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水貼紙隨身電子儀器! Tattoo could monitor your health

Scimage
・2011/09/06 ・435字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 489 ・五年級

軟性電子材料因為可以被彎曲摺疊,所以被認為可以廣泛的應用在電子紙或是衣服式可穿戴電子產品上。但是除了這些,其實還有很多種可能的應用方式。

這影片介紹利用水貼紙的方式,經由水來溶化高分子包覆的元件與基質的黏著,改黏於另一基質,把軟性的電子元件晶片貼附在人的身上,這樣一來,像是血壓的監測、血糖的量測等目前需要固定在某個地方才能量測到的生理數據,都可以藉由這樣的軟性電子元件,配合無線模組直接讀取傳送,當不需要的時候也可以輕易移除。

目前這樣的設計可以固定附著在身體上兩天,經由不同的黏附物質,時間應該可以依照應用來控制。可以想像的是在未來可以輕易監視身體不同部位的生理條件,像是受傷復原與否,肌肉骨骼的情況,運動的情況,甚至更複雜的疾病訊號等。這種對生理的即時監控能力會讓很多醫療的方式有革新的可能。期待更多可能的應用能經由這樣的方式達成。

本文原發表於科學影像Scimage[2011-09-04]

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時時刻刻監測您的「飛行安全」——智慧型手機有潛力作為「大麻檢測器」
帕德波耶特 Pas de poète_96
・2021/10/30 ・3146字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

智慧型手機的功能日趨全面,幾乎就要包辦日常生活大小事,當然也包含我們的健康。有些人拿它來記錄每天的運動狀況,也有人搭配應用程式,監測自己的心肺功能。

但這還不夠,科學家總是能想到更奇葩的需求:未來,你的手機也有機會變身「大麻檢測器」了!羅格斯大學健康暨健康政策與高齡研究所(Rutgers Institute for Health, Health Care Policy and Aging Research)研究團隊,調查大麻使用者的「嗨度」,並將其與機器學習技術做結合,試圖打造能準確判斷大麻中毒程度的日常小工具。

研究發表於《藥物與酒精依賴》(Drug and Alcohol Dependence)期刊[1]

大麻何以讓人愉悅?

法國喜劇劇集《大麻咖啡館》(Family Business)中,年輕企業家喬瑟夫.亞贊(Joseph Hazan)乘著法國大麻合法化的順風車,決定將老父親傑哈德.亞贊(Gérard Hazan)的肉鋪改造成大麻咖啡館。雖說父親一開始很反對,但在偶像安瑞可.馬西亞斯(Enrico Macias)的循循善誘下,父親最終也體驗了呼麻的快感,並開始積極面對他們的咖啡館事業。

大麻為何能讓人快樂到放棄執著?一個叫四氫大麻酚(Tetrahydrocannabinol, THC)的傢伙扮演著關鍵角色。由於 THC 的化學結構與人體的內源性大麻「花生四烯乙醇胺」(anandamide)十分相似,它能與大麻素受體(cannabinoid receptors)結合,並啟動大腦的獎勵系統,讓我們感到身心愉悅[2]

這不免讓人感到好奇:究竟,人們是如何攝入大麻的呢?

一般來說,大麻被攝取的途徑有二:吸食,或直接拿起來嗑(沒啦,是摻在食物裡面服用)。當人們吸食大麻時,裡頭的化學物質會從肺部進入血液,進而將它們運送到身體各處,包括大腦。但如果是用吃的,由於是透過消化系統吸受,因此大麻所帶來的影響通常會晚個 30 分鐘到 1 小時出現。

製作中的大麻奶油。圖/WIKIPEDIA

大麻中毒將導致「定向感」降低

對大麻使用者來說,它最迷人的地方大概就是使用後欣快的放鬆感受。此外,有些人也會體驗到感官放大的飄忽景象,但也有部分人認為,大麻會讓他們感到焦慮、恐懼、不信任和恐慌。雖然目前較少有因純粹吸食大麻而死亡的案例,然而,若是使用過量,便會引發大麻中毒(cannabis intoxication)[3]

大麻中毒的人,輕則產生飢餓與嗜睡等症狀,嚴重的話,會導致認知與對人事時地物的定向感降低,甚至會出現急性精神病(acute psychosis)[4]。其他典型、可預測的症狀,還包括口乾舌燥、紅眼、短期記憶受損,以及知覺和動作的影響等5

