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「我造的不是機械,是魚」-賦予海洋垃圾新生命的林正道

PanSci_96
・2013/09/05 ・3760字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

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▲林正道老師在科學玩意節展示機械魚

前陣子z編在科教館辦理的「科學玩意節」看到海洋樂教室展示的機械魚,非常驚訝,無論是看起來、摸起來都像真的魚一樣,而且游起來還栩栩如生,可說是以假亂真。z編決定前往訪問製作出這些機械海洋生物的高手-來自日本的林 正道老師

展示各種機械海洋生物作品,如果搭配碎冰堆,就很像海產店了。(照片由圓方創意提供)
展示各種機械海洋生物作品,如果搭配碎冰堆,就很像海產店了。(照片由圓方創意提供)

走進工作室,長桌上擺著各式已經完成的海洋生物,令z編有種走進魚市場的錯覺。穿著短褲T恤、一身黝黑、留著一頭伶俐短髮、非常有朝氣的林正道老師放下手邊工作,和PanSci的讀者朋友分享製作機械魚的心路歷程。(z編沒有翻譯蒟蒻,不過透過中日口譯的朋友幫忙,能順利訪問林正道老師)

朝氣十足的林政道老師 (照片由圓方創意提供)
皮膚黝黑,朝氣十足的林正道老師
(照片由圓方創意提供)

z:從製作機械魚的靈感出現後,到真正製作出第一份作品隔了多久?中間遇到哪些困難?

林:這個點子會出現,是因為有一次我和幾位小朋友在海邊看到很多垃圾,其中有個小朋友就說:「要是這些垃圾可以游泳就好了!」我就想到可以用這些垃圾搭配機械零件製作出機械魚。一開始我拜訪了一些研究單位、大學老師、汽車公司、還有HONDA二足機器人的研究團隊,可是他們只有一疊一疊的研究報告,對我的點子只說:「不可能」。過了很久,我才明白:「我要作的是海洋生物,而不是機械」,念頭改變之後我才有辦法做出很真實的機械魚,第一份作品出來的時候已經過了四年半了。

z:製作過程有哪些困難的點需要克服?

林:困難的點很多,隨著一個問題解決之後,又會出現新的問題。一開始我想到用伺服馬達表現魚的動作,第一個要克服的就是怎麼讓死板的二維機械運動,變成像魚一樣優雅地擺動;像我們的肌肉(林老師一邊指著自己的二頭肌說明)可以牽動手在一個平面上動作,如果兩個以上的肌肉就能做立體的動作(林老師邊說還邊大幅度擺動整隻手臂,肌肉爆炸!),所以我用了很多組馬達讓機械魚的動作比較豐富。還有另一個問題是「骨骼」,我找了很多材料,最後決定用「鋁」來做機械魚的骨骼。

克服了「肌肉」和「骨骼」,第二個問題是「關節」。你會發現我們的肌肉(二頭肌)雖然只能讓手在平面擺動,可是其實手稍微也能彎向平面的兩邊;如果我把馬達(肌肉)用螺絲鎖在鋁條(骨骼)上,動作就會很死板。我就想到應該要像動物一樣有軟骨,所以我就在鋁條還有馬達之間墊海綿或是橡膠,再纏上膠帶固定。

再來是動物的脂肪(林老師說著,就順手掐了自己的小腹)。我試了很多種材料要作機械魚的「脂肪」都不滿意,像是矽利康、海綿……最後我才用了棉花;不過會使用棉花也是意外,那是有一天我家前面被丟棄了一張別人不要的棉被,我就想說:「耶?也許可以試試看」,才找到適合的材料。

機械魚的表皮也試了很久,有一次撿到壞掉的潛水衣,是我嘗試過最適合當皮膚的材料。後來我就去潛水衣工廠要那些剪裁剩下來的布料,才知道原來那些多餘的布料不能焚燒,因為會產生毒氣,所以都掩埋處理。「表皮」間的黏合我是用天然膠,因為我們帶這些魚去醫院表演、關懷病童的時候,有些病童會把魚放到嘴巴裡咬,而且我也不希望這些機械魚在水中表演的時候會釋出有毒物質,所以才特別找了天然膠。不同的魚種我還會製作不同質地的表皮;像是鯨豚就比較光滑、鯊魚就比較粗糙、魚類還有層層上漆表現出鱗片的觸感。

最重要的就是機械魚的重量。剛剛提到的這些材料都很輕,組合之後不可能沉到水裡游泳,而且更重要的是生物自己的重心;萬一重心不對,就不能靈活運動。我目前做過最難抓重心的生物就是海龜,萬一重心沒做好,海龜游泳的時候就會傾一邊,看起來很不自然。

▲機械魟魚

z:在製作之前都會研究生物在自然情況下的行為嗎?

