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超乎想像的織物!當紡織與電子科技融合:智慧儲能與發光系統

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/23 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

文\王昱夫

能源和環境無疑是近年來大家最關注的話題之一,電動車更是其中常常被拿出來討論的選項,然而,這類電力產品長久以來無法普及的ㄧ大困難點,就在於充電時間太長,想像一部車開進充電站,卻要花上半小時時間充飽電才能再上路(而且還沒辦法像用油一樣開那麼遠,很快又得找站充電),簡直讓人受不了。針對這樣的問題,紡織產業綜合研究所開發的「超級電容」,不但能夠滿足快速充放電的需求,更可以和紡織技術結合,開創出全新的市場!

紡織所開發的「織物超級電容」,曾在2011年榮獲R&D100大獎(此獎項素有「產業創新奧斯卡獎的美譽」)。其特色在於具備高度柔軟性(可180度折疊)、高穩定度、長壽命、快充快放及大容量,可以有效與自行車發電系統、太陽能電池做結合,成為高度生活化且應用性高的產品。

織物超級電容為什麼可以擁有這麼多優異的性質呢?其最創新之處便在於它使用了紡織材料作為電容的基材!是的,你沒看錯,是紡織材料!捨棄了以往電子材料總是硬梆梆的刻板印象,研究團隊採用了柔軟可撓的紡織物支撐整個電容結構,於其中灌注特定比例的電解質溶液後加以真空封裝,做成這片厲害的超級電容。也由於是使用紡織品材料,整片電容就像衣服一樣,可以隨意的扭曲、搓揉,當筆者親手拿著它把玩!簡直難以想像傳統的電子元件竟然能以如此特別的型態被製造出來!

紡織所沈乾龍組長向我們介紹LED紗線的構想。
紡織所沈乾龍組長向我們介紹LED紗線的構想。

「我們採用紡織材料來做,就是因為它具有好的可撓性和多孔性結構」受訪的蔡副組長向我們解釋道。有了好的可撓性這項產品的應用便不受限於傳統的空間限制,可以把它彎曲、塞在很小的空間內,或是放在背包、衣物這種需要高柔軟性的物品上,與穿戴式裝置做結合。除了可撓這項大特色之外,織物超級電容比起傳統的電容在性能上更絲毫不遜色!它的充放電速度接近傳統電池的100倍,同時,它比起一般電容,不但漏電速度慢,其壽命甚至可以經歷將近10萬次重複充放電(普通電池充放電壽命約300~500次)!這些特點結合起來,未來或許就能與前面提到的電動車輛做結合,達成快速充放電電力車的願景。

紡織所蔡杰燊副組長。
紡織所蔡杰燊副組長。

在應用面上,紡織產業綜合研究所也研發了特殊的LED紗線作為目前市場化供應的第一步。LED紗線和傳統的LED不一樣,也是強調「以紡織材料為主體」的產品,透過高度技術織造,具備比起傳統電線更高的承重力,也可以像一般衣物一樣耐水洗;值得一提的是,紡織所開發的這款LED紗線不像一般的LED燈有方向性(只有一個方向發光),360度全方位可發光,不論從哪端看都可以看到亮光!而且,紗線本身材質的導光效能也很好,可以讓整條線均勻發光,提高其應用性。

織物超級電容是由織品為基材,加入電解質之後封裝而成。
織物超級電容是由織品為基材,加入電解質之後封裝而成。

從產品端來看,目前織物超級電容已應用於自行車與太陽能供電裝置:由於這類發電來源其供電量往往不穩定(人踩的速度不可能一直固定嘛@@太陽也不會一直在頭頂~),如果直接把發的電接到要使用電的裝置上(像是車燈或手機充電裝置),效果可能不好(燈一下暗一下亮)或甚至會損傷器材(手機壞掉),所以這時候,就輪到超級電容出馬了!發揮它快速充電的特點,在發電時快速將電力儲存於電容內,再以固定的輸出量供電給要使用的裝置,達到好的電力運用(智慧儲能的概念啊!)。LED紗線則是可以運用在安全警示,與智慧型穿戴裝置做結合,結合這兩項技術,說不定未來,能夠像「布」一樣隨身攜帶的螢幕,也不再是天馬行空了呢!

