讓你一看就懂的無人機原理！——《世界第一簡單無人機》

2020年9月27日到11月10日，亞美尼亞與亞塞拜然發生第二次納戈爾諾－卡拉巴赫戰爭（Nagorno-Karabakh War）。新時代的戰爭科技，舉凡偵察和攻擊用的無人機，以及長程武器跟探測器等，全都用上了。無人機使用的火藥含有白磷，爆炸會造成致命的化學燒傷、冗長的住院期，還有高死亡率。臉、手等皮膚暴露的部位，最常遭殃。其他類型的爆炸創傷和槍傷，也時有耳聞。^[1]

醫院爆滿

亞美尼亞與亞塞拜然雙方皆死傷慘重。當時亞美尼亞的軍醫院爆滿，連普通醫院都加入救治受創士兵的行列。儘管多數傷患都有部份皮層或全皮層燒傷，醫療量能不足的情況下，他們得等上1個禮拜，才能接受手術。於此之前，只好先進行普通包紮，並投以高劑量的鴉片類止痛藥物。此外，理想上燒傷的地方應該全部切掉；偏偏戰爭期間，許多都只是部份切除，較容易在術後感染，而需要抗生素，甚至進一步手術。^[1]

無細胞魚皮敷料

眼看再這樣下去不是辦法，有位亞美尼亞的國會議員，向冰島醫療用品公司Kerecis求助。^[註1]短短72小時內，產品運送和專業支援都安排好了：冰島Hilmar Kjartansson醫師與英國Steven Jeffery醫師，帶著該公司的無細胞魚皮敷料（acellular fish skin graft），來鄰近戰區的亞美尼亞首都葉里溫（Yerevan），教大家處理傷口。^[1]

此敷料用野生大西洋鱈魚（Gadus morhua）的表皮與真皮製作，^[註2]含天然的Omega 3脂肪酸，因此具有制菌、消炎的效果。儲藏於室溫下的乾燥環境，保存期限3年。其厚度約0.6 mm，最大尺寸為300 cm²，形狀可依需求修剪。使用前添加生理食鹽水，便能撐到540 cm²的覆蓋面積。通常要釘住無細胞魚皮敷料，並配合負壓傷口治療（negative pressure wound therapy）或填塞敷料（bolster dressing），^[1]吸走滲出的液體，^{[2, 3]}直至傷口恢復到能開刀的程度。皮膚移植手術後，則要每3到5天換一次敷料。^[1]

個案報告

冰島和英國醫師總共去了亞美尼亞兩趟。他們救治的傷患大多已經燒傷3到5天，接受過初步清創，^[1]並且早用濕紗布覆蓋，再任其自然乾燥，即所謂的濕至乾敷料（wet-to-dry dressings）包紮。^{[1, 4]}視傷口情況，可能得再度清創，然後才舖上無細胞魚皮敷料，並施以負壓傷口治療。7日後，檢查可否移植皮膚。^[1]

戰爭結束後，亞美尼亞和上述外籍的醫師，共同於美國外科軍醫協會（Association of Military Surgeons of the United States）的《軍事醫學》（Military Medicine）期刊發表論文。他們挑了下列幾個案例介紹：^[1]

• 19歲男性，遭爆破攻擊，含軀幹在內，大面積全皮層燒傷，其中左腳跟傷至見骨。於受傷第8天敷上魚皮前，已經接受過清創手術。（照片）^[1]
• 32歲軍人，原文未提性別。骨骼外固定器支撐著右小腿的開放性骨折，傷口面積為15 cm × 21 cm。歷經3次清創，才蓋上魚皮。每3天檢查一次，順便換敷料。換過3次後，進行皮膚移植手術。（照片）^[1]
• 28歲男性，白磷爆炸所致的全身燒傷，佔總體表面積的75%。以高壓水刀（water jet；hydrosurgery）清理後，進行10次清創手術，再敷上魚皮代替人類皮膚移植。（照片）^[1]

戰時療傷利器

整體而言，他們照顧的傷患無人感染，而且無細胞魚皮敷料加速肉芽生長，傷口復原快了幾天到數週不等。^[1]不僅使單純填補的皮膚移植手術能提早進行；甚至讓自帶血液供應的皮瓣移植，必要性減少。^{[1, 5]}這篇論文的部份作者或許代表廠商立場，分析的樣本數又有限；^[1]然而《Cureus》期刊的文獻回顧，也指出無細胞魚皮敷料的療效，對於燒傷和糖尿病的足部潰瘍，優於許多其他敷料。^[6]更重要的是，亞美尼亞的這篇論文，提到無細胞魚皮敷料輕盈，容易運輸、儲存，使用方法又簡單。這在物流受阻的戰爭時期是相當關鍵的優點。^[1]

備註

1. 根據2023年7月7日的新聞稿，丹麥公司Coloplast已經併購冰島公司Kerecis。^[7]另外，臺灣的衛生福利部食品藥物管理署，於2018年8月核發二級醫材藥證，給美時公司引進的Kerecis 無細胞魚皮敷料。^[8]
2. 大西洋鱈魚和尼羅吳郭魚（Nile Tilapia）的魚皮，都可以用來製作無細胞魚皮敷料。^[6]

參考資料

1. Reda F, Kjartansson H, Jeffery SLA. (2023) ‘Use of Fish Skin Graft in Management of Combat Injuries Following Military Drone Assaults in Field-Like Hospital Conditions’. Military Medicine, usad028.
2. Zaver V, Kankanalu P. (09 SEP 2022) ‘Negative Pressure Wound Therapy’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
3. Lee E, Park SI, Kim D, et al. (2018) ‘Modified bolster dressing with continuous suction improves skin graft survival for an oral cavity wound’. Journal of Otolaryngology – Head & Neck Surg, 47, 68.
4. DG Wechter, DC Dugdale. (11 MAR 2023) ‘Wet-to-dry dressing changes’. MedlinePlus, U.S.
5. Prohaska J, Cook C. ‘Skin Grafting’. (16 AUG 2023) In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
6. Ibrahim M, Ayyoubi H S, Alkhairi L A, et al. (2023) ‘Fish Skin Grafts Versus Alternative Wound Dressings in Wound Care: A Systematic Review of the Literature’. Cureus, 15(3): e36348.
7. ‘Coloplast announces agreement to acquire Kerecis and raises long-term growth expectations’. (07 JUL 2023) Kerecis.
8. 韓婷婷（08 OCT 2018）「美時新藥迎接開花期 股價價量齊揚」中央通訊社

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

• 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！