林:我看過很多海洋生物,還有很多解剖的經驗-連腔棘魚都剖過,除了你現在看到(老師往工作長桌一指)的這隻長頸龍之外;沒有人知道他在自然情況下怎樣動作。

(z:「也許可以去尼斯湖看看?」林老師用很認真的語氣回答:)有呀,我還有參考各地博物館的化石,從有限的訊息推敲牠的行為,像是牠的尾巴很短,所以可能主要是靠槳狀的四肢擺動前進。有人認為長頸龍在游泳的時候會伸長脖子潛水,但是其實這樣水阻很大,所以我認為牠多半時候是將脖子伸在水面以上行動,這樣就可以俯瞰四周的獵物,再伸出脖子去捕食;而且他牙齒的化石看起來也像捕蠅草那樣,很符合這樣的捕食還有游泳行為。

z:對海洋生物這麼了解,是因為之前就讀相關科系嗎?

林:我之前在東海大學(日本)念海洋學(驚!z編馬上表示自己也是東海大學畢業…不過是在台灣 XD),後來還念了研究所。其實我父親是漁夫,在我六歲的時候就教我浮潛;(林老師忍不住興奮地說)也因為這樣,我對海洋生物的認識已經超越大學老師,在大學四年都是第一名而且是「優待生」,學費全免,後來還得到了「總長賞」。

(林老師補充道:)「總長賞」是很大的獎,得到這個獎的學生可以很容易進到心目中屬意的學校、研究單位或者公司。但是我決定自己開設學校-也就是海洋楽研究所,希望傳授學生認識海洋生物、如何跟海洋生物相處,畢業的學生很多就到水族館、保育機構任職。不過後來我得了癌症,沒辦法下水,就離開學校去古宮島修養;也是因為在那邊遇到來自世界各國的海洋垃圾,才有機會引起我開始製作機械魚。

▲機械海龜

z:最滿意的作品是什麼?

林:(思考了一下……)應該是海豚吧,因為最多小孩喜歡這份作品。我第一份作品就是海豚,後來也成為製作機械魚的標準。海豚比魚還難做,因為海豚的動作比魚還多樣,而且重心也不在底部;對機械來說,重心在底部就比較容易製作。一開始我製作海豚有用寶特瓶做「肋骨」,而且海豚全長就差不多是寶特瓶的長度。後來的設計就沒有作「肋骨」,但還是多製作這樣大小的機械海豚。

z:有想作但還做不出來的海洋生物嗎?

林:沒有(老師超級有信心的!)。要說的話……我想目前還作不出來會游泳的「機械林正道」吧。

z:會不會想製作一隻超大機械魚來吞海洋垃圾?

林:有作過呀,還有三隻喔!(驚!z編突發奇想的點子還真的有咧?!)其實那是一場收集海洋垃圾的機器人大賽(堀川エコロボットコンテスト),我們團隊就作了一隻豆腐鯊(鯨鯊)、一隻魟魚、還有一隻海龜,鯨鯊跟海龜是可以讓人在上面駕駛的!魟魚是用「吸」的來收集垃圾。

比起吞垃圾的機械魚,其實我最希望的是藉由機械魚喚起人們重視海洋垃圾問題。

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參加收集垃圾比賽的三種機械生物,左起:鯨鯊、魟魚、海龜。
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駕駛機械鯨鯊收集垃圾

z:回日本之後,台灣這邊的機械魚計畫會繼續進行嗎?