LED紗線。
LED紗線。

33_01代表照

紡織業以往被大家視為傳統產業,很難和最新科技這類的詞彙聯想在一起,然而,紡織所開發的智慧型儲能及發光織品,卻讓我們都著實大吃了一驚!紡織如此柔軟的材料,在與電子科技結合後,開創出了新的ㄧ片藍海!

團隊照
紡織產業綜合研究所研究團隊。

更多資訊請參考解密科技寶藏

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 1 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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揭露蜘蛛結網的「五大 SOP」——它們是隱身牆角的紡織專家!
阿咏_96
・2021/12/21 ・2625字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

一提到蜘蛛,許多人腦海中浮現的畫面,或許是在學校裡不起眼的角落,搭在陰暗牆角的蛛網。在許多影視作品裡,蜘蛛網總給人一種陰森、詭譎的氛圍。然而,讓人不可否認的是,蜘蛛網的結構是如此複雜且精美。

關於蜘蛛結網,在古希臘有一則傳說。大家所熟知的女神雅典娜,曾向遠古人類傳授紡織技藝,被稱為「紡織女神」;而當時有一位染匠的女兒名為阿剌克涅(Arachne),十分擅長紡織,沒有人能比得上她,也因此她也十分驕傲得意,某次她向雅典娜提出挑戰,希望能一決高下。後來,雙方的作品都十分精美、技藝精湛。然而,阿剌克涅所織出的掛毯內容卻是褻瀆、嘲笑宙斯與他的眾多妻子的,雅典娜一氣之下將阿剌克涅變成了一隻蜘蛛,永遠用她自己的身體織網,而現在我們所見的蜘蛛被認為是阿剌克涅的後代。

阿剌克涅(Arachne)十分擅長紡織,後來被雅典娜變成一隻蜘蛛。圖/Wikimedia Commons

雖然蜘蛛網幾乎隨處可見,然而背後的秘密就和它的外觀一樣錯綜複雜,吸引著人們去揭開它的神秘面紗。令許多科學家好奇的是,體型及大腦都比人類小這麼多的蜘蛛,到底是如何織出這些精密又優雅的幾何結構的?如此複雜又連續的行為是如何調控及建構的呢?

其實一直以來都有許多探討影響蜘蛛結網因子的研究,例如有科學家將蜘蛛放到外太空,觀察在無重力環境下,蜘蛛結的網有何不同,通常在有重力的情況下,會結出不對稱的網,然而在無重力下便是對稱的。此外,大多靠觸覺織網的蜘蛛,於無重力環境下的織網行為,卻仍受光線影響。由這些結果可以得知,不同環境因素對結網行為的影響[4]

但若想要了解行為背後的機制,必須先區分出不同階段的行為模式。先前有些研究試圖分析,但因研究者無法在蜘蛛結網期間進行全天候的觀察,因此許多行為模式的細節仍未被發現。後來也逐漸發展出其他方法去觀察蜘蛛,例如在實驗室裡創造可控的環境,利用攝影機記錄行為[1]

幫蜘蛛結網的「每一步」做紀錄!

今年十一月,一項刊登在當代生物學《Current Biology》的研究[2],利用紅外線夜視攝影機,在夜晚觀察蜘蛛,並用軟體追蹤牠們快速的腿部動作,將結網行為分成不同階段。

蜘蛛網的種類眾多,但這項研究觀察的是圓網(orb web),原因是在織網的過程中,比較容易透過追蹤蜘蛛軌跡和網的幾何形狀,來定義不同的階段。因此他們選擇織圓網的金蛛科(Uloboridae)裡的 Uloborus diversus 作為研究物種。這是一種原產於美國西部的蜘蛛,他們的體型很小,小到能夠放在指尖上;由於大多數織圓網的其他類群只在春、夏活動,而這個物種是全年都有,符合長期活動以及耐受性好等實驗所需條件。

雖然這種蜘蛛可以在任何形狀的空間裡結網,但他們更偏好在完全黑暗的環境建造水平圓網。因此,研究團隊設計了一個「舞台」,並設置紅外線攝影機及紅外燈。透過這個裝置,每天晚上監視並追蹤蜘蛛織網的過程,被追蹤的六個個體皆為成年雌性。(只使用雌蛛的原因是,雄性很少結圓網)。