部分大麻中毒者,會因為大麻在精神上的影響,對外界反應時間過慢,造成工作或學校表現低落,甚至在開車、駕駛時形成干擾,最終導致交通事故與傷亡等憾事。

雖說如今有血液、尿液或唾液等測試,能針對大麻中毒進行檢測,但若要實現日常生活中的時刻監測,恐怕還是有些限制的。

過去曾有研究,以現代人形影不離的「智慧型手機」裡的感測器,來探測高風險的飲酒者,準確率高達 90%[6]。有鑑於此,羅格斯大學健康暨健康政策與高齡研究所團隊開始研究,想知道在機器學習模型的協助下,手機是否能發揮檢測「大麻中毒」的作用,即時探測那些可能因大麻中毒引發的危機。

智慧型手機,有潛力作為「大麻中毒」的檢測器。圖/Pexels

如何檢測嗨不嗨?關鍵是「使用後的行為」

團隊首先從美國賓州匹茲堡(Pittsburgh, PA)找來 57 位年齡介在 18~25 歲的年輕人,透過自我報告,得知他們每週至少使用大麻兩次。之後,團隊透過「手機回傳調查」搭配「手機內感測器數據」等方法,每日收集受試者使用大麻的相關數據持續至多 30 天,以掌握他們在大麻中毒後的狀況。

其中,回傳調查每日三次,包含開始與結束使用大麻的時間、用量,以及主觀感受的自我評分——依據「嗨」的程度,評分標準為 1~10分,其中 10 分為「敲級嗨」。後來回傳的 451 起大麻使用事件中,平均「嗨度」為 3.77 分。

而手機則搭配應用程式,收集了 102 種手機感測器的數據,如 GPS、加速度計(accelerometer)、撥出的電話數量以及平均移動距離等。有些人聽到這裡可能坐不住了。等等⋯⋯GPS 這類定位工具與加速度計,到底能做什麼?是這樣的,GPS 可用來偵測大麻使用者陷入「自我陶醉」時的行進範圍(travel boundary),而加速度計則是用來監測他們的步態與身體活動量。

在對照受試者的回傳調查及手機數據後發現,當使用者回報他們「正嗨」時,透過 GPS 的數據分析可知,他們的移動範圍並不遠。另外,此時加速度計的資料也顯示,主觀報告大麻中毒者,雖然活動多樣性下降,但身體的活動程度卻比較劇烈。

考慮時間點的監測,精確度大提升!

最後,他們在演算法的幫助下[7][註1],盼能瞭解上述方法,是否能區別無中毒和中毒(輕度或中度)的情形。透過各種中毒時的行為特徵,加上機器學習技術的檢核,智慧型手機就可以變成如假包換的「大麻使用監測器」啦!

為了探究這個組合的準確性,團隊企圖在不同的時間點(例如:一周中的某一天,或是某一天的幾點幾分)下做排查,找出與大麻使用行為與特定時間點的關係,以進一步確認大麻中毒的具體指標。

結果顯示,僅出動手機內的感測器偵測這群人是否使用大麻,準確度為 67 %;但若結合「個人呼麻時間點」與 GPS 和加速度計等資料,則準確度高達 90%

經乾燥過後的大麻示意圖。圖/Pexels

用手機偵測大麻使用?得再等等⋯⋯

面對如此結果,研究團隊認為,以手機結合機器學習預測大麻中毒程度,是相當可行的。不過,未來還需要加入更多資料,以完備這項工具。

首先,由於該研究對大麻中毒的判定,主要建立在「受試者主觀判斷和自我(ㄕㄡˇ)報告」的基礎上,因此在物質使用和生理反應的識別上,不如執法部門的檢驗工具那般客觀。此外,像是大麻使用者的使用史、攝入身體的途徑、劑量,以及使用者對大麻的耐受性,都會影響他們報告身體狀況的結果。

不僅如此,像是不常使用大麻者在中毒時,他們的行為與身體反應和那些「老司機」們相比,是否有明顯差異?該研究受試者多為白人,其他人種在同劑量的條件下,會不會產生相應的數據?這裡不是要戰種族,但光是「喝酒」這件事,每個人種的反應也多少帶有一些差異,像亞洲人普遍就很難代謝酒精[8]

以上種種,都是這個工具可能被泛用的關鍵。最後,假設這個大麻偵測小工具,有朝一日被推到應用程式的市場上,你會想下載嗎?又,我們是否能因為大麻使用者的敏感身份與風險,而逕自對他們搜集資料、加以監控?作為一旁拍手叫好等待好用產品問世的小老百姓,在引頸期盼的同時,也必須深思這樣的問題。

註解

  • 註 1:該研究所使用的技術為「Light Gradient Boosting Machine」,是微軟公司以「決策數演算法」(decision tree algorithms)為基礎,於二〇一七年釋出 LightGBM 演算法,用於排序、分類和其它機器學習的任務。

