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七根手指~讓你單手做更多事!

昱夫
・2014/07/22 ・908字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 469 ・五年級

gettingagrip
Credit: Melanie Gonick/MIT

電玩打到一半突然覺得口乾舌燥,你望向手邊未開瓶的飲料,再看看螢幕上的隊友…… 你知道,你的雙手必須分工合作,以單手繼續奮戰;另一隻,得獨自解開開瓶的成就。

對許多人來說,要單手開瓶絕非易事,其他像是單手轉螺絲、單手剝香蕉等等,往往在雙手受限的情境下令操作者傷透腦筋,但如果你有7根手指呢?一切會不會簡單多了?麻省理工(MIT)的科學家們(Harry Asada團隊)設計了ㄧ款模擬人類手指的機器義肢,能自動配合手部姿勢,幫助使用者以單手完成困難的動作。

這款義肢是讓使用者配戴在手臂(裝有執行驅動程式),並延伸出兩段長型「手指」至手掌兩側,作為實質上的第六根及第七根手指。當使用者伸手抓取物品,機器手指將能自動配合手部的動作,進行旋轉、握緊,給予物體更好的支撐。(見下方影片)

為使機械指能自然配合人手,研發團隊分析了人體手部的運動,發現在抓握過程中,五指是彼此連動的,且其動作可以簡單分解成兩種模式:1. 手指合併 2. 手指扭轉向內;不論抓取什麼東西,基本上都能以這兩種運動組合完成。

另外,科學家也實際以機械指搭配真正的手進行測試:每當人手抓住物體,便手動調整機械指,藉此找到最佳的機械指擺放位置、角度,再由電腦記錄下來(記錄結果顯示機械手指的最佳位置通常和真正手指的運動模式類似,且同樣可以簡單拆解為2~3種模式)。由這些資料,研發團隊設計出了配合手指自然運動的驅動程式,讓機械指更加”人性化”。

目前這款機械指仍有一些侷限,像是只能透過控制位置來協助抓取,尚無法在「力度」上作出調整;而且考慮到每個人的手部習慣不同,未來機械指的驅動程式也必須具備學習能力,當你使用它越久,它越能了解你的習慣,進而提高配合度(就像Siri一樣)。

對於這項產品,還有一項令人期待的願景,就是可以和穿戴式裝置結合,成為手錶或是手環的一部份;當需要使用時,機械指即自動彈出進行輔助,用完後再度收納回手錶,既節省空間又具便利性,讓科技更加貼近生活。

 

延伸閱讀:

資料來源:Getting a grip on robotic grasp [PHYS.ORG, July 18, 2014]

文章難易度
昱夫
57 篇文章 ・ 1 位粉絲
PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1641字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 481 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌
Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎
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Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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「多趾貓」怎麼來的?解析生物手指的形成秘密——《我們身體裡的生命演化史》
鷹出版_96
・2021/09/18 ・1519字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

以前的水手相信六趾貓能給船隻帶來幸運。人們相信這種「多趾貓」(mitten cat)因為腳掌比較寬闊,在海上維持平衡的能力比較強,因此抓老鼠更厲害。

船長史丹利.戴克斯特(Stanley Dexter)有了一窩這樣的貓,還把其中一隻送給當時住在美國佛羅里達州基威斯特(Key West)的朋友海明威(Ernest Hemingway),這隻叫做「白雪」(Snow White)的六趾貓後代,現在依然在海明威的房中居住。除了是吸引觀光客的亮點之外,這些貓也參與了基因組運作新概念的誕生過程。

人類有的時候也會多出手指或是腳趾。大約每千人中就有一人生來手或腳會多出指頭。有個極端的例子出現在 2010 年,一位印度出生的男孩總加起來有三十四根指頭。多出來的指頭可能長在拇指外側或是小指外側,或是手指分成兩個或有分岔。在拇指外側多出來的指頭稱為「橈側多指」(preaxial polydactyly),在生物學上特別重要。

手指的形成,依靠一小群細胞發號司令

1960 年代,科學家研究雞卵,好瞭解在胚胎發育的過程中,翅膀和腿如何形成。四肢像是小芽般從胚胎上長出來,有點像是小管子。過了幾天之後(這個「幾天」因物種的不同而有異),隨著小芽生長,骨頭開始成型,末端的形狀有點像是扁平的槳,而指頭、腕部和踝部全都在這個擴大的部位中形成。

科學家發現,如果調動或移走槳狀部位裡的細胞,就能改變後來指頭的數量。如果從頂端切除一小片組織,肢體的發育就會停止。如果在發育早期切除這條組織,那麼胚胎形成的肢體上指頭會比較少或是沒有指頭。如果在稍晚一點的階段切除這一條,那麼胚胎可能只會少一根指頭。在這個實驗中,發育所處的階段非常重要:早期切除造成的效果比較顯著,晚期的較不明顯。

圖/Pexels

威斯康辛大學的約翰.桑德斯(John Saunders)和瑪莉. 蓋斯林(Mary Gassling),從肢芽正在生長的槳狀部底切了一小片組織下來(年代久遠,這麼做的原因已不可考),那片組織平凡無奇,看起來沒有絲毫不尋常,所在的位置就是在槳狀部位後來會長出小指的地方。兩位科學家看著這片不到一毫米長的組織,將它移植到肢芽的另一側,也就是之後會長出拇指的位置。完成了之後,他們把胚胎封回卵中,讓它發育完全。

這個胚胎發生的變化出乎意料之外。孵出的小雞看起來很正常,有一個喙、有羽毛、有翅膀,只不過正常的翅膀有三根長指頭,這隻小雞卻有六根。那一小片細胞團中含有製造指頭的指令。

其他實驗室馬上加入研究行動。1970 年代,英國有個研究團隊把小片錫箔放在那片組織與肢芽的其他部位之間,阻擋該片組織和其他細胞的接觸,結果翅膀的指頭數目減少了。這代表那片組織釋放出的某些化合物會擴散到發育中的肢體去,刺激指頭的成形。當錫箔片阻止了擴散,發育出來的指頭便減少。如果把錫箔放到肢體的不同位置,形成的指頭則會增加。但是那種化合物是什麼?

1990 年代初期,三個各自獨立的實驗室利用新的方法,找出那種蛋白質以及編碼該蛋白質的基因。在肢體發育的過程中,該基因製造出來的蛋白質會擴散到肢芽的槳狀部位。研究人員發現,擴散的程序會告知細胞群該要形成哪一根指頭。蛋白質濃度高會讓小指成形,濃度低會讓拇指成形,中等濃度則會讓小指和拇指之間的指頭成形。有個團隊把這個基因命名為「音速小子」(Sonic hedgehog),這個名字有兩個梗:在其他物種中有一類基因叫做「刺蝟」(hedgehog),而「音速小子」是當時流行的電動遊戲主角人物。

——本文摘自《我們身體裡的生命演化史》,2021 年 月,鷹出版

鷹出版_96
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