在這個實驗中,研究人員利用動態捕捉軟體,追蹤蜘蛛每條腿的基部、股骨、脛骨,以及前胸的最前和最後,共二十六個點,來分析數百萬件的腿部動作,藉由追蹤腿部運動能夠區分出每個階段的典型及非典型行為,將織網的不同階段作更細部的分析。

圖/參考資料2

蜘蛛網的秘密:動態分析「織網五階段」

織圓網的過程可被區分為五個階段:首先,蜘蛛會花時間探索一下所在空間,同時築出一個雜亂無章的網,稱為「原形網」(proto-web),通常沒有明顯的規律。這個階段蜘蛛會評估周遭環境,並為最終要織的網定位。在探索結束後,蜘蛛會有一個長時間的停頓。

接著,便要開始向外建造網的半徑(radii)。牠會先移除大部分的原型網,並調整一些原型網的線條作為半徑,同時建構框架(frame)。在第三階段之前,蜘蛛會短暫停歇,接著開始向外盤旋,織造螺旋狀的「輔助螺旋」(auxiliary spiral)補強網面的整體結構。這個階段只會持續幾分鐘,因為輔助螺旋是暫時的結構,它是為穩定下個階段的施工而建,也就是「捕獲螺旋」(capture spiral)。當蜘蛛從外圍向內建造捕獲螺旋時,會同時移除輔助螺旋,這是第四個階段。

Uloborus diversus 蜘蛛織圓網隊主要四個階段。圖/BioRxiv

最後,在某些情況下,蜘蛛會再加上一個稱為「隱帶」(stabilimentum)的構造。有趣的是,這個構造並非所有蜘蛛都有,它的功能也仍未知。目前已有許多假設[3]被提出,例如可以幫助蜘蛛隱匿、避免其他生物(例如鳥類)撞上蛛網,或讓蜘蛛在其他捕食者的眼中看起來更大,也有假說認為此構造可以吸引獵物。

本次實驗中,蜘蛛在各節網階段的移動及耗時紀錄。圖/BioRxiv

蜘蛛腦如何進行複雜的結網工程?仍待解答

在分析出蜘蛛結網的五階段後,研究人員發現,蜘蛛結網的行為非常相似,以至於研究人員能夠僅通過觀察蜘蛛腿部的位置,來預測蜘蛛正在為蜘蛛網的哪個部分施工。

研究人員指出,即使蜘蛛網最終的結構略有不同,但蜘蛛結網的步驟及規則卻是相同的,這證實了結網的規則是在蜘蛛的大腦中編碼的。因此未來研究團隊想進一步了解的是,這一連串動作背後的神經系統是如何運作的,在後續的研究中,能夠找出蜘蛛調控結網的大腦迴路,一步步揭開美麗蜘蛛網背後的秘密。

資料來源/YouTube

參考資料

  1. Benjamin, S. P., & Zschokke, S. (2000). A computerized method to observe spider web-building behavior in a semi-natural light environment. European arachnology, 117-122.
  2. Corver, A., Wilkerson, N., Miller, J., & Gordus, A. G. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web-building. bioRxiv.
  3. Mena, P. The Function of Stabilimenta in Spider Webs. The Writing Anthology, 36.
  4. Spiders in space—orb-web-related behaviour in zero gravity

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織布機的進化戰爭,計算機的關鍵突破│《電腦簡史》 齒輪時代(十九)
張瑞棋_96
・2020/06/29 ・3236字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

上一篇提到巴貝奇放棄差分機,轉而投入分析機的設計,意欲打造什麼都能算的通用型計算機。分析機必須採用全新架構,巴貝奇受困許久,沒想到最後讓他突破盲點的靈感,竟是來自於看似毫無關聯的織布機……。

本文為系列文章,上一篇請見:兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機?巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代(十八)

紡織業落後英國,沃康松臨危受命

還記得發明「便便機器鴨」的沃康松嗎?他結束吹笛人、鼓手與機器鴨等機械玩偶的展演後,本來要更進一步,打造具有肌肉運動、呼吸、血液循環的機械生物,不料突然於 1741 年接到一項官方任務,而不得不擱置這個計畫。(前情提要:如果上帝就像鐘錶匠,當然我們也能?│《電腦簡史》 齒輪時代(十二)

