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2014全國中小學機器人大賽暨WRO國際奧林匹克機器人全國總決賽

馥林文化_96
・2014/11/25 ・7720字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

採訪、攝影/劉珈均、郭有迪

WRO(World Robot Olympiad)國際奧林匹克機器人大賽舉辦邁入第十一年,今年臺灣總決賽於高雄義守大學舉行,經過9月14、15日兩天比試,共有14組競賽組隊伍、5組足球賽隊伍、6組創意賽隊伍取得晉級國際賽資格。今年的WRO世界賽由太空科技強國俄羅斯主辦,主題訂為「機器人與太空」。大專組機器人必須深諳如何為「火星礦物」分類,中小學競賽分組拼湊「火箭」、撤換「太陽能板」、清掃軌道上的「太空垃圾」;創意賽則讓選手們自由發想專題,讓機器人成為太空人好幫手,協助太空任務。

競賽組

國小組 火箭

人造衛星、太空梭、探測船等皆需火箭之力才能前往太空,火箭發明至今尚未滿一世紀,已幫助人類完成登月、探索太陽系行星等重大任務,大大拓展人類宇宙觀。

在火箭發射前,必須先將火箭從廠房運到發射區組裝、疏散人員,並將火箭升至近垂直角度──這正是國小組的機器人任務。機器人要出發蒐集做為火箭結構體的三塊積木,按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序組裝成一大塊,在發射臺區的斜坡升起積木火箭,並疏散四周人員,一同回到安全區。

1S
機器人按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序排放,將火箭推向發射架後立起。

大部分機器人是一次一塊,來回幾趟依序將三塊積木運到發射區前排列成直線,再一次推上發射臺、啟動機關讓火箭結構體升起。選手們的策略大致差不多,場上常見的問題是機器人構造撞到場地、碰歪積木,或程式出錯導致機器人抵著牆空轉。

冠軍隊伍「E顆火龍果」屬於少數採行不同策略的隊伍,機器人出發後在場上遊走,一次便夾帶了所有積木,蒐集於機器人身側再推到發射臺上,觸發棘輪讓發射臺升起。此方法能減少一些不必要路線,「E顆火龍果」最後以1分8秒的時間順暢完成任務。隊員吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞從6月開始便反覆不斷練習、集訓到晚上,隊員們年紀雖小,接觸機器人資歷最深的已有七年。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1高雄縣陽明國小/民權國小/岡山國小E顆火龍果吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞
2新北市私立裕德雙語小學/古亭國小/重慶國小火箭隊張嘉翔、余品劭、辜冠霖
3新北市莒光國小對不王慎禧、何宸瑋、范閎凱
佳作臺南市信義國小White tornado吳佩穎、鍾佳晉、曾紹剛

 國中組 人造衛星

太空垃圾(Space Debris)是繞著地球軌道的無用人造物體,小至人造衛星的碎片、零件,大至發射後拋棄的火箭結構,目前已有超過五千噸的太空垃圾散落在兩千公里外的地球軌道上,這些高速運行的碎片可能會撞擊、損害正常衛星與國際太空站。國中組競賽的任務便是清除軌道上失靈的衛星,還給正常衛星一條乾淨的軌道。

競賽場地看起來就像原子模型,黑色與綠色的橢圓軌道交叉,圍繞位於中心的地球。做為「人造垃圾場衛星」的白色紙筒沿著黑色軌道移動運行,綠色軌道則散布著4顆紅球(損壞的人造衛星)、2顆藍球(正常衛星)、2塊積木(太空垃圾)。機器人從地球出發後,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

2S
機器人預備從地球出發,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

有時候機器人碰撞到球,球便會像撞球一樣將其他物件撞開,一起在太空漂流;白色紙筒則是在過程中持續移動。大部分機器人蒐集完紅球與積木後會跨越至黑軌道停下等待,等紙筒從後面追上再傾倒。有些機器人時間估算恰到好處,穿越軌道後便攔截到垃圾場,但不少機器人因過程不順而延誤時間,跨越軌道前一秒紙筒才剛經過,機器人便得等紙筒走完一圈才能繼續。