林:圓方創意會讓這個計畫繼續在台灣發展。這群台灣學生(北科大機器人社)的機械製作技術非常厲害,沒多久就能做出我設計的機械海洋生物,不過他們對海洋生物不熟,還沒辦法設計出很自然的動作,或者模擬出很像的外觀,所以需要多和海洋生物專家交流。我希望這群學生和海洋專家,可以將我的理念在台灣萌芽,而且再散佈到世界各地。

我會用我的餘生推廣機械魚製作,不只是為了喚起大家對海洋生態、垃圾問題的重視,更希望那些因為生病而無法玩水的小孩,會因為機械魚而受到鼓舞,期許能趕快康復,去接觸真正的海洋生物。我認為科學家該做的就是利用科學去傳達對自然、對世界的愛,而不是只產出一疊疊的研究報告。


聽完林正道老師的分享,z編也訪問了北科大機器人社的同學,這次和林正道老師合作,對他們也是一種新體驗,陳科任同學說:「以前我們製作的機器人就很單純,只是電子元件跟結構,不太重視外觀。可是機械魚不只是動作要很生動,外觀也要很像真的魚,所以對我們來說是新的挑戰。」在工作桌旁邊的大螢幕中,就正播著海洋生態紀錄片,同學們希望初期可以藉此多觀察魚的外表還有行為,之後再親自接觸到這些海洋生物。

圓方創意的吳昆儒執行長說:「這次邀請林正道老師來台,第一階段就是要在台灣埋下種子,於是找了一群同學來和林老師學習。第二階段要找一個固定的據點,還有想辦法帶著這些機械魚到醫院巡迴展出;這一階段很辛苦,得賴於各方的幫忙才行。第三階段就是希望這些機械魚能夠更精緻,像是會發出聲音,或者彼此協同動作……不過這還太遙遠,現在就只是個夢想。」

9月7號,那隻傳說中的機械長頸龍要在台北青年公園的游泳池首度下水了!這是林正道老師回日本前留給台灣的一項大作品,也希望能藉著機會喚起更多科學家用科學呈現對大自然的愛。一起去目睹長頸龍的風采吧~

林政道老師搭上機械海龜,一秒變浦島太郎? (照片由圓方創意提供)
林正道老師搭上機械海龜,一秒變浦島太郎?
(照片由圓方創意提供)
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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未來可能會有這個職業嗎?專門捕撈塑膠的塑膠漁夫!——《拯救地球的工作者》
和平國際
・2022/11/04 ・1290字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

塑膠漁夫:打撈塑膠就是我們的工作!

「今天又是出海的好天氣!」亞美迪歐和其他塑膠漁夫歡聲雷動,每一天,他們都要拯救受汙染的海洋。自從人類有了石油,就發明出便宜好用的材料─塑膠。可是塑膠被丟棄後會一直在環境中漂流,不會消失。

亞美迪歐的團隊為了捕撈塑膠,會運用特殊設計的磁網,只吸引塑膠垃圾,不影響魚兒在水中的生活。

「糟糕,又來了!這星期已經發生第二次了!」亞美迪歐說完,立刻跳上救生船,原來是遠方有隻信天翁被塑膠網纏住,不斷在水裡揮動巨大的翅膀,發出淒厲的叫聲。

救援行動當然不輕鬆,耽誤了一些工作時間,還好幾分鐘之後,信天翁終於重獲自由了。

除了大型塑膠垃圾外,海裡還潛藏著肉眼看不見的危險物質─塑膠微粒。它們比髮絲更細、比沙粒更小,如果被魚吃下肚,最後會成為人類盤中的食物。

這時候就要動用塑膠漁夫的最新發明。「摩比,做得好,看看你今天能吞噬多少塑膠微粒?」亞美迪歐一邊大喊,一邊走向船尾,一臺貌似藍鯨的機器人從水中冒出來,嘴裡布滿特殊長牙,這些長牙的功能類似過濾器,專門捕撈塑膠微粒。

亞美迪歐大聲歡呼:「還不賴,這裡乾淨多了!現在大家該去睡個好覺,明天繼續往南!」

海洋裡到底有多少塑膠垃圾?