參考文獻

  1.  Sang Won Bae et al. (2021) Mobile phone sensor-based detection of subjective cannabis intoxication in young adults: A feasibility study in real-world settings. Drug and Alcohol Dependence
  2.  How does marijuana produce its effects? National Institute on Drug Abuse, 2020.
  3.  What are marijuana’s effects? National Institute on Drug Abuse, 2020.
  4.  Helen Okoye. Cannabis Intoxication DSM-5 292.89 (F12.12). Theravive.
  5.  Marijuana intoxication. U.S. National Library of Medicine.
  6.  Bae et al. (2018) Mobile phone sensors and supervised machine learning to identify alcohol use events in young adults: Implications for just-in-time adaptive interventions. Addictive Behaviors
  7.   LightGBM. Wikipedia.
  8.  Hui Li et al. (2009) Refined Geographic Distribution of the Oriental ALDH2*504Lys (nee 487Lys) Variant. Annals of Human Genetics.
帕德波耶特 Pas de poète_96
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嗜酒如命的平靜份子,逃離醫療工作後,在一連串荒謬的經歷下,成了文字與音樂工作者。

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「不要再送貼紙了!」看牙醫的兒童們到底喜歡怎樣的小禮物呢?
彭士桓_96
・2017/11/02 ・1401字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 460 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

帶孩童去看牙醫一直是父母們相當苦惱的課題,兒童不安、哭鬧與抓狂,導致無法配合牙醫,這讓播放優雅音樂的診所瞬間成為吵雜混亂的夢魘。為了要讓孩童情緒穩定,不少兒童牙醫診所都設立了遊戲室,故事書與眾多布偶充斥在七彩繽紛的空間。此外,牙醫師為了讓小朋友盡量配合檢查,經常給予小禮物,也就是所謂的「正增強操作制約」(positive reinforcement)。除了老套又低成本的貼紙外,給予怎樣的小禮物,這些寶貝們才會乖乖聽話呢?

兒童通常對看牙醫感到恐懼,圖/by renatalferro@pixabay。

這有趣的小問題,位於英國威爾斯波思牙醫診所的 James Coxon 與倫敦國王學院進行了相關的實驗,並發表在 BDJ 期刊上[1]。52 位兒童參與了這次「看牙醫,選禮物」的實驗,依據年齡分為三組:4-5 歲、6-7 歲以及 8 歲,並詢問他們看完牙醫後最想得到的獎賞(十種不同的小禮物,皆不超過 2.5 歐元(約新台幣88元),平均為 1.53 歐元(約為新台幣54元))。除了孩子外,照顧者也被要求猜測小孩所選擇的禮物。那就讓我們來看看實驗的結果吧!

4-5 歲的實驗組,33% 選了吹泡泡玩具、24% 選公主徽章、19% 選恐龍紙飛機。

6-7 歲的實驗組,46% 選了螢光筆、18% 選恐龍蛋(泡水會孵出恐龍模型)、18% 選外星人彈弓。

8 歲的實驗組,36% 選了復仇者聯盟的模型、21% 選了恐龍蛋。

沒有任何一位小朋友想要貼紙!!!

全部受試者中,只有 18 位照顧者成功預測自己小孩想要的禮物,而年紀越大的孩童組別,其照顧者越顯著地無法預測兒童想要的禮物(P=0.003)。

玩具總動員另一成員..恐龍^^,圖/by 辰&騰@flickr。

研究者提到,由於孩童們並沒有特別喜愛某一種禮物,因此應該要給予廣泛的選擇,並且是新穎的玩具。或許有些人會覺得給予這麼多禮物會使牙醫診所多出比較多的額外支出,但這些供選擇的玩具都是低價的,而且比起浪費更多寶貴的看診時間及治療花費,這絕對是划算的交易!

為何無法預測年紀稍長的兒童他們所喜愛的禮物呢?作者的假設是照顧者與孩童的相處時間減少,無法暸解他們喜歡及不喜歡什麼。作者最後提出正增強操控制約如何增進兒童與牙醫的治療,以及給予獎賞的時機點等,都還需要更多實驗加以研究。

除了看牙醫以外,兒童從小到大皆需要定期施打疫苗,也讓身為家長的我們感到頭大,「只要乖乖,等下我們就去買禮物!」這樣的正增強操控制約似乎是比較常見的做法,畢竟打針本身就是一件很痛苦的事情,也無法再以威脅(負增強操控制約)方式恐嚇兒童進行,這樣只會造成更大的心理恐懼。那倒底該怎麼做呢?

