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飛天機械水母

陸子鈞
・2014/01/20 ・569字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

過去出現過機械鳥、機械蚊子,但是還沒有像「飛天機械水母」這樣振翅的人造飛行器。

紐約大學柯朗數學科學研究所(Courant Institute)的Leif Ristroph博士,設計了這款輕巧的飛行機械。這款「飛天機械水母」沒有任何感應器,單靠翅膀的運動來保持機身平衡。Ristroph博士希望能設計出別於直升機、機械昆蟲的新型態滯空飛行器,所以他第一個思考的問題是:「最簡單能產生升力的機械構造是什麼?」

不過振翅的空氣動力非常複雜,Ristroph博士無法從數學公式預測出可能的模型。研究團隊在嘗試的過程中,發現金字塔形、或者錐形最可能成功,所以他們把模型放在氣流上,看看模型的動態。後來,研究團隊才想到設計成像水母的「撲翼飛機」(ornithopter)-雖然和在水中相比,「飛天水母」比較難維持在空中。

Ristroph博士以工程的角度(問題能解決就好?)解決了飛行穩定性的問題,但是數學上仍是個謎。他說:「其實我們不完全理解它是怎麼飛的。」研究團隊將這個謎團留給科學社群破解。雖然打造飛天機械水母並不是Ristroph博士的原意,不過如果這款機械有了應用價值,他說也會因此感到非常興奮。

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Jellyfish-like-Flying-machine

資料來源:With Math as Inspiration, a New Form of Flyer. NYT [ JAN. 15, 2014 ]

研究文獻:Leif Ristroph and Stephen Childress. Stable hovering of a jellyfish-like flying machine. J R Soc Interface 2014 11: 20130992

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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守護飛行安全的重要後援!航空氣象知多少
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/04/19 ・3347字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 我的青航時代-2023航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣,地形複雜,天氣的變化多端,比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報,才能順利規劃日常生活起居;在天空中翺翔的飛機,同樣也必須仰賴航空氣象的資訊,才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧!

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事,如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事,都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告,台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中,「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全,能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報,供飛航作業人員參考,便至關重要。

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2012-2021 年民用航空運輸業重大飛航事故原因分類統計(單位:事件個數)
。圖/國家運輸安全調查委員會

那麽氣象資訊是怎麽來的呢?幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場,堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺(松山、桃園、高雄、豐年及金門)與 5 個任務臺(蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿)[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責,就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援,全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來?來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測,絕對少不了各種氣象裝備的幫忙!任憑氣象七十二變,氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況,確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統(Automatic Weather Observation System,簡稱 AWOS),是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目,讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時,最擔心遇到增加飛行難度的風切(Wind Shear)。風切指的是大氣中不同兩點之間,風速或風向的劇烈變化。低空風切(Low-level wind shear)則是指 1600 呎(500 公尺)以下空氣層中的風切,可能造成飛機難以操控而被迫重飛,甚至失速導致飛航事故,因此需格外注意。

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針對棘手的風切問題,氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統(Low Level Wind-Shear Alert System,簡稱 LLWAS),利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時,系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊,提醒氣象觀測員及塔臺管制員,發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

低風切警報系統中的測風塔。圖/飛航服務總臺

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達(Doppler weather radar),長得就像一個巨型氣球,是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達,掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員,負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警,可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動,提供資訊給飛航相關人員作業參考,確保飛行安全。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達。圖/飛航服務總臺

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密!

如果你拿到一份航空氣象報告,恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼,其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀,就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途,航空氣象報告可以分成不同的類型,以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模,航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report,簡稱 METAR),供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時,則會發布機場特別天氣報告(Aviation Special Weather Report,簡稱 SPECI)。另外,觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報,提供航機進行作業因應規劃。

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若需要預測更長程的天氣變化,臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報(Terminal Aerodrome Forecasts,簡稱 TAF),其有效時間長度分為 30 小時/24 小時/18 小時等三類,讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃,作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上!如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中,天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便,更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴,航空公司可能會取消或延誤航班,以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變,機師也可能需要改變飛行路線和高度,以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗:明明天氣很好,來到機場卻遇上航班延誤的消息,而感到困惑不解?這些讓旅客滿肚子哀怨的情況,其實也都是為了安全考量,所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好,並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時,機師必須完全看得見跑道及地面狀況,覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區,都可能造成能見度下降,造成飛機不能按時降落。飛行時,若航路前方有雷雨天氣,基於安全考量,機師通常會繞過或飛越,也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場,常因地形產生風切亂流,導致飛機降落困難,不得不重飛或返航,延誤航班。

