SnotBot’ Drone Is Making Scientific Research Easier on Whales

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

2019 年 6 月 25 日，福爾摩沙衛星七號（簡稱福衛七號）在國人的引頸期盼下升空。一年多來（編按：以原文文章發佈時間計算），儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道，但已經回傳許多資料，這些資料對於天氣預報的精進，帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題，就是福衛七號傳回的資料，對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻，得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星，軌道高度 700~800 公里，以 72 度的傾角繞著地球運轉（繞行軌道與赤道夾角為 72 度）。這些衛星提供氣象資訊的方式，是接收更高軌道（約 20,200 公里）的 GPS 衛星所放出的電波，這些電波在行進到氣象衛星的路程中，會從太空進入大氣，並產生偏折，再由氣象衛星接收。換句話說，氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的，而是因為大氣的折射，產生了偏折，藉由偏折角可推得大氣資訊。

氣象衛星會一邊移動，一邊持續接收電波，直到接收不到為止，在這段過程中，電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣，逐漸變為最底層、最接近地面的大氣，科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角，通過計算回推出折射率，而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ，因此可再藉由每個高度的大氣折射率，得出溫濕度垂直分布，這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料，可以納入數值預報模式，進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時，必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式，可以模擬任何一個位置的氣塊的運動，但是因為大氣環境非常複雜，模擬時不可能納入全部的動力條件，因此模擬結果不一定正確。而另一方面，掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊，楊舒芝形容：「觀測就像拿著照相機拍照，不管什麼動力方程式，拍到什麼就是什麼。」但是，觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置，我們才會有觀測資料。

所以，我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料，另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者，找到一個最具代表性的大氣初始分析場，再以這個分析場為起點，去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係，因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時，帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響，做了許多模擬與研究，發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑，以及豪大雨的降雨區域及雨量等，納入福衛三號的掩星觀測資料，都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明，由於颱風都是在海面上生成的，而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料，相較於一般位於陸地上的觀測站，更能夠取得海上大氣資料，因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面，這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境，例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確，那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究，加入福衛三號的掩星觀測資料，平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里，相當於改進了 5％。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊，還需要風場資訊的協助，楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例，一般來說豪大雨都發生在山區，但這次的豪大雨卻集中在海岸邊，而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式，楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休，福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星，不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉，取得的資料點分布比較均勻，高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下，福衛七號的傾角只有 24 度，它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間，對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說，密集度更高；加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星，還增加了俄國的 GLONASS 衛星，這些因素使得在低緯度地區，福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍，每天可達 4,000 筆。

另一方面，福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進，可以獲得更低層的大氣資料，而因為水氣主要都集中在低層，所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號，其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化，而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時，最直接觀測到的數據，相較之下，折射率是計算出來的，就像加工過的產品，一定有誤差。因此，近來各國學者在做數值模擬時，愈來愈多都是直接納入偏折角，而不採用折射率。黃清勇解釋：「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度，也會增加運算所需的時間，而預報又是得追著時間跑的工作，因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步，因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道，不過這一年多來的掩星觀測資料，已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報，準確度提升了 4~10％；陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例，成功地利用福衛七號的掩星觀測資料，模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號，還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星，預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波，然後推估風速。可以想見，一旦有了獵風者的加入，我們對大氣環境的掌握度勢必更好，對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧！

3D列印的藥物、自散播（self-spreading）疫苗、無人機與機器人，將如何成為人類面對大規模疫情時的新武器。

進入二十一世紀之後，由於全球化的盛行，全球的感染疫情事件也越來越頻繁。SARS、MERS、伊波拉、流感等幾次的重大疫情，都讓全球的公衛體系不斷受到考驗。讓跨領域的多種新科技有機會投入防疫工作，成為現代公共衛生在預警和治療上搶得優勢的重要武器。例如約翰霍普金斯醫學中心的全球維安中心（ JHCGS, Johns Hopkins Center for Global Security），就有許多研究人員，正嘗試將其他領域的新科技融入防疫工作。

下方將整理已經有所成果，在不久的未來，就可以大規模應用於五大防疫領域的 15 種新科技。

一、偵測疾病、疫情監控、情境感知（Situation awareness）

由於全基因定序技術與 CRISPR 基因編輯技術的價格大幅下降與普及，讓分子生物學家能夠在更短的時間，就掌握大範圍跨度的基因序列資訊，搭配資料視覺化工具，能夠讓跨國研究人員共同合作，加速研究時程。

