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用App Inventor 直接控制樂高EV3 機器人: 翻轉控制

馥林文化_96
・2015/04/07 ・2792字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 529 ・七年級
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文/CAVEDU教育團隊

感謝各位讀者的支持,連載終於邁入最終回了!本期專題要介紹如何使用Android 手機上的姿態感測器來控制樂高EV3 機器人。有接觸過App Inventor 的師長朋友們,歡迎從App Inventor 中文學習網的檔案庫下載本程式的aia 原始檔與apk 安裝檔。

什麼是Direct Command?為什麼需要它?

根據樂高官方文件, 您可以使用Direct Command做到的重要功能有:

• 啟動/停止主機上指定檔名的程式。
• 控制馬達啟動、停止、轉向、電力與角度上限。
• 取得感測器值與狀態

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其餘功能,請參考官方文件(註1)。

開始玩機器人

本範例的機器人與2013 年1 月號的「翻轉控制」專欄是一樣的,只是由NXT 換成EV3 機器人而已。機器人不須加裝任何感測器,只要用兩顆馬達組裝成雙輪機器人即可。本範例是將馬達接在EV3 主機的輸入端A 與B。請確認EV3 主機的藍牙已啟動,接著將EV3 主機與Android 手機進行藍牙配對(註3),完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後,您可以從EV3主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能:

STEP1 登入畫面:

首次進入程式的畫面如圖1a ,這時只有「EV3 裝置/ 連線」按鈕可以按,其它所有按鈕都無法操作。點選「EV3裝置/ 連線」按鈕後進入藍牙裝置清單(圖1b),請找到剛剛配對完成的EV3主機名稱(本範例為abc),點選之後就會由Android 裝置對EV3 主機發起藍牙連線。順利連線成功的話,「EV3裝置/ 連線」按鈕會變成不可按的狀態,其他按鈕則都可按(圖1c)。

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圖1a 程式首次執行的畫面。 圖1b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。 圖1c 連線成功後的畫面。
圖1a 程式首次執行的畫面。
圖1b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。
圖1c 連線成功後的畫面。

STEP2 程式初始化:

在點選連線清單之前(ListPicker_EV3 清單選取器的BeforePicking 事件),需先將清單內容指定為Android裝置上的藍牙配對清單(圖2a),其中connected 這個布林變數是用來指示現在手機是否已和機器人成功連線。

圖2a 指定藍牙配對裝置清單。
圖2a 指定藍牙配對裝置清單。

點選之後, 會先測試連線是否成功,成功則將「EV3 裝置/ 連線」按鈕設為不可點選,「斷線」等按鈕設為可點選(圖2b)。

圖2b 連線成功後啟動相關元件。
圖2b 連線成功後啟動相關元件。

STEP3 直接控制副程式start與stop:

直接控制的奧妙之處在於直接對EV3 發送位元陣列, 只要按照樂高官方文件(註1)的說明,以正確的格式來發送資料即可。以 start 副程式來說, 它可接受兩個參數:port/ speed。您可以看到每次呼叫它時, 都會初始化一個名為 data 的空清單,以本範例來說,每一個清單元素代表一個位元組長度的內容。格式為:(13, 0, 0, 0, 128, 0, 0, 165,
0, port , 129, speed , 166 ,0, port),如圖3a。這當然需要您去查找官方文件中各個欄位所代表的意義。在此我們是將port 與 speed 用變數來控制, 代表所要控制的馬達與其轉速。最後透過BluetoothClient 元件將整個data 清單經由藍牙發送給EV3 機器人即可。

圖3a start 副程式
圖3a start 副程式。

到了stop 副程式,資料格式當然也有所改變。我們還用一個if 判斷式去檢查stop 參數是否為true , 如果是則在data 清單最後加入1 ,反之則加入0。這樣發送出去之後就能控制機器人是否要停止動作(圖3b)。

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圖3b stop 副程式。
圖3b stop 副程式。

藉由這樣的架構,當您要改用姿態控制、觸碰點控制、語音控制時,整體架構是不變的,差別只在於如何修改speed 變數值而已。

STEP4 姿態感測器:

當手機的姿態發生變化時,就會自動呼叫它的姿態改變(OrientationChanged) 事件, 並會把XYZ 的軸向變化以pitch、roll 與azimuth 這三個事件變數呈現, 供我們取用。由圖4a 可知, 我們要透過X 軸向傾斜來控制機器人前進,Y 軸向傾斜來控制左右轉彎等。在本範例中我們使用另外一個Angle 參數(回傳一個角度代表手機往哪個方向傾斜)求出兩顆馬達的轉速。

圖4a Android 手機軸向示意圖。
圖4a Android 手機軸向示意圖。

在此有兩個重要的變數angle 與power:angle 代表手機的傾斜角度,這是由姿態感測器的Angle 參數再減去45 所決定,45 代表座標軸的偏移量。接著是power 變數,這是一個介於0 ∼ 1 之間的小數,代表手機的傾斜程度,數字愈大代表愈斜。power 變數值是由姿態感測器的Magnitude 變數再乘上200 所決定,200 是一個調控用的參數,數字愈大,代表在同樣的傾斜度下,機器人會跑得愈快,但是也更敏感而不好操控。樂高EV3 機器人的馬達電力範圍為100(正向全速旋轉)到-100(反向全速旋轉),數值超過上下限則就限制在100 或-100 ,如圖4b。