4 億噸:塑膠每年在全球被製造出來,相當於 66 座吉薩金字塔。

6,000 萬噸:塑膠每年在歐洲製造出來,相當於 1,000 萬頭大象。

2,600 萬噸:歐洲每年丟棄的塑膠,其中不到 30% 被回收。

1,000 萬噸:歐盟制定目標,預計在 2025 年,每年至少要回收的塑膠重量。

700 種生物正受到海洋塑膠垃圾的傷害

  • 35% 是鳥類;
  • 27% 是魚類;
  • 20% 是無脊椎動物;
  • 13% 是哺乳類動物;
  • 5% 是爬蟲類。

塑膠漁夫要有的能力

○ 喜歡海洋

○ 對生態學有興趣

○ 會游泳

○ 大而化之

○ 有遠大的目標

○ 清楚回收流程

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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認識「低溫熱裂解技術」——為何它是戴奧辛污染的救星?
科技大觀園_96
・2021/12/27 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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環保署在 2011 年《中華民國重大環境事件彙編》發表《戴奧辛污染事件─揮之不去的世紀之毒》口述歷史,用新詩「燒阿!燒阿!」破題,形容戴奧辛如鬼魅般糾纏著台灣的環境生態,更時時刻刻威脅國人健康。

回顧國內戴奧辛污染事件,最早可追溯到 1979 年的台中與彰化米糠油事件,和 1982 年 12 月臺南市灣裡地區廢五金業者露天燃燒廢電纜產生煙塵,被檢測含有高濃度戴奧辛。但 30 年韶光荏苒,當時負責調查防治戴奧辛污染的環保署毒物管理處前處長陳永仁,在 2011 年口述歷史中感慨的說「我認為目前還沒有妥善處理」,突顯對抗戴奧辛污染依舊長路漫漫。 

也因為缺乏妥善處理,繼灣裡之後,1999 年接連爆發台北木柵焚化爐檢出戴奧辛超標與震驚國際的中石化台南安順廠戴奧辛污染案,2005 年在彰化縣線西鄉發現戴奧辛鴨蛋,2006 年林口傳出山羊遭到戴奧辛污染,2009 年高雄大寮爆發戴奧辛鴨事件,2017 年戴奧辛毒雞蛋流竄桃竹苗地區和新北市…,戴奧辛污染就像潛伏各地的不定時炸彈蠢蠢欲動!

臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)
臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)

 「低溫熱裂解技術」成為戴奧辛污染救星 

9 年前同時接受口述歷史訪談的中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬則在 2014 年帶領研究團隊成功開發「低溫熱裂解技術」,有效裂解戴奧辛、多氯聯苯與五氯酚等含氯污染物,並可讓汞從土壤中脫離,終於使因利用水銀電解法電解海水以製造氫氧化鈉和氯氣而造成汞污染、又因製造五氯酚鈉導致廠區土壤受到戴奧辛及五酚氯污染而荒廢多年的中石化台南安順廠整治露出曙光,也被喻為戴奧辛與重金屬污染整治技術最完整的解決方案。 

「戴奧辛有兩個主要生成途徑。」張木彬指出,第一個是化學製程,例如中石化安順廠在製造五氯酚鈉過程,產生戴奧辛「躲在」五氯酚裡面;第二是高溫燃燒,煉鋼、煉銅、焚化爐甚至燒木屑,也會產生戴奧辛,「都不是我們刻意製造,也無法完全避免,含氯的東西經過高溫催化,就會產生戴奧辛。」  

中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)
中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)

 既然要從「產生」完全杜絕很難,除了在製程盡量降低戴奧辛生成,如何發展有效技術讓它在生成之後,不要從煙囪、飛灰或廢水中排放出來,是防杜戴奧辛污染重要關鍵。張木彬表示,攝氏 250 到 400 度是戴奧辛生成速率最旺盛的「溫度窗」,當化學製程或高溫燃燒產生的廢氣通過煙道的時候,含氯、碳、氧、氫的化合物,經過銅跟鐵催化就會合成戴奧辛。超過 400 度以後,生成速率變慢;更高溫就會被破壞;低於 250 度,活化不夠,生成速率也會變慢。 