原來法國政府發現英國紡織業這幾年突發猛進,背後的助力就是英國發明家約翰.凱 (John Kay) 於 1733 年發明的飛梭。以往織布機至少要有兩人操作:一個工人提起縱向的經紗,然後將梭子推向另一端,帶著橫向的緯紗穿過經紗,然後另一端的工人待另一組經紗又提起後,再將梭子推回來,如此不斷往返。

有了飛梭之後,一部織布機只需要一個工人操作,而且速度快上好幾倍,還能織出更寬更大的布。因此英國的紡織業無論是成本、產量或樣式,都遙遙領先其它各國,一躍為歐洲的領頭羊。法國政府不甘落後,於是找上沃康松,冀望他運用設計自動機器的長才,也能改善法國的織布機,好迎頭趕上英國。

前人已曾改善織布機,靈感來自滾筒風琴

其實早在沃康松之前,法國就曾有兩位紡織工人試圖改造織布機,時間比約翰.凱發明飛梭還早;不過他們針對的是提花布的編織。織布機織的布有兩種,一種是沒有圖案的素面布,另一種是有圖案的提花布。製造素面布比較簡單,每次提起的經紗相當固定,例如這次是奇數線,下次則是偶數線,如此不斷輪流。但提花布就相當麻煩,每次要提起的經紗組合都不一樣,非常耗時費工。紡織工人布雄 (Basile Bouchon) 想改善的,便是製造緹花布的方法。

其實布雄找到的解決方案已經存在很久了,只不過它一直隱藏在與紡織業毫無關聯的一樣東西──滾筒風琴 (barrel organ) 。

滾筒風琴的內部結構。圖/wikipedia

滾筒風琴通常用於街頭表演,只要轉動搖柄,就會自動奏出樂曲。事實上,滾筒風琴的原理與音樂盒類似,旋律變化都是取決於圓筒表面參差不齊的突起。差別在於音樂盒是直接撥動鋼製簧片發出聲音,滾筒風琴則是間接造成不同音管阻塞,由風箱產生氣流通過音管而發出聲音。就這點而言,滾筒風琴反而更接近穆薩三兄弟於 850 年設計的吹笛手。

布雄的父親原本就是製作滾筒風琴的工匠,布雄從小耳濡目染,對滾筒風琴的構造瞭若指掌。因此當他踏入紡織業後,觀察到織布機的經紗起起落落,編織出規律的幾何圖案,便聯想到這其實與滾筒風琴有異曲同工之妙。規律的圖案相當於不斷重覆的樂曲,經紗相當於音管;既然可以藉由轉動圓筒而奏出樂曲,那麼同樣的原理應該也能用於織布機,控制經紗起落而織出圖案。

用紙卷控制經線,織出不同的圖樣

布雄很清楚滾筒風琴的圓筒如何製作:先按照樂譜上的音符在紙上畫好記號,接著將紙裹住圓筒表面,然後在記號處──釘上鐵釘,再取下紙張即大功告成。不過布雄並沒有依樣畫葫蘆,打造另一個用於織布機的圓筒。這是他的另一個洞見:打了孔的紙已經包含如何控制音管的資訊,做成圓筒只是沿襲自音樂盒的作法,並非絕對必要。也許織布機無需圓筒,用打孔的紙張就能控制經線起落?

布雄所設計用打孔紙帶控制的織布機。圖/wikipedia

1725 年,布雄公開展示他的發明:在現有織布機上外加一個編織控制裝置。這個裝置有條寬寬長長、打了許多洞的紙帶,首尾相連成環,再用兩根圓筒狀的軸桿上下撐開,就像輸送帶或跑步機那樣,只不過紙帶是直立的,而且要靠手拉動。

以往要靠人工挑選要提起的經紗,現在只要把上方軸桿推向前去頂整排勾針。由於軸桿表面是鏤空的,所以哪些勾針會被頂到而移動,取決於對應到紙帶的位置是否有洞。沒有洞,紙帶才會推動勾針提起經紗;如果有洞,勾針就會穿過洞而文風不動。等梭子穿過經紗後,再將紙帶拉下一點,再次推軸桿去頂勾針,如此不斷地拉紙帶、推軸桿。由於洞的分布位置都不相同,所以每次會提起不同的經紗,而織出特定圖案。

這是史上第一台半自動織布機,也堪稱第一台可編程的工業機器,因為只要更換不同紙帶,就能織出不同圖樣。可惜布雄的劃時代發明並未獲得青睞,因為它仍有許多缺陷,例如紙張很容易破裂,用沒多久就要整卷更換;紙的強度不足也限制了紙帶寬度,只能織出窄福的提花布;此外,紙帶長度受限於織布機的高度,圖案很快就又重覆,太過單調呆板。

紙卷太短又容易破,何不改用串接的卡片?