兒童的心理我們真的了解嗎?圖/by 禁书 网@flickr。

我認為除了給小禮物外,給予孩童心理上的支持,並且養成固定週期在同一家醫院診所與同一位醫生進行檢查,適時地轉移他們注意力,然後切記不要嚇小朋友,如此一來便有機會讓孩童不再懼怕看醫生!

給大家的忠告:

To 醫生:請不要再給孩童貼紙了!多買一些有趣跟上時代的小物吧!給兒童們更多的選擇。

To 父母(照顧者):請多多陪伴孩童,他們一下就長大了,再也不會害怕看醫生,請多多了解他們的喜好吧!

To 兒童:希望你們可以喜歡並且好好善待父母送你們最珍貴的禮物——一副健康的牙齒!

source:wikimedia

參考資料

  1.  Coxon, J., Hosey, M. T. & Newton, J. T. What reward does a child prefer for behaving well at the dentist? 3, 17018 (2017).
彭士桓_96
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生活即是科學,科學即是生活。臺大分醫所博士,虔誠信科學者。希望透過文字介紹有趣的科學,並期望自己在有限度的生命中,創造無限的價值。

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2016 《自然》年度照片大賞
Peggy Sha
・2016/12/26 ・2753字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

編譯/沙珮琦

又到了一年的尾聲,年底的回顧當然也要維持一貫的科青 style 啊!讓我們一起來看看今(2016)年的《自然》(Nature)期刊挑出了什麼樣的年度精選照片~~

一、閃電霹靂鶴!

看那眩目的閃電,伴隨著鳥兒高超的舞姿,如此傑出的聲光表演,簡直比馬戲團還要精彩!讓人不禁想問:難道這圖片是鳥兒跟閃電特別喬好的演出嗎?

其實,這一切都是攝影師 Randy Olson 的巧思。圖片的主角是沙丘鶴(Grus canadensis),又稱加拿大鶴,主要分佈於北美、古巴及西伯利亞東北部,在天冷時會飛往美國南方的保護區過冬。今年三月,攝影師在美國內布拉斯加州的普拉特河旁守候,試圖捕捉沙丘鶴例行遷徙的身影;一場閃電突然而至,使他靈光乍現,運用長時間曝光攝影留下了這幅詭奇的圖片。

不過,這張照片真的會讓人有點擔心鶴的安危呢……不知道牠們最後有沒有順利飛回家呢?

二、到凍土層挖象牙

現今許多國家早已立法禁止非法獵殺大象獲取象牙,於是盜獵者便把歪腦筋動到早已滅絕的「長毛象」身上:他們在凍土層裡面找尋長毛象的遺骸。本圖拍攝地──西伯利亞的雅庫特便是長毛象的寶庫之一。

究竟為什麼盜獵者要如此大費周章地打擾長毛象呢?當然是因為豐厚的利潤。在黑市裡,一根長毛象的象牙價格可以高達數萬美元,難怪他們前仆後繼地去「盜墓」。而在譴責這些盜獵者的惡行之外,或許我們也應該想想,為什麼他們能夠如此神通廣大,竟有辦法在永世冰封的凍土層裡找到長毛象?

三、飛向宇宙,浩瀚無垠

看見那壯麗的光柱了嗎?這張長時間曝光的照片拍攝於哈薩克的拜科努爾太空中心,而照片中見尾不見首的神祕主角則是聯合號太空船(Soyuz Spacecraft)。這艘太空船搭載了三名太空人 Peggy Whitson、Oleg Novitskiy、Thomas Pesque 前往國際太空站。

由於筆者的英文名字恰好也叫 Peggy,在私心調查下,才發現三名太空人中的 Peggy Whitson 不但是目前在太空中待過最長時間的女性,也是史上第一位(也是唯一)領導太空總署(NASA)太空人團隊的女性指揮官,更了不起的是,她也以 56 歲的年齡創下了最年長女太空人的紀錄。明(2017)年二月,她還會在國際太空站慶祝57歲生日喔!啊啊,同樣二月生日的我,也好想在太空站吃蛋糕喔~~

四、怪獸與牠們的……腳?

這張照片乍看之下是不是很像什麼後現代藝術作品呢?