圖4b 姿態感測器的姿態改變事件(上半)
圖4b 姿態感測器的姿態改變事件(上半)。

這四個重要的參數(pitch、roll、左馬達轉速與右馬達轉速)都會更新在畫面中間的四個Label 標籤元件上。先呼叫一次 stop 副程式,讓馬達先短暫停頓。接著呼叫兩次start 副程式,分別傳入「port =1;speed = cos(angle x power)」與「port =2;speed= sin( angle x power)」這組參數,代表根據姿態感測器的姿態變化量,進行三角函數運算結果,來決定左右馬達的轉速。

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最後,把夾角與左右輪轉速捨去小數點之後(round 指令),將計算結果更新在Screen 的狀態列上,如圖4c。

圖4c 姿態感測器的姿態改變事件(下半)。
圖4c 姿態感測器的姿態改變事件(下半)。

STEP5 斷線:

按下「斷線」按鈕之後,會中止藍牙連線(BluetoothClient.Disconnect指令),並使畫面上的各個元件恢復到程式一開始時的狀態。

操作

實際執行的時候,請先確認EV3 已經開機且藍牙也啟動了。接著在您的Android 裝置上點選畫面中的「EV3裝置/ 連線」按鈕, 會進到如圖1b的藍牙清單畫面,點選您所要的EV3主機名稱並連線成功後,試著把手機左右搖晃看看。朝前方傾斜,機器人就會前進,傾斜愈多,機器人跑得愈快(圖5a)。左右傾斜的話則是控制機器人左轉或右轉(圖5b)。在App Inventor 官方推出EV3 的元件之前,您也可以用這樣的方法來直接控制樂高EV3 機器人喔!

圖5a 手機朝前方傾斜43 度,X 軸向姿態發生 變化(pitch),機器人朝前方移動,左右馬達電力(38, 39)。
圖5a 手機朝前方傾斜43 度,X 軸向姿態發生變化(pitch),機器人朝前方移動,左右馬達電力(38, 39)。
圖5b 手機朝左方傾斜44 度,Y 軸向姿態發生變化(roll),機器人原地左轉,左右馬達電力(-37, 41)。
圖5b 手機朝左方傾斜44 度,Y 軸向姿態發生變化(roll),機器人原地左轉,左右馬達電力(-37, 41)。

本程式已上架Google play,請到Google Play 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app 了。歡迎大家到App Inventor 中文學習網的檔案庫下載本程式的aia 原始檔與apk 安裝檔。

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註1:樂高EV3 直接控制指令的相關文件請參閱此網頁:http://botbench.com/blog/2014/02/19/ev3-buildyour-own-block-and-hdksdk-docs-available/

註2: 想學如何開發App Inventor 程式嗎? 請到App Inventor 中文學習網(http://www.appinventor.tw)與
我們一同學習。

註3: 與EV3 連線後如果出現「Error 402」之錯誤訊息請不必理會,程式依然能正確執行。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/3月號

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馥林文化_96
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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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每次呼吸都會吸入十個孢子?一朵菇如何形成?無所不在的真菌生命循環!——《真菌大未來》
積木文化
・2024/02/21 ・3532字 ・閱讀時間約 7 分鐘

真菌的生命週期

一切始於一顆孢子

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。這些單細胞單元裡,包含著新真菌個體的繁衍密碼。面對無數微生物競爭者和惡劣的環境條件,孢子萌芽的機率極低,因此真菌釋放出數萬億個孢子來提高生存機會。孢子維持在一個暫停於生死之間的狀態,密切留意周遭世界並尋找適合落腳的地方。孢子很微小,無處不在,所以根本無法躲避它們,以我們自己而言,每次的呼吸都會吸入十個孢子。

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。圖/unsplash

被稱為「胚種假說」(Panspermia)的生命起源論甚至認為:生命的藍圖被包裹在一顆孢子當中,並在太空中旅行,在宇宙中尋找適合落腳的家園。儘管對此假說爭論不休,但我們確實知道孢子可以耐受極端溫度、抗輻射,甚至可以在真空狀態的太空中存活。 1988 年,和平號空間站(mir)的俄羅斯太空人就注意到,他們的鈦石英窗外有「東西」在生長,而且正在漸漸「啃穿」鈦石英。後來證實,這個「東西」就是一種真菌。1

就像植物一樣,大多數真菌也都採用「紮根在土壤當中」這種耗時的繁殖方式:它們利用菌絲體生長,或透過孢子飄散到新的棲息地。在渴望繁衍其 DNA 的動力下,有些真菌採取巧妙的策略,確保其孢子在新環境中得以繁殖。

擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露(Tuber melanosporum)就是一個很好的例子。這種跟黃金一樣珍貴的真菌生長在地底下,隨著孢子成熟,其所散發出的香氣會吸引動物、松露獵人和來自世界各地的美食家。松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道;在理想狀況下,孢子應已遠離原來被採集到松露的位置。

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擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露就是一個很好的例子,松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道。圖/pexels

在地面上,圓形的巨型馬勃(Calvatia gigantea)子實體保護著數以百萬在內部熟成的孢子。有趣的是,只要戳一下成熟的馬勃,它就會噴出一股煙霧狀的孢子粉,讓風帶走飄散的孢子。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬(Pilobolus)真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。有研究經計算發現,孢子囊能以至少 20,000 g (重力)的速率被噴射出去。相較之下,訓練有素的美國國家航空暨太空總署(NASA)太空人在太空船中穿著抗重力服(G-Suit)所承受的重力是 3 g ,而子彈是以 9,000 g 的加速度行進的。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。圖/wikipedia

還有能在黑暗中發光的真菌,光線會吸引昆蟲將它們的孢子散布到森林底層。例如,加德納臍菇(Neonothopanus gardneri,俗稱椰子花)就受到晝夜節律的調節,在夜間會發出明亮的光。 2所有這些演化而來的調整,都是為了確保繁殖能夠延續。

為菌絲找到一個家

當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。孢子經由細胞壁吸收水分,並長出一種稱為菌絲的線狀管。當菌絲在營養基質上生長,就會分支出更多菌絲並形成一條細線。原本的菌絲繼續利用可能是木頭、昆蟲或土壤的基質,由尖端處長出更多菌絲。菌絲間開始融合相連,形成一個相互連接、被稱為菌絲體的物質。

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當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。圖/wikipedia

每條菌絲的生長都結合了物理力量和化學策略。菌絲會分泌出作用相當於強力消化酸的酵素來分解物質。這個分泌酵素的作用,讓真菌能穿透最堅硬的基質:先將營養物質萃取出來,再經由菌絲體吸收。就像我們唾液中的酵素一樣,很快就可以將口中的麵包變成濕糊狀。

數英里的菌絲體,也許再來一朵菇

菌絲體如同漣漪一般,從孢子萌芽之處輻射向外生長。附近有營養物質出現時,菌絲體就會以圓形的方式使其表面積最大化,朝營養來源方向生長。當一個區域的食物來源耗盡,菌絲體中心處的舊菌絲就會被自己消化掉。殘存在被消化舊菌絲當中的可用資源,則會被重新傳送到菌絲體最外圈,供生長正旺盛的菌絲所用。

最後,菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。隨著資源被重新傳送到菌絲體生長的外緣,中心會逐漸消失,環的周長則逐漸增加。只要有養分和水,菌絲體就可以持續以這種方式不斷地生長下去。

菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。圖/wikipedia

在此階段,除了酵母菌以外的真菌就能由菌絲形成孢子,進行無性生殖。黴菌、銹病和粉狀黴菌等微型真菌總是以這種方式繁殖,例如麵包上所見的黴菌黑點就含有超過五萬個孢子。

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然而,屬於單細胞微型真菌的酵母菌,則採取不同於絲狀真菌的方式進行無性生殖。酵母菌利用分裂產生複製體進行無性生殖,雖然這種方法很有效率,但卻因此錯過了可以經由有性生殖確保遺傳多樣性的樂趣。3

除了透過無性生殖的方式繁殖,若環境條件惡劣(通常情況就是這樣),大型真菌也可以進行有性生殖。當兩個有性生殖相容的菌絲體相遇,它們就會進行融合並形成更大的團塊。

融合後已經具備遺傳多樣性的新菌絲體,等待著合適的環境條件到來,就會聚集它的菌絲、吸收水分膨脹,並形成被稱為原基(primordium)的菇蕾。幾天後,原基逐漸伸長菌柄,將菌傘推出基質表面。最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。

最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。圖/unsplash

根據菇類產生和釋放孢子的方式,可以將大型真菌分成兩群:一群是在封閉囊內產生孢子的子囊菌(asomycota),另一群是從菌褶中形成並釋放孢子的擔子菌(basidiomycota)。擔子菌的菌褶有一層菌膜保護,隨著菇的成熟,該菌膜就會剝落。

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菇的本身可以說就是一個慶典,慶祝擁有數萬億待釋放新世代真菌(孢子)的出現。孢子將再次進入那已經持續循環數十億年的過程之中。自然不會多愁善感,所以慶典終將結束;菇類在完成產生孢子的工作之後,就會開始腐爛消失。

菇的本身可以說就是一個慶典,菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻。圖/unsplash

它們已經達成自然所交付的任務,而且也不吝讓我們一窺正大自然發自內在的美。菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻,也許因為這樣,菇類才會如此受到歡迎。

註解

  1. Matthew Phelan, ‘Why fungi adapt so well to life in space’, Scienceline, 7 March 2018, . ↩︎
  2. Anderson G Oliveira, Cassius V Stevani, Hans E Waldenmaier, Vadim Viviani Jillian