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「仿生」在藝術與設計界正夯!

dr. i
・2013/05/14 ・1547字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 522 ・七年級
穿山甲的背鱗結構

最近忙於科技藝術創作之於,很有幸地受元智大學藝術與設計系的系主任阮慶岳老師邀請,到該系所做大三的期中作業評圖。雖然是第一次到藝術與設計系做評審,但是學生的作品卻都是自己很熟悉的領域啊!

怎麼說呢?學生們在兩位優秀老師的指導下,分組做出兩類型的作品,一是仿生設計組,一是產品設計組。今天先來講我看完仿生的感想好了。

另外兩位老師講評

仿生(Bionics)

所謂的仿生的意思,當然就是經由觀察動物或植物的行為,用人工的方式設計出可以模擬這些行為的機構。例如之前曾經報導過的機器鳥可以捕捉獵物的飛行器、和由象鼻蟲的鱗甲所啓發的新式材料等等。

那麼為什麼要大費周章地去模擬動植物的行為呢?演化論告訴我們所有這些行為都有某種適應環境的功能,以學生所選擇的題材來說,鳳仙草裝盛種子的外殼成熟時會自我爆裂,將裡頭的種子彈開,為繁衍之用;穿山甲的鱗甲在遇到危險的時候可以捲曲並緊閉成為一片盔甲,為自衛之用;傘蜥蜴顎下的傘狀物在遇到威脅時打開,為威嚇之用。

分析鳳仙草的組成元素

學生們都做的非常棒,有的真的做得栩栩如生,有的則卡在技術的部份讓整體的效果無法呈現。就我在國內外累積的十來年研發經驗,在現場個別給了學生很多建議,這邊提一個大原則給有興趣做仿生的朋友們做參考。

仿生不能缺乏的就是觀察,和抽絲剝繭的能力,把所看到的現象分析成為可模擬的項目再逐一去實現。實現的方式有兩種,一個是「由下至上(Bottom-Up)」,另一個是「由上至下(Top-Down)」。

鳳仙草的模擬結構

由下至上(Bottom-Up):這種是先去剖析物件的組成元素,這可能是分子、細胞、或骨骼的型狀,和它們的連接方式,包括韌帶、肌肉、纖維等等,複製和重建他們,讓完成的結構能夠達成他們母體的動作和行為。透過這種最基礎的方式所作的結構是最完整的也最接近真實的,但是缺點就是耗時,並且往往技術門檻也較高。

由上至下(Top-Down):挑選出要模擬物件的主要元素,並且針對這幾項元素設計底下的機構,這些機構也許和物件原來的機構差很多,但是至少是能達到想要模擬的效果。這種方式好處是速度快,技術的難易度也較能依自己的能力和手邊的資源來掌握,缺點是往往作品能模擬的就是當初設定好的那幾項,要延伸功能的話可能需要更換成另外一種技術才能做到,也就是說後續的延伸能力不高。

傘蜥蜴的模擬結構

舉一個例子,假如我要模擬人的轉身動作,用Top-Down的方式我只需要兩個方塊,並且透過一個軸心連結,這樣我可以模擬上半身旋轉,但保持下半身不動的狀態。若是用Bottom-Up的方式,我則會設計出多個像脊椎骨盤的物體,再連接他們做出一個像脊椎的結構。這樣看起來好像後者有點多此一舉,這麼大費周章地來模擬轉身這一個簡單的動作。確實是這樣沒錯,不過若今天我說,還要有彎腰撿東西的動作。那麼後者的設計可以直接做到,而前者的方式所設計的機構就沒有這個功能囉!

往往過程中會在這兩種之間來回選擇使用,隨著經驗的增加,會比較知道什麼情況下最適合使用什麼方式。

希望對有興趣研究仿生的讀者們有些幫助!

轉載自 :: dr. i ::  新發現 | 新科技 |  新生活 |  新藝術 欲轉貼請註明文章出處

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dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience


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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_96
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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》