三年後,布雄的助理法爾肯 (Jean-Baptiste Falcon) 克服了這幾個缺陷。他把上方的軸桿改成方形,並且改用一片一片串起來的厚紙板取代紙帶,如此一來,就不需要下方軸桿,卡片串接的長度便不受限制,可以織出更複雜的圖案。厚紙板也可以做成更寬,就能織出更寬的提花布。此外,厚紙板較不易破損,就算破損,也只需要更換壞掉的卡片,不用像紙帶那樣要整卷換新。

不過即使解決了這幾個問題,紡織廠仍然不願意花錢改裝織布機,因為方形軸桿仍得靠人工轉動,還要對齊打洞的位置,織布速度沒快多少,也未減少人力,投資效益並不高。法國紡織業的自動化腳步就此打住,直到十多年後,沃康松奉命提升法國織布技術,布雄與法爾肯的發明才又被挖出來。

沃康松以布雄的設計為基礎,但將紙帶改為裹住一個金屬大圓筒,運用自動機器的原理做出連動機制,讓圓筒轉動與推壓勾針的動作一氣呵成,持續不斷地自動織出圖案。沃康松果真不負法國政府所托,於 1745 年展示史上第一架全自動織布機。不過紡織工人可不高興,他們深恐因此失業,群起抗議;有些工人怪罪到沃康松頭上,還朝他丟石頭。織布機自動化的計畫再次受挫,沃康松也不如歸去,重拾他的擬人機器人計畫。

其實紡織工人無須太過驚慌,因為沃康松改良布雄的設計後,雖然可以減少人力、提高效率,但所織的布仍然無法太寬、圖案不能太複雜,所以還是沒有幾家工廠願意購置。為什麼沃康松要延用紙帶,而不是選擇法爾肯所設計的卡片?這的確令人費解。打孔卡片直到半個世紀後,才被另一位法國發明家雅卡爾 (Joseph Marie Jacquard) 重新發掘,他成功地結合前人的設計,打造出可編程的全自動織布機。

雅卡爾統合成功建織布機,巴貝奇承襲設計造分析機

雅卡爾於 1752 年出生於法國的紡織重鎮里昂 (Lyon) ,這裡正是當初布雄與法爾肯工作的地方。雅卡爾的父親也是紡織工匠,有自己的工坊;雅卡爾從小就要幫忙打雜,直到十三歲才在姊夫的指導下識字念書。二十歲時父親過世,雅卡爾繼承了紡織工坊,然而才十年時間,他就敗光家產,只能離鄉背井四處打工謀生,直到 1789 年才回到家鄉,重返熟悉的紡織業。

歷經法國大革命的十年動盪後,雅卡爾自 1800 年開始,陸續發表各種自動化的紡織設備,包括用腳踩踏的織布機、魚網編織機。1803 年,拿破崙特地召見雅卡爾,讓他住進巴黎的工藝學院,任意使用裡面的設施,進一步研究如何改善織布機。雅卡爾仔細研究工藝學院收藏的布雄、法爾肯、沃康松等人的設計,最後他決定將沃康松所用的大圓筒與紙帶換成打孔的卡片,利用棘輪控制卡片轉動,果然成功打造出真正實用的全自動織布機。

雅卡爾織布機的控制裝置。圖/wikipedia

雅卡爾織布機 (Jacquard loom) 其實是個控制裝置,可以加裝在現有的織布機上。原本兩個工人一天才能合力織出 3 公分的提花布,改裝後只需要一個工人,一天就能織到 60 公分長,而且布寬與圖案都不受限制。雅卡爾織布機自 1805 年發表,到 1811 年專利期滿為止,共出貨了一萬一千台,大幅提升法國紡織業的競爭力。

雅卡爾不僅改變了紡織業,也間接促進了計算機的進展。打孔卡片的可編程功能在他手中發揚光大,遠在英國的巴貝奇正是受此啟發,才能設計出史上第一台通用計算機。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。