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知識大圖解:噴射背包

知識大圖解_96
・2015/03/15 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 563 ・九年級
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噴射背包的概念 100 年前首度出現,至今現代科技終於讓個人飛行的美夢成真。

1920 年代的科幻雜誌《驚奇故事》(Amazing Stories)中,巴克.羅傑斯(Buck Rogers)駕著噴射背包打擊犯罪,開啟了人類對未來飛行的想像。

噴射引擎吸進空氣後,會將空氣與燃料混合並進一步壓縮點燃;這股高壓熱氣經過渦輪,從狹窄的噴嘴噴出,藉此產生推力。製作噴射背包有個不變法則,就是盡可能把一具以上的強力引擎掛載到背包上,讓人背上背包就能在空中恣意飛行。然而,早期的噴射引擎太大了,不可能背著,所以唯一的替代方案就是使用火箭;火箭跟噴射引擎的運作原理相似,但火箭並不吸入空氣,而是透過本身裝載的燃料產生化學反應提供動力。

第一款正式嘗試製作的噴射背包是1953 年的「火箭背帶」,由溫德爾.摩爾(Wendell Moore) 發明,使用的動力為過氧化氫火箭。氮氣加壓使過氧化氫通過銀觸媒而快速分解成水蒸氣與氧氣;氣體以每秒 1000 公尺的速度從噴嘴噴射出來,產生的推力超過 125 公斤,但這股推力只夠讓火箭背帶和飛行員升空 20 多秒。火箭背帶 70%的燃料都花在抵消重力,因此飛行時間嚴重受限;攜帶更多燃料,火箭背帶就會過重,因此即便多次改良設計,也採用質量較輕的現代材料以減輕重量,過氧化氫火箭背包仍無法飛行超過一分鐘。

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解決燃料重量的方法之一,是將噴射背包接上一根彈性輸送管,連接地面上的燃料來源。 然而,若要將噴射背包當作長程交通工具,這方法似乎一點也不實際,但對捷雷(JetLev)水力噴射背包等娛樂用機型來說,卻可以有效延長飛行時間,而且機器不會重到飛行員負荷不 了。另一個方法是提升引擎效率;噴射引擎科技已經進步到足以製作出能裝在背包上的小引擎,讓現代人能開發出真正的噴射背包飛行器。

1960 年代晚期,火箭背帶的發明者摩爾就率先嘗試搭載特別設計的噴射引擎,結果成功將空中停留時間延長至 20分鐘,飛行時速則達到 97 公里。可惜的是,強大的噴射動力、昂貴的易爆燃料,加上低科技降落傘系統,導致噴射背帶既不實用又非常危險。

時至今日,搭載噴射引擎的個人飛行器中,瑞士發明家羅西設計的噴射飛行翼十分令人驚艷;半硬式的碳纖維機翼全翼展約莫兩公尺,裝在四具改良版煤油噴射引擎上。噴射引擎動力強大,因此頭部、手臂、肩膀只需些微動作便可操控飛行翼,但也因此無法從地面起飛,只能以直升機載上高空;引擎運作方式就像加上動力的自由落體,讓羅西得以超過 160 公里的平均時速在空中飛行。

要延長飛行時間還有另一個辦法,亦即完全放棄噴射動力,另覓他法騰空飛行,而馬丁噴射背包就這麼誕生了!

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馬丁噴射背包棄噴射引擎改以雙導管風扇製造升力;兩具碳纖維克維拉(Kevlar)風扇分別搭載於飛行員的兩側,由專門定製的 V4 引擎驅動,導管的進氣口稍寬於排氣口,空氣高速流經導管,產生的推力不僅足以讓噴射背包與飛行員升空,還多出 50 公斤的推力可以因應急遽變化的高度。馬丁噴射背包的攀升速度每分鐘可達 250 公尺,而導管風扇設計與汽油引擎將馬丁噴射背包的極速推至時速 74 公里。馬丁噴射背包飛行時間高達半小時,而且不需補給燃料便可飛行將近 30 公里;厲害的是,無人試飛時,馬丁噴射背包的飛行高度竟然可以超過 1500 公尺。

設計噴射背包是一回事,但飛航安全又是完全不同的挑戰。噴射背包的飛行測試包括假人撞擊測試以及短程低空飛行;模型機從短距的兔跳(bunny hops)開始逐一施測,會經過多次改良並加強穩定性,直到可以順利升空;升空後,測試機便由遠端遙控,另有一條繩子栓於地面,失控時還可以控制飛行高度。