利用多台無人機組隊所串聯的聯合平台，已經能夠做到半自動化起降、連續執行人群監管或是遠端投送藥物的任務。例如無人機搭配特殊的熱成像（Thermography）、機載成像光譜儀（AIS, Airborne Imaging Spectrometer）或是近紅外線感測儀，配合標準化植被指數（NVDI）與演算法，能讓農夫初步了解植物的健康狀況，掌握疫情發展。

二、感染性傳染疾病的診斷技術

拜微機電系統（ MEMS, Microelectromechanical systems）技術的進步，奈米等級以下的微機構已經陸續開發使用，例如微閥門或微混合器等等。運用這些技術，能夠組成微流體（Microfluidic）系統，使研究人員只需極少量的樣本和微量的高價試劑，操控微小液珠相互混合和分散，減輕人工與時間的消耗。相關的技術也造就了拋棄式生物晶片的發展，使得床邊的即時檢測（POCT, point of care）裝置更為普及，讓臨床人員能更快得知檢測結果，加速臨床判斷。

以往笨重的質譜儀，現在也有手持式的商業版本，可以即時做出分析；液態切片檢驗（Liquid biopsy），則能偵測細胞外游離的遺傳物質（cfDNA），這項技術不只用在癌症的篩檢，未來也可能用於偵測體內病原體的遺傳物質。

三、分散式的新型醫藥材製造技術與合成生物學的發展

和傳統由藥廠、研究中心或政府等機構所發動的集中式生產不同，3D 列印技術的進步，降低製造門檻，使得更多單位能夠製造少量、配合個人需求的客製化醫材零件。3D 列印技術甚至能應用於藥品製造，做出更快速溶解的藥物，讓老人和小孩更願意吞服藥錠，也加速藥物作用。

分子生物學的進步，帶動了整合工程邏輯和生物科技的合成生物學 （Synthetic biology） 也有了極大發展。未來的研究者將能夠操控各種細胞、細菌、病毒，透過模組化的 DNA 元件和基因迴路（Gene circuit），串聯成各種邏輯控制單元或是微小工廠，在體內就有可能自行合成疫苗成分等重要的分子結構。

四、防疫策略、傳播和管理的方式大幅改變

如何快速提升疫苗接種率，一直都是防疫的一大重點。許多疫苗都還需要仰賴醫護人員透過各種管道接種，這對於開發中國家或是偏遠地區的居民，有執行上的困難。微針陣列貼片（Microarray Patches）有體積小、能夠長期在室溫下保存的特色。使用貼片的方式極為簡單直覺，不需要受過特殊醫療訓練也能使用。使用過程沒有任何痛感，使用後微針頭會自行消融，也沒有處理針頭的問題。目前已經有麻疹疫苗的版本，未來也許也能應用到其他疫苗。

另外用在動物領域多年的自散播（self-spreading）疫苗、基因轉殖的細菌、mRNA疫苗 、DNA 疫苗等新型的疫苗設計，也能加速群體免疫力的散佈和疫苗開發時程。

五、遠距照護科技與攜帶式呼吸器

在多種 IoT 裝置和影像設備的普及後，遠距醫療已經是相當常見的臨床情境。1月15日，美國華盛頓州一處專門處理高傳染性疾病的病房中，收治了美國的第一例新型冠狀病毒患者。原本這些病房是針對 2017 年伊波拉病毒疫情使用，因此備有專門應用在隔離室與病人對話溝通的影像機器人，能夠避免醫療人員，因為照護病患受到感染。

另外像是 SARS 或是新型冠狀病毒的重症患者，通常會需要盡早插管，給予呼吸治療。傳統的呼吸器體積龐大且價格高昂，醫院很難在幾天之內，回應大量湧進的重症病患。攜帶式的呼吸器雖然功能較陽春，但價格低廉，方便攜帶，甚至能發配到基層診所或是救護車，讓病人盡早插管的同時，也減輕醫院調度呼吸器的壓力。

參考文獻

• From self-spreading vaccines to 3D drugs: the tech that will stop a pandemic.
• Center for Health Security report highlights 15 emerging technologies with potential to reduce global catastrophic biological risks.