機器人多使用夾爪夾取物件,夾爪在前方的機器人,多須停頓感測球的顏色、後退、往前夾球再繼續行走;夾爪在後方的機器人則正好利用行進的時間讀取,決定是否夾起遇到的物件,省去感測與後退的重複,相對順暢許多。國中組冠軍「e臺LEXUS」便是採用後者構造。

現場公布的臨時規則(Surprise Rule)是讓白色紙筒後方多拖曳一塊黑色方塊,若機器人推開了黑色積木就加分。不過,教練蔡德暐表示,基於策略考量,幾乎沒有隊伍執行。這是因為難以準確地推估行進中垃圾場位置,從後方追上的變數會較大。

3S
冠軍隊伍「e臺LEXUS」成員林珈禧、郭駿浩、洪為霖。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1高雄市瑞祥國中/左營國中/五甲國中e臺LEXUS林珈禧、郭駿浩、洪為霖
2臺南市德光中學/永仁國中/建興國中黑化肥發灰會揮發張雅婷、姚昱志、吳長城
3新北市恆毅中學快樂馬王昱淳、宋汶翰、陳威廷
佳作臺中市崇倫國中崇心啟動溫梓傑、黃靖涵、賴俊霖

高中職組 太空站

國際太空站(International Space Station,ISS)是一個運行於近地軌道的設施,約兩個足球場大,太空人在這裡進行許多無重力研究實驗。自從2011年美國太空總署的亞特蘭提斯號(Atlantis)太空梭退休後,現今要前往ISS只能透過俄羅斯的聯盟號飛船。

高中職組機器人的任務為檢修「太陽能板」,機器人從基地經通道到太空區域,檢查9組積木,將損壞的太陽能板(黑色積木)帶回出發區域,並以正常的彩色積木替換,閒置的太陽能板擺放方向反了180度,機器人也要調整其方向。以轉軸旋轉積木會受限於機器人下方空間,不能碰地,且夾取的點必須非常精準;因此多數機器人夾住積木後整體轉180度,這比用旋鈕機關轉動積木來得順暢、不易出錯。

4S
機器人正在180度調整「閒置太陽能板」至正確方向。

在競賽場上,臺中市西苑高中的「很盟對不隊」表現相當突出,以滿分拿下冠軍。隊員們都是「未來工程數位研究社」社團成員,這臺機器人是從4月起社團30幾人共同投入討論、參考他校機型,並持續設計改良的成果。成員周炫佐表示:機器人的重心構造與程式要同時設計,否則可能在執行動作時不穩或打滑。該隊的機器人有個像彈匣一樣的特別構造,可夾取正常積木,挪出別的空位存放黑積木。

5S
第一名隊伍「很盟對不隊」的機器人,中間藏著特別的「彈匣」構造。

相較於有的機器人「一次只解決一種問題」,路徑迂迴重複的方式,「很盟對不隊」尋求最短路徑以節省時間。進入通道前先攜帶正常積木,加上構造設計,在巡視場上9個擺放積木位置時,也能同時更換黑積木、修正閒置太陽能板,一趟就完成任務,帶著黑積木回到出發點。

「我們很期待去俄羅斯比國際賽!」社團創立才短短三年時間,已拿過好幾個科學競賽前三名獎項。社團指導老師賴怡旬說,接下來團隊會一邊募款,一邊努力準備站上俄羅斯國際賽舞臺。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1臺中市西苑高中很盟對不隊王敬佑、周炫佐、陳仕林
2基隆市基隆高中飛帆艦隊黃品傑、余俊德、劉昱岷
3新北市私立淡江高中淡江巴拉布黃健碩、謝沛恆、洪佩君
佳作新北市東海高中南極圈KExE謝佳霖、林子勛、蔡文傑