如果噴射背包通過初期測試,下一階段便是由真人駕駛,但仍會有地面纜繩連結,讓飛行員可以在安全環境中操作;接著,全面測試會提高飛行高度,改良科技之後,就會再度進行假人撞擊測試,而高空測試也可以檢驗安全機制。駕駛噴射背包的潛在風險很高,不僅燃料易燃,引擎在空中故障的話,後果也會相當慘重。

現代噴射背包都使用高科技複合材料,也都配有安全裝置,飛行員也會身著防火裝並配戴耳塞以對抗震耳欲聾的引擎聲;火箭背帶產生的噪音高達 130 分貝,跟氣鑽沒兩樣,雖然 馬丁噴射背包已經改善許多,但仍像置身洶湧的車潮,聲音高達 95 分貝左右。 飛行器本身也都配有降落傘;對飛行翼來說,降落傘是安全降落的必要配備,但對馬丁噴射背包來說只是緊急備用裝置。此外,設備通常都有浮力,要是降落在水中,飛行員就不會慘遭拖行到水面下。

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儘管過去數年噴射背包已有長足進步,但仍面臨許多限制,無法如科幻小說中一樣完美; 噴射機燃料重量不輕,要價昂貴,而儘管導管風扇提高了燃料使用效率,但目前為止體積仍然比我們想像的濃縮版噴射背包大上許多。行動不便是一大問題,馬丁噴射背包的風扇裝在龐大的導管外殼中,所以無法高速前後移動;羅西的飛行翼比較靈敏,但壞處就是起飛降落必須分別仰仗直升機與降落傘,不過這點羅西正努力鑽研,希望未來能從地面起飛。

雖然目前與科幻小說的噴射背包還有段落差,但這項新科技潛能無限,多國軍方、搜救 隊、緊急應變單位都對馬丁噴射背包大感興趣。馬丁噴射背包速度快,里程不差,也能前往陸路難及之處,此外尚能遠端遙控,所以進入極盡凶險的區域也沒有問題,甚或可以當作救援機,將人載到安全的地方。當然,終極目標希望馬丁噴射背包也具備娛樂用途。目前為止,各國航管部門尚不須煩憂噴射背包的問題,所以還未制定明確法規;若有需要,各地有關當局可以自行訂定規範。 紐西蘭准許真人試飛馬丁噴射背包的原型機,但規定相當嚴格,飛行員必須持有執照,離地也不得超過 6 公尺,離水面則不得超過 7.6 公尺。

開發完成的馬丁噴射背包預計 2015 年上市,可能要價 15 萬美元;研發團隊希望避開強制申請執照的規定,所以噴射背包的設計完全符合美國聯邦民航局現行針對超輕型載具的規定。 雖然巴克.羅傑斯的噴射背包尚未問世,但工程師已將個人飛行的夢想又更拉近現實一些。

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 06 期(2015 年 3 月號)

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知識大圖解_96
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【suno AI】五音不全也沒關係,讓 AI 幫你唱歌!這些 AI 是怎麼做到音樂生成的?
泛科學院_96
・2024/04/18 ・459字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

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不知道大家有沒有被傳說中的OO緊縮術攻擊,總之小編是中招了。

有時候一個人上網也是挺無助的,手足無措的我就想了解一下歌曲生成的魔法是怎麼出現的。

今天就讓我們來評測一下線上歌曲生成的服務,順便說說這些聲音生成是怎麼做出來的。

廢話不多說,讓我們開始吧!

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泛科學院_96
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降低罹癌風險這樣做!肝癌預防、晚期治療一把罩
careonline_96
・2024/04/17 ・2301字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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罹癌就得放棄工作?晚期肝癌口服標靶藥助彈性兼顧工作與生活!晚期肝癌治療圖文懶人包

台灣肝癌每年約有上萬名新確診的肝癌個案,其中又以 45 歲以上、具備勞動生產力的族群佔多數 。而肝癌因早期症狀不明顯,直到腫瘤較大才可能出現腹脹、腹痛、黃疸等症狀,等到確診肝癌時已有約三成患者為不適合手術治療的晚期〔1〕,且疾病惡化速度快〔2〕。臺大醫院癌症微創中心黃凱文主任指出,根據最新的癌症登記報告,110 年新增的罹病數中 45 歲以上男性近七成〔1〕。可見對於勞動階級的威脅之大,罹病後可能嚴重他們的生活與生計。

發現時為時已晚的肝癌

晚期肝癌新藥藏自費風險,健保申請成功率不到五成

針對早期肝癌,一般會先評估進行手術治療。黃凱文醫師說明,中晚期肝癌除了使用手術局部治療外,若病人的狀況許可,還可進行全身性藥物治療,包括標靶藥物、免疫藥物等。晚期肝癌的健保用藥中,目前有一線藥物三種藥物,病人只要符合相關條件,醫師便會協助申請使用,其中有一項是新通過的標靶加免疫藥物的免疫治療組合〔3〕