「萃冷技術」也因「溫度窗」原理應運而生,讓廢氣通過煙道過程在 1 秒之內從 400 度以上降到 250 度以下,把戴奧辛合成機率極小化,但還是無法達到「零產出」。以焚化爐而言,目前還是普遍採用成本相對便宜的活性碳噴霧法,利用活性碳吸附以氣體分子存在的戴奧辛,再用袋式集塵器把它抓下來,國內現有 24 座焚化爐就有 23 座利用活性碳防止戴奧辛排放至廠外。 

文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。
文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。

然而張木彬認為,活性碳噴霧法雖可有效降低從煙囪排放,卻治標不治本,只把戴奧辛從氣體轉移成固體,抓進集塵器飛灰裡面,問題並沒有完全解決。國內焚化爐每年燃燒處理超過 600 萬噸垃圾,產生 20 萬噸飛灰,都用螯合劑加水泥固化以後,拿到掩埋場處理。年年國泰民安、風調雨順就沒事;但萬一發生強烈地震或類似莫拉克颱風等天災,掩埋場可能被沖垮,裡面的東西就會跑出來,潛在的污染風險很大。 

「最好的方法是發展破壞技術,把戴奧辛分子破壞、分解掉,而不只是把氣體變成固體!這也是我們實驗室一直努力的目標。」張木彬強調,「低溫熱裂解技術」是針對存在土壤或底泥裡面的戴奧辛,抓出來破壞掉並去除毒性,「我們利用氮氣把氧的含量控制到非常低,讓戴奧辛在幾乎無氧的狀態下裂解。」但最重要的核心技術是如何在相對低溫的條件下把戴奧辛完全摧毀。 

在完全燃燒的情形下,要完全破壞摧毀戴奧辛,溫度必須超過 900 度,但溫度越高,消耗能量越大,成本越高,不符經濟效益。「我們發展的技術是在比較低的溫度之下,不超過 350 度,就可以把土壤裡面的戴奧辛破壞掉。」張木彬透露,真正的「溫度窗」很重要,要完全摧毀戴奧辛,除了把它從固體變成氣體,再抓出來裂解處理乾淨;抓準各種氣體分子停留時間,避免讓其再度合成戴奧辛,以及如何給予適當觸媒,必須準確掌握不同的操作參數,才可以真正解決問題。 

政府應重視本土技術落實,解除污染風險 

可惜的是,張木彬研究團隊開發的「低溫熱裂解技術」,雖然被認為是目前已公開發表的研究成果中,最有可能解決戴奧辛與重金屬造成環境多重污染的完整解決方案,但中石化基於成本考量,並未採用他的技術。「就我個人看法,中石化的技術有點東拼西湊,處理流程太長,設備太老舊,事倍功半,沒有達到真正預期的效果。」不過研究團隊並未因此放棄,仍持續鑽研精進「低溫熱裂解技術」。 

「以前的低溫熱裂解沒有加觸媒,近 2、3 年開始研發觸媒配方,希望把溫度從 350 度降到 200 度,甚至於更低到 150 度,讓裂解程序更環保、更省能,成本更低。」張木彬直言,這個當然挑戰很大,但目前已有初步結果,已經降到 200 度,研究團隊正在校驗相關實驗數據,在確認重複性和穩定性以後,才會正式對外公開發表。

 研究團隊語重心長呼籲政府應重視本土化技術研發並落實推廣。台灣工業製程早期產生的集塵灰和焚化廠飛灰,戴奧辛濃度很高,都是隨意棄置,很多土壤可能都受到污染,政府應該確實追蹤調查過去幾年陸續發生的戴奧辛污染事件是否與此有關。怎麼把過去遺留下來的東西與現在還在持續產生的東西,有效防止污染擴散並徹底解決潛在污染風險,要有破釜沈舟的決心! 

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。
枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。張木彬舉例,全台焚化爐每年產生 20 萬噸飛灰,過去長期都是掩埋處理,現在每年新產生的也是直接掩埋,都沒有把飛灰裡面的戴奧辛抓出摧毀處理,讓飛灰從有害物質變成無害。政府若再不善用先進技術,等到各地掩埋場最後貯滿爆掉,就會像核廢料要留給下一代處理,「我們這一代要找出好的處理方法,有效解決問題。」 

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。