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此外,同樣是飛往某地的航班,也可能發生有些能走,有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同,適航標準也不同。即使是相同的機型,也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異,綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後,對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手,航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步,建設各項線上即時的氣象資訊服務,包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用,以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁,也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊,開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生,可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

航空氣象資訊 APP 使用介面。圖/飛航服務總臺

【註解】

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  1. 任務臺業務分別由豐年 (業管蘭嶼、綠島)、高雄(業管恆春)、松山(業管北竿)及桃園(業管南竿)航空氣象臺負責管理。

參考資料

  1. 飛航服務總臺:航空氣象服務介紹
  2. 飛航服務總臺:臺北航空氣象中心
  3. 飛航服務總臺:氣象裝備
  4. 台灣飛安統計(2012 – 2021)。國家運輸安全調查委員會。
  5. 飛航服務總臺:桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
  6. 航空氣象服務網
  7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
  8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
  9. Wikipedia – 終端機場天氣預報
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迷航的中國氣球怎麼飄到美國?其實早能預測飛行路徑?
PanSci_96
・2023/02/14 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘

日前,在距離美國海岸線一萬八千公尺的領空,飛彈 AIM-9X 擊中了一顆大型高空氣球;美國與加拿大國防部公開聲明,該氣球來自中國。

這顆氣球在被擊落之前經歷了一段相當漫長的旅程,從中國出發後,沿途經過日本、阿拉斯加、加拿大、美國本土,最後才在大西洋外海被擊落。

如何推算飛行路線

該飛行路徑是由美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)使用 HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模型計算出的。

HYSPLIT 為一計算模型,可模擬在 100 公里內大氣環境中,任何位置釋放煙霧等粒子後,其隨著大氣傳播和轉移的軌跡;常用於森林大火、工業區廢氣的擴散,如:加州大火、福島核災等事件,以模擬污染物擴散軌跡,確保其不會進入人口密集區。

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若將 HYSPLIT 反向應用,就可透過計算擴散軌跡回推污染傳播路徑,以定位污染源位置。而此次的氣球事件,就是分析大氣氣流方向回推其可能路徑,最終推測出飛行起點位於中國。

氣球為何往東飛

氣球從太平洋西岸飛往東岸,原因不僅僅是為了要避開其他國家的領空,還因為這條「高空航線」只向東開放。在北半球的大氣環境中,風的方向通常是由副熱帶高壓帶吹向極地區域,加上科氏力影響,在中緯度高空會形成一條相當寬的「西風帶」;可想而知,也就成為了氣球環遊世界的最佳航線。西風帶會持續向東移動,對於颱風、洋流以及全球氣候系統都有深遠的影響。

中緯度盛行西風(藍色箭頭)。圖/維基百科

既然氣球乘西風飛翔,為何氣球走的不是直線,而像是繞遠路呢?難道它真的利用自主動力,繞開敏感地區嗎?

打開空中地圖來看,這顆氣球在進入加拿大後,一路向南抵達美國本土,這與「空中快速道路」——噴射氣流的路徑高度相似,因此很可能氣球就是搭著這股氣流前行。噴射氣流通常位於對流層頂部,因巨大的氣壓與溫度差,流速每小時可高達 200 至 300 公里;過去就有人利用噴射氣流降低航空器的油耗,甚至嘗試用來發電。

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既然它是搭乘噴射氣流移動,所以它應該就沒有動力囉?也不一定。目前無法知道這顆探測氣球的確切規格,其搭載的太陽能板除了提供儀器電力外,也可能在某種程度上提供動力。

由於氣候影響很大,釋放氣球也得要考量季節。在冬季的降溫下,西風帶會變得更加寬廣,風速也較為強勁;等到了夏天北半球漸暖後,西風帶就會變得狹窄且緩慢。因此,不論是過去的日本氣球炸彈,還是這次的探測氣球,都選擇在冬季釋放。