然而最新的藥物並不一定對病患就是最好的藥物。黃凱文醫師提醒:「目前健保規定三種藥物中只能擇一給付,倘若治療效果不明顯想改用其他藥物,接下來病人有可能要自費使用。」而新藥標靶加免疫的治療組合,相對於另外兩款藥物,健保給付條件較嚴格,如果半年內腫瘤沒有持續縮小,健保便不再給付〔4〕。若要自費繼續使用,經濟負擔就相當沉重。

「就我個人的經驗而言,第一次申請新藥大約只有四成晚期病人可以滿足健保給付條件,而後續第二、三次申請中,目前僅有一半病人能夠續用新藥。」對於健保續用狀況,黃凱文醫師如此分享。

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晚期肝癌治療解析

選擇適合的治療方式,穩定用藥維持生活品質

健保通過新藥後,肝癌治療選擇增加,黃凱文醫師指出,標靶加免疫的治療組合與口服標靶藥物的反應率、治療成效相近,不過標靶加免疫的治療組合採用針劑注射,病人需要每三週回診接受治療;而口服標靶藥,只要在家服藥每日一到兩次,病人無需每月來回跑醫院,回診次數相對少很多,對生活及工作影響也較小。

現階段晚期肝癌的治療,標靶藥物與免疫藥物都能發揮治療成效。在這些治療選項中並沒有絕對較好的選擇,重點在於適不適合。黃凱文醫師說明,醫師都會與家屬、病人詳細討論。綜合考量,每個人的健康狀況、家庭環境、經濟考量後,共同決策選擇合適的藥物。

由於肝癌早期沒有症狀,具有危險因子的民眾一定要定期追蹤檢查,早期發現、早期治療能夠達到較佳的預後。黃凱文醫師提醒,B 型肝炎或 C 型肝炎帶原者應該及早接受治療,現在已有成效卓越的抗病毒藥物,能夠避免肝臟持續發炎,降低罹癌風險。若確診中晚期肝癌,請不要灰心。黃凱文醫師說,肝癌的治療藥物持續在進步,治療選擇也越來越多。病人只要和醫療團隊密切配合,按部就班接受治療,便有機會達到長期存活!

降低肝癌風險

筆記重點整理

一、 肝癌初期大多沒有症狀,在台灣,新增的肝癌個案中約三成肝癌患者在確定診斷時便是中晚期肝癌,不適合接受手術治療。肝癌的危險因子有很多,包括病毒性肝炎(如 B 型肝炎、C 型肝炎)、肝硬化、脂肪肝、體重過重、酒精性肝炎、抽菸、黃麴毒素、家族病史等。

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二、 針對早期肝癌,一般會先評估進行手術或消融治療。而中晚期肝癌,除了使用手術局部治療外,若病人的狀況許可,還可進行全身性藥物治療,包括標靶藥物、免疫藥物等。

三、 標靶加免疫的治療組合與口服標靶藥物的反應率、治療成效相近,不過標靶加免疫的治療組合採用針劑注射,病人需要每三周回診接受治療,而口服標靶藥,只要在家服藥每日一到兩次,有助減少回診次數,對生活與工作的影響較小。

四、 新藥的健保給付條件相對較嚴苛,如果半年內腫瘤沒有持續縮小,健保便不再給付,患者需要自費使用藥物。

五、 現階段晚期肝癌的治療,標靶藥物與免疫藥物都能發揮治療成效。在這些治療選項中並沒有絕對較好的選擇,重點在於適合患者個人的狀況。

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參考資料

  1. 衛生福利部 110 年癌症登記報告
  2. Nathani, P., Gopal, P., Rich, N., Yopp, A., Yokoo, T., John, B., Marrero, J., Parikh, N., & Singal, A. G. (2021). Hepatocellular carcinoma tumour volume doubling time: a systematic review and meta-analysis. Gut, 70(2), 401–407. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2020-321040
  3. 衛生福利部 全民健康保險藥物給付項目及支付標準共同擬訂會議藥品部分第 62 次會議紀錄
  4. 衛生福利部 藥品給付規定

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careonline_96
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少了目鏡的數位顯微鏡
顯微觀點_96
・2024/04/16 ・1996字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