大專組

大專組比賽場地上,機器人忙碌的走來走去,3個小基地各有5~6顆紅球、藍球夾雜排列,機器人必須設法讓藍基地只剩下紅球、橘基地只有藍球、紫基地沒有球,而唯一的黃球則要特別挑出另外放置到場中,機器人完成分類後走到終點停下,才算是完成整個任務。

6S
大專組場地上,機器人忙碌穿梭各基地,將球分類、配送到指定位置。
7S
機器人正在篩選,設法讓藍基地只剩下紅球。

選手事前並不知道球的顏色分布,要如何制定路線與分類策略呢?面對未知的情況,中興大學隊伍「CTC」設想球的顏色排列組合有27種情況,有些排列順序不同但顏色分布相同的情形可視為同一種,進而簡化成約16種。八強賽前是積分賽,依任務完成情況與花費時間計算,機器人須在球的分類精準度與時間耗費之間拿捏,考量得分規則來擬定策略。嚴謹的策略分析讓「CTC」以859分名列第一進入八強賽,可惜後來因程式失誤而未晉級四強。

大專組前三名都由虎尾科技大學的隊伍囊括。第一名隊伍「A.V.R.」成員沈建均說,他們不考慮時間,因為測試後發現時間差距不會超過10秒,對得分影響有限。在晉級八強賽的得分排名中,虎尾科大的四支隊伍也分別以839、823、791、650的分數緊接中興大學之後。

不少機器人配備地磁感測器,不過「地磁太敏感了,每個小時測量值都不同,前兩天太陽風暴也會影響它。」團隊成員王若庭解釋,今年團隊改用兩顆光感測器感測地上的線。王若庭表示:季節、天氣都會影響地磁感測,一時電流不穩也有可能讓機器人暴衝。由於地磁感測的敏感度過高,因此多數機器人都像好奇號一樣有長長的「脖子」,將地磁感測器裝得高一點,以遠離馬達電池等裝置。

虎尾科大的實驗室此次的四款機器人各有不同策略、路徑與程式。其中「A.V.R.」著重於球的分類精準度,沈建均說「A.V.R.」只考慮兩種情況:「要這顆球或不要。」機器人有個十字結構,視感測結果讓球滾回基地或保留在機器人身上。「A.V.R.」的路線也讓機器人節約路徑,節省重複奔波的時間。

8S
第一名隊伍「A.V.R.」,由左至右為沈建均、王若庭、黃健祐。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1雲林縣虎尾科技大學A.V.R.王若庭、沈建均、黃健祐
2雲林縣虎尾科技大學N.M.C.盧毅民、張絲語、林煒祥

足球賽

足球賽中,每隊都會各準備一臺攻擊機器人與防守機器人,場上會有一顆特製的紅外線足球,場地也有特別的分隔顏色,可以清楚地看出禁區與出界範圍。比賽分為分為上下兩場單淘汰賽,在比賽前有5分鐘的調整時間,可以在比賽桌上進行場地設定與練習。比賽途中機器人若需要離場進行設定調整或是維護的話,必須滿1分鐘後才可入場,這項規定對整場比賽的風向影響很大。

比賽一開始是由兩隊選手進行手動啟動,之後就完全交給攻擊機器人自主進行找球、持球、進攻、閃避和射門等動作。若是雙方機器人僵持不下而導致機器人卡住時,裁判會把兩方機器人分開一段距離。當球滾到界外時,裁判會把球放置到離場中最近的直線距離內,這時候會看到雙方的攻擊機器人以非常快的速度去搶到球的控制權,現場氣氛緊張刺激。防守機器人會一直盯著球不放,其負責的任務就是防止對方射門,也需要特別防止「烏龍球」(不小心踢進己方球門)的發生。在最後計分時如果是平手,「烏龍球」就會是改變勝負的一大關鍵。