然而,氣球的路程並沒有一路大順暢。就正常情況而言,氣球在兩天內就該飄離,但這趟旅程就這麼剛好地遇到了平流層突然變暖,使得西風帶減弱,造成氣球的飄移速度下降,也就在美國本土多滯留了幾天。

究竟飛多高

這顆氣球在離開美國時,高度預計在一萬八千公尺以上。

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一般民航機飛行高度約為一萬一千公尺。圖/Envato Elements

民航機通常會選擇在一萬一千公尺的高度飛行,這剛好是大氣對流層與平流層的分界,平流層的氣流穩定性,使航程不那麼顛頗,而越往上空氣也會越稀薄,飛機越難取得足夠的爬升力。就氣球的一萬八千公尺而言,在美國現役的戰機中僅有 F-22 能上升到兩萬公尺,在安全距離內破壞氣球。

那為什麼不是以飛機用機槍將氣球射下呢?有必要用到要價 40 萬美金的響尾蛇飛彈嗎?過去加拿大也曾有氣象氣球失控朝著俄羅斯領空飛去,然而高速飛行的飛機不僅難以瞄準氣球,靠著打出的幾個小洞也無法將其擊落,只能盯著它慢慢洩氣,最後墜落。

這次美國等到氣球離開陸地再一次性擊落,在能掌握情況的前提下,可能為最佳方式了。

氣球比你想像得還要有用

氣球能上到一般航空器到不了的高度,充分展現了其戰略價值。

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而能上到兩萬五千公尺以上的探空氣球,同步串聯全球大氣資料,各國氣象研究單位藉此分析出完整資料。探空氣球的任務就是在緩緩上升的過程中,紀錄每個高度的溫度、濕度、氣壓、風向、風速、GPS 訊號等變化,做到大氣垂直方向上最精細的測量。

全球的探空氣球會統一在格林威治時間 0 點與 12 點釋放,台灣當然也沒缺席,同時間也就是台灣早晚八點,會從彭佳嶼、新店、花蓮、馬公機場、屏東機場、綠島、東沙島等地釋放探空氣球,遇到特殊天氣,下午兩點還會再多放一次。

探空氣球攜帶無線電遙測儀器,進入大氣層測量各種參數。圖/維基百科

商業氣球還能用來做什麼?其實在馬斯克的星鏈計畫之前,Google 也有類似計畫——Project Loon,要讓全世界偏遠地區都能上網;Project Loon 使用的就是可上升至兩萬公尺的網路氣球,而這項技術早在 2013 年 6 月於紐西蘭實驗成功。雖然 Google 已於 2021 年放棄該計畫,但這種概念並沒有因此消失,可作為發生天災、或遭遇戰事時,便宜、方便的重要通訊替代方案。

這次的氣球漂流記,撇除牽扯到兩大強權國的政治角力,讓全球民眾見證了,看似不起眼的氣球,能完成超高難度的移動。

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過去出現過機械鳥、機械蚊子,但是還沒有像「飛天機械水母」這樣振翅的人造飛行器。

紐約大學柯朗數學科學研究所(Courant Institute)的Leif Ristroph博士,設計了這款輕巧的飛行機械。這款「飛天機械水母」沒有任何感應器,單靠翅膀的運動來保持機身平衡。Ristroph博士希望能設計出別於直升機、機械昆蟲的新型態滯空飛行器,所以他第一個思考的問題是:「最簡單能產生升力的機械構造是什麼?」

不過振翅的空氣動力非常複雜,Ristroph博士無法從數學公式預測出可能的模型。研究團隊在嘗試的過程中,發現金字塔形、或者錐形最可能成功,所以他們把模型放在氣流上,看看模型的動態。後來,研究團隊才想到設計成像水母的「撲翼飛機」(ornithopter)-雖然和在水中相比,「飛天水母」比較難維持在空中。

Ristroph博士以工程的角度(問題能解決就好?)解決了飛行穩定性的問題,但是數學上仍是個謎。他說:「其實我們不完全理解它是怎麼飛的。」研究團隊將這個謎團留給科學社群破解。雖然打造飛天機械水母並不是Ristroph博士的原意,不過如果這款機械有了應用價值,他說也會因此感到非常興奮。

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