顯微鏡在觀察微小物體上發揮非常重要的作用,但傳統光學顯微鏡通常愈將倍率放大,景深就愈淺,在觀察立體的生物標本或是組織切片,觀察者無論怎樣調焦,依然無法獲得完全清晰的圖片。數位顯微鏡便能解決這樣的問題。

數位顯微鏡和光學顯微鏡最大的差異在於觀察方式。數位顯微鏡不像傳統顯微鏡透過目鏡來觀察,而是使用數位相機獲取畫面,再將即時畫面投影到連接的電腦螢幕。

三要件組成數位顯微鏡

數位顯微鏡結合了傳統光學顯微鏡、數位多媒體和數位處理技術,其成像系統通常包括三個模組:顯微鏡光學模組、資料擷取模組、數位影像處理和軟體控制模組。

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顯微鏡光學模組執行顯微成像的功能,將欲觀察的樣本影像聚焦。一旦聚焦,資料擷取模組就會將影像以數位格式儲存在感光元件,如 CCD(電荷耦合裝置‍)或 CMOS‍(互補式金氧半導體),再透過 USB 或其他介面傳輸到電腦儲存裝置。

軟體控制模組則是整個數位顯微鏡系統的核心,可即時控制、優化擷取的影像,並加以處理、分析測量。尤其隨著功能更強大的電腦出現,數位顯微影像可以得到更有效和高效的處理,例如可以取代手動計數功能,或是快速推疊或拼接影像。

公式

Dtot 表示景深,λ 是照明光的波長,n 是物鏡至觀察物體間介質的折射率,NA 是物鏡的數值孔徑

e 是放置在顯微鏡物鏡圖像中,可分辨的最小距離,M 是橫向總放大倍率

從公式可以看到,景深和總放大倍率幾乎成反比。而以過去難以同時兼備的高倍率和大景深來說,使用顯微鏡調整焦點,搜尋並到達分佈在不同深度的樣本後,再以數位成像設備捕捉分佈在這些深度的所有清晰影像,傳輸到電腦就能產生高品質、清晰的影像。

另外,也可結合雷射和共軛焦顯微鏡觀察不同深度的橫斷切面影像,再利用電腦影像處理和 3D 重建演算法,便能可以獲得高解析度的立體輪廓,進而觀察複雜的細胞骨架、染色體、細胞器和細胞膜。

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數位顯微鏡的電腦即時處理也常應用在動態或活體(in vivo)檢測的研究中,例如細胞膜潛在變化、藥物進入組織或細胞膜的過程等。

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數位顯微鏡的倍率計算

傳統顯微鏡的總放大倍率為目鏡倍率 x 物鏡倍率,既然數位顯微鏡拿掉了目鏡改以數位相機、電腦取代,該如何計算總放大倍率呢?

數位顯微鏡除了光學放大倍率,還必須考慮數位放大倍率,因此總放大倍率=光學放大倍率 x 數位放大倍率

  • 光學放大倍率:物鏡放大倍率 x C 型轉接環放大倍率

由於連接顯微鏡和相機通常有一個 C 型轉接環(C-mount),且內建鏡頭。因此必須先將物鏡放大倍率乘以轉接環的放大倍率。

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  • 數位放大倍率=螢幕(顯示器)尺寸/感光元件尺寸

數位放大倍率必須考慮的元素有螢幕和感光元件。通常螢幕的對角線尺寸以英吋為單位,因此必須先將測量值轉換為毫米(mm);以 19 吋顯示器為例,其對角線測量值則為 19 吋 x 25.4=482.6 (mm)。

感光元件尺寸同樣以對角線的測量值來計算。以 1” 的晶片來說,其對角線測量值為 16(mm)。

感光元件規格(英吋)對角線
1″12.89.316
2/3″8.86.611
1/1.8″7.25.49
1/2″6.44.88
1/2.5″5.84.37
1/3″4.83.66
1/4″3.22.44

因此若以 10X 的物鏡搭配 0.67X 的 C 型轉接環,變焦 5X 後使用 2/3”CMOS 攝錄器拍攝並投影在 24 吋螢幕上。此時總放大倍率為:10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 (倍)

不過,隨著技術的不斷進步,數位顯微鏡和光學顯微鏡間的界限變得越來越模糊,有些數位顯微鏡採用更多光學元件,光學顯微鏡也採用了數位相機技術;相信打破藩籬的那一天指日可待。

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參考資料

  1. Digital vs. Optical Microscopes: An In-Depth Comparison
  2. How to Calculate Microscope On-Screen Magnification
  3. Chen, X., Zheng, B., & Liu, H. (2011). Optical and digital microscopic imaging techniques and applications in pathology. Analytical cellular pathology (Amsterdam)34(1-2), 5–18.

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。