9S
魔法隊獨特的背後開球。

本次四強賽中,有遠從花蓮縣來參賽的「我愛黃海龜」,和臺南市的「我愛第一」,另外兩個隊伍則是同樣都來自臺中的「魔法隊」和「Legend隊」,每個隊伍都有自己一套獨特的進攻方法與戰略。冠亞軍賽為臺中市的同鄉大對決,最後「Legend」使用了特別修改後的程式與穩扎穩打的戰略擊敗了「魔法隊」,奪得冠軍寶座。

「魔法隊」雖然屈居第二,但他們的作戰策略非常令人耳目一新。他們以獨特的背後開球讓人留下強烈印象,賽後詢問了解後,原來這是前幾屆WRO 的規定,負責攻擊機器人的選手為了程式邏輯上的習慣,決定承襲之前的開場方式。攻擊手的進球方式也非常特殊,在八強與四強賽中,他們採用持球到球門正前方再把球射入的方式來作戰。不過在四強賽中曾發生攻擊手不小心被關機的突發狀況,導致攻擊手必須離場重新啟動。

冠軍和亞軍都使用到NXT和新的EV3主控制器,為了因應各種突發狀態,機構都有方便現場臨時更改的設計;電池的部分也都會準備兩顆電池,防止沒電。「Legend」的成員賽前都在學校練習到晚上,也常和各校舉辦友誼賽累積經驗。雖然他們已經連續比賽兩天,忍不住透露出疲勞的神情,但還是非常熱情地分享奪冠的方式,與自己對足球機器人的獨特見解。他們也表示:平常練習機器人足球時最主要是以交朋友的心情進行友誼賽,互相交流增進雙方的實力,撰寫程式時也可以增加自己的邏輯思考能力。他們也期待在國際賽中,臺灣機器人可以打進全世界前五名。

10S
雙方攻擊機器人在球門前對峙,氣氛緊張。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1臺中市立中平國中Legend廖偉勝、林弘軒
2臺中市臺中高工/崇倫國中魔法隊陳旻暄、莊勝傑、林承謙
3花蓮縣國風國中/慈濟附中國中部我愛黃海龜陳子濬、鍾安、葉品豐

 

佳作臺南市大灣高中國中部/崇明國中我愛第一葉貴煌、蔣沅均、朱芳霆
佳作苗栗縣苗栗農工/竹南國中我不是光頭張景程、廖家問、韓志昀

創意賽

今年的大賽主題為「機器人與太空」,留給各個參賽隊伍非常廣闊的想像空間,參賽者必須發揮想像力與創造力,思考機器人要如何幫助人類征服充滿未知的外太空。

創意賽採取評審計分制,評分項目有:研究計劃、程式、機器人設計、報告呈現、團隊表現等項目。各個隊伍都分配到一個攤位,並將攤位設計得別出心裁。有隊伍把攤位製作成火星地表;有隊伍把攤位的上空遮蓋住,模擬在太空的情景;也有隊伍使用投影機表現出星空的感覺,創意無限。有些隊伍就連服裝都經過精心設計與製作,正是為了想讓來參觀的民眾與評審能夠更加融入情景。以下將介紹在創意賽國中組中,令筆者印象深刻的幾個參賽隊伍。

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創意賽著重展示與發表,參賽者無一不精心布置攤位,並附上詳盡說明。

來自高雄市的「英明龍華聯合隊」是場中罕見地採用3D 角度在地球上模擬太空環境的隊伍之一,他們的維修機器人可以在白色圓桶(太空站)上移動,卻不會因為地心引力而墜落。其中的原因是他們採用了磁鐵,讓機器人可以吸附在鐵桶上而抵抗地心引力。在照片中,鐵桶上的機器人可以靈活的向任何方向移動,上面還裝置了電動起子,模擬在太空中修理的過程,臨場感十足;下方的機器人雖然只能進行圓形運動,但是其手臂卻可以延伸出去,模擬太空站和太空梭接合,讓參觀民眾嘖嘖稱奇,也順利取得晉級資格。