其實它是某隻雄性龍蝨(diving beetle)的跗節(tarsus),所謂跗節指的是昆蟲腿部的最末端。這些看起來頗為性感的跗節,其實也真的有很性感的功能呢!在龍蝨交配時,雄龍蝨會用它吸附在伴侶身上,好讓激情不會隨意中斷。

五、滿滿的大~銀~河~

今年10 月,默奇森寬場陣列(Galactic and Extragalactic All-sky Murchison Widefield Array, GLEAM)電波望遠鏡給各位帶來了,目前為止最清晰的、滿滿的南方大銀河~~在這張照片裡,我們可以看見銀河流淌而過,而銀河中超過 30 萬的星系都正閃耀著自身的光芒。

默奇森寬場陣列電波望遠鏡位於澳大利亞西部,可以拍出 20 種原色所組成的天空(人類肉眼只能看到三原色),如果人類可以看見電磁波,我們每晚所見的天空就會如此絢麗多彩。

六、中國變遷 ing

中國在今年宣布了一項雄心勃勃的計畫,官方打算減少煤炭的使用,以及相關使用所造成的汙染。同時,他們也決定往再生能源之路前進。

然而,這家設立於內蒙古的鋼鐵廠卻暗示了這項改革路上可能會遇到的阻礙,在環保的路上這些產業究竟該何去何從,是執政者與人民需要共同解決的問題。

七、從太空看風暴

圖片中的兩架太空船是正在拜訪國際太空站的訪客,從太空站望下去,可以看見風暴中心的閃電將雲層照得十分明亮,像一顆燈泡似的鑲在大陸中間,一旁則有人類世界的燈火遙相輝映;一時間,無論是天上或是人間似乎都熱鬧非常。不知道那些燈火的背後,都有些什麼故事呢?

八、天國的階梯

這些排列整齊的階梯彷彿給人一種肅穆而又神秘的感覺,像是可以帶領著你走向未知的某方。在答案未揭曉以前,這張圖讓你想到了什麼呢?

其實啊,這只是放大了 2000 倍的碳酸鈣(CaCO3)晶體,常見於石灰石、貝殼之中等。驚訝吧!用不同的角度去看事物,是不是給了你新的體驗呢?

九、遠古護身符

今年四月,美國體質人類學協會(American Association of Physical Anthropologists)所舉辦的年會中,展示了這項在木乃伊身上了不起的發現。在木乃伊的頸上,我們可以看見古埃及紋身圖像,這個紋身圖案有兩隻呈坐姿的狒狒以及象徵保護的符號。不知道這個遠古護身符會不會帶起新一陣的刺青流行呢?偷偷告訴你:如果想要紋出標準埃及護身符,用「荷魯斯之眼」準沒錯!

十、哆啦 a 夢的縮小燈

一個德國的團隊在八月時發表了「終極 DISCO」(ultimate DISCO)的技術。它簡直可稱得上是科學界的最佳縮小燈,這種技術可以去除掉多餘的水分、脂肪和色素,使組織變得透明並且縮小標本,讓整隻動物可以在一次成像中完整呈現。這個縮小技術能夠以史無前例的細膩程度展現出動物體內的神經和器官系統。

不知道為什麼,筆者好想用這種技術去看看章魚喔~(其實只是想吃章魚燒吧)那你呢?你會想要用它來看什麼?

十一、奇異細胞

又是一個微觀世界的美麗作品,這個人類幹細胞的直徑僅有 15 微米,是在使用了低溫掃描式電子顯微技術(cryogenic scanning electron microscopy)成像後,進行假色上色(false-coloured)所得到的結果。

筆者特別喜歡這張照片,因為幹細胞是原始且尚未特化的細胞,具有發展成各式器官的潛力,給人一種充滿希望的感覺。讓我們用這張幹細胞當作今年的結尾,期許明年的彼此都有嶄新的發展吧!

參考資料:

Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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軟性電子材料因為可以被彎曲摺疊,所以被認為可以廣泛的應用在電子紙或是衣服式可穿戴電子產品上。但是除了這些,其實還有很多種可能的應用方式。

這影片介紹利用水貼紙的方式,經由水來溶化高分子包覆的元件與基質的黏著,改黏於另一基質,把軟性的電子元件晶片貼附在人的身上,這樣一來,像是血壓的監測、血糖的量測等目前需要固定在某個地方才能量測到的生理數據,都可以藉由這樣的軟性電子元件,配合無線模組直接讀取傳送,當不需要的時候也可以輕易移除。

目前這樣的設計可以固定附著在身體上兩天,經由不同的黏附物質,時間應該可以依照應用來控制。可以想像的是在未來可以輕易監視身體不同部位的生理條件,像是受傷復原與否,肌肉骨骼的情況,運動的情況,甚至更複雜的疾病訊號等。這種對生理的即時監控能力會讓很多醫療的方式有革新的可能。期待更多可能的應用能經由這樣的方式達成。

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