11S
「英明龍華聯合隊」的機器人藉由磁鐵的吸力,自由地在白色圓桶上移動。

來自桃園的「旅行者0 號」隊把機器人製作成穿戴式裝置,讓機器人與人類結合。其作用並不是增加力量,而是用來訓練人類的肌力,防止人類在無重力空間停留太久,導致降落在地球時發生肌力不足、無力行走等情形。這臺機器人的使用方式是安裝在身上幫助人類運動,讓人類可以在太空站內部藉由裝置訓練肌力。主講者自己親身示範的樣子十分醒目,讓參觀者都特別駐足聆聽。

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「旅行者0 號」製作出與人類結合的穿戴式機器人。

來自高雄市的「CS 特勤隊」,主題大綱是防護地球的安全。他們不只使用製作好的模組,也把物理課上所學到的知識加入到專題中,成功地靈活運用所學,自行組裝出電磁炮與雷射。雷射的功率可以把氣球射破,因此使用氣球來模擬隕石,電磁炮則模擬太空中負責銷毀垃圾的發射器,把垃圾從地球向外太空射出,讓垃圾自行燒毀。其中電磁炮的電源供應使用了大量的電容與電池,看起來十分有震撼力。

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「CS 特勤隊」的電磁砲主機。

來自新竹縣的「S.K.C」在攤位上建構了一個黑盒子,還有一個充滿程式碼的螢幕,非常有科技感。團隊成員表示螢幕中的程式是自行撰寫的,將樂高與電腦軟體結合,目的是想要模擬飛行背包的飛行。在地球上因為有地心引力,要靈活地飛行並不簡單;為了解決這個問題,他們建構了一個可以靈活運動的機構,並且在盒子中架設攝影機,用場外的螢幕將相機所照射到的景象播放出來。在移動機構方面則採用了齒輪組,降低移動的速度,模擬在太空中獨自飛行所感受的緩慢景象感變。這並不是要製作出一個可以符合現實環境時速的機構,而是從參觀者的角度去設計這個模擬器,可說是匠心獨具。最後他們也因為這個細膩的巧思而如願拿下冠軍。

12S
「S.K.C」的模擬飛行背包從參觀者的角度出發,模擬太空飛行的感受。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1新竹市光武國中/虎林國中S.K.C陳懷平、蘇柏瑄、郭宥成
2高雄市英明國中/龍華國中英明龍華聯合隊涂光毅、紀聖堯

除了上述的國中組外,創意賽國小組由桃園成功國小「奇幻隊」與來自花蓮的「隨星所欲」隊取得國際賽資格。成功國小一直以來都是WRO競賽的常勝軍,過去已代表臺灣參加過多次WRO國際賽事,本次則以「探測小行星——挖礦尋資源」為主題奪冠,創下六連霸的紀錄。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1桃園成功國小奇幻隊黃渝桓、朱彥亭、黃信融
2花蓮東華實小/慈濟附中小學部隨星所欲顧懷允、顧崇懷、王子承

創意賽高中組脫穎而出的是來自新北市的「馬首是瞻」隊與臺中市的「G1」隊。「G1」以「太空拓荒計劃」為主題,製作出可在火星上放下植栽室的植栽車。其概念是利用植物的生長來改善火星上的氣體,並提供充足的食物供未來移民使用。車子的前方裝上了影像鏡頭,可透過電腦螢幕看到行駛畫面;另外,也裝上了土壤濕度感測器與溫度感測器,用來尋找適合植物生長的環境。植栽室的部分設計成可自行運作的狀態,安裝了太陽能板與光源感測器,光值偏低時可切換為使用蓄電池供電的模式,並利用土壤濕度感測器感測是否需要澆水。面面俱到的想法使他們從眾多選手中獲得評審青睞,順利得到冠軍。

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「G1」隊向評審介紹他們所構思的「太空拓荒計劃」。

國際賽晉級名單

名次學校隊伍名稱成員
1臺中市臺中高工/馬禮遜美國學校G1林庭宇、林祐正、李泓寬
2新北市恆毅中學馬首是瞻羅冠博、顏緯婷、吳柏毅

總結

在本次的WRO全國總決賽中,不但看見許多別具巧思的作品,也讓我們進一步探索了太空科技的可能性。雖然有些專題乍看之下可能會覺得「這有可能實現嗎?是不是有點太理想化了?」但在科學技術突飛猛進的現代,任何創新的想法都有可能成為前進的助力。而在臺灣,實際上也有許多人正在為發展本國的太空科技而努力著(如前面專訪中所提到的ARRC火箭隊),希望每次的比賽都能播下一顆顆會在未來發芽的種子,推動臺灣的科學產業;同時,也期望臺灣代表隊能在俄羅斯國際大賽中取得佳績,讓世界看見我們的機器人實力。

比賽成績公布

http://www.era.org.tw/main/news/

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2014/11月號


 

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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/


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天文影像工具也能找腫瘤?——臺灣首創 3D 數位病理影像暨 AI 分析平臺

科技大觀園_96
・2022/01/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

攝影師運用影像,留存許多珍貴的記錄,講述不少精彩的故事。但影像的力量,可不僅限於此。科學家和醫生也拍照錄像,只不過對象不是一般人事物,而是遙遠的星辰,或微小的組織細胞。而臺灣的科研團隊,更成功讓傳統病理影像突破 2D 平面限制,完整展現 3D 全貌,幫助我們看清病魔的真面目,奪得搶救性命的機會。

為什麽癌症大魔王如此棘手?

在臺灣十大死因排行榜上,癌症已蟬聯榜首將近四十年。原本安分工作的人體細胞,可能受到細菌或病毒的感染、環境中的重金屬、放射線等致癌因子的影響,走上叛變、不正常增生一途,變成惡性腫瘤——也就是癌症。癌細胞會破壞各種重要臟器,掠奪體内大部分營養,最終可能造成人體因器官衰竭、營養不良、併發症而死亡。

十大死因
109 年國人十大死因。(資料來源:衛生福利部

癌症療法中,化療是以化學藥物來毒殺癌細胞,卻因為專一性低,讓病患往往傷敵一千,自損八百。後來發展出的標靶藥物療法,雖然不會無差別攻擊,但治療效果有限,有些種類的癌症更可能出現抗藥性。狡猾的癌細胞,還會產生抑制免疫細胞活性的蛋白質,來避開免疫系統的偵察和追擊。而 2018 年獲得諾貝爾生理醫學獎的「免疫療法」,就是以投放癌細胞表現的蛋白質之阻斷劑,來維持免疫細胞的戰鬥力的突破性療法。

然而,癌細胞也不是省油的燈。它們會與周圍細胞,如血管、纖維母細胞、免疫細胞等打成一片,藉由分泌各式細胞因子,創造利於自己生長的小天地,即腫瘤微環境(Tumor microenvironment)。例如,癌細胞會在微環境促進血管新生,且具備免疫抑制能力,讓免疫細胞鎩羽而歸。這麽一來,即使是副作用較低的免疫療法,也可能無用武之地。

當醫學邂逅天文學,跨領域碰撞出新解方

目前,癌症的診斷與療程的決定,主要還是仰賴切片檢測所得到的影像。所謂的切片檢測,就像到腫瘤細胞大本營去刺探敵情,醫生藉由手術開刀、内視鏡或針筒取得檢體組織,透過這第一手的情報,來判識腫瘤型態和病情嚴重程度,才能擬定對抗癌細胞的有效戰略。

麻煩的是,顯微鏡下的切片樣本只能看見同一平面上的細胞間交互作用,組織上還有用來標示特定蛋白質活細胞的螢光染劑。要把有著會互相干擾螢光訊號的樣本影像,拼接成可以觀察細胞交互作用的三維影像,可讓腫瘤學家傷透了腦筋。不過這個難題的解方,就剛好掌握在以望遠鏡觀察無數星星的天文學家手中!

有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。天體在宇宙中的相對位置與相互關係,也類比於細胞間的交互作用。這般異曲同工之妙,讓美國約翰 · 霍普金斯大學的腫瘤學家和天文學家決定並肩作戰,利用天文學的影像處理工具,來建立分析腫瘤切片影像的模型,這個跨領域碰撞的研究成果——AstroPath,更在今年 6 月登上 Science 期刊。

天體
有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。圖/pixabaywikipedia

臺灣打造全球第一個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

腫瘤學家和天文學家的跨界合作,大大提高了組織切片影像分析的效率,表現令人贊嘆。不過臺灣研究團隊跑得更前面,直接突破傳統薄切片的限制,以獨家專利取得組織完整的立體影像,還進一步藉助人工智能之力,創立全世界首個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

這個實現 Taiwan No.1 的團隊,緣起於國立清華大學生科系的楊嘉鈴教授研究團隊,邀請清華大學腦科學中心江安世院士團隊、分子與細胞生物所張大慈教授團隊及清華大學腦科學中心林彥穎研究員,携手合作克服過去 3D 組織影像的技術瓶頸。透過科技部價創計劃的輔導,承接了光電、生醫、影像及 AI 各領域最先進技術的捷絡生物科技股份有限公司 (JelloX Biotech Inc.) 在 2018 年成立。

捷絡生技獨步全球的病理檢驗平臺,包含了關鍵的三大部分:(1)快速組織澄清、(2)高速影像擷取及(3)3D 人工影像智慧分析。

流程示意圖
3D 人工智慧影像分析流程示意圖。圖/捷絡生技公司

過去 3D 組織影像無法實現,最大的難點,在於無法突破組織的透光障礙。捷絡生技專利化的光學組織澄清技術,最厲害之處是讓檢體樣本不被破壞就可以「變透明」,達到清水般的穿透率。傳統樣本處理,會經過物理切片及脫水,組織結構發生形變無可避免,讓病理全貌難以被量化和標準化來進行評估。但這項獨家的組織澄清處理技術,可最大程度保存樣本原來的面貌,還能讓樣本進行重複染色,再利用於各式生物檢驗。更重要的是,不再是單一切面的樣本,讓全自動影像掃描擷取,從不可能變得可能。

把檢體樣本透明化之後,研究團隊接著以高速鐳射顯微鏡,對樣本進行全身掃描後,數位縫合平行多叠影像。只要搭配適當的染色技術,就可迅速取得比傳統檢測還多百倍資訊量的高精度 3D 腫瘤影像。這些病理組織樣本的全景 3D 細節,讓醫生可以更清楚判別癌細胞的型態、分佈與周圍細胞的交互作用。

研究團隊也沒有停留在 3D 影像產製的完善,更抓緊大數據、巨量分析的趨勢,目標是要提供 AI 自動化病理組織影像分析。研究團隊建立不同癌症的 3D 數位病理影像資料庫,讓電腦進行機器學習,透過癌組織的特徵辨識訓練,目前已可得到超過 90 % 的準確度。AI 自動化分析能克服傳統人工判讀模式潛藏的誤差(如不同判讀者的差異、視覺疲勞與檢體採樣量不足等問題),大大減輕臨床病理醫師的工作負擔,加快診斷的效率。癌症的治療,就像與死神賽跑,所以盡速決定對風險最小、成效最佳的療法,對提高病患的存活率至關重要。

未來,捷絡生技這個領先全球的 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺,預期可實際應用在檢測藥物的穿透性、篩選適合免疫療法的病患、分析腫瘤微環境等方向。不管是從美國或是臺灣的例子,都讓我們看見不同領域相互激蕩的成果,並非止步於學術象牙塔的研究,而是可以被實際應用在日常生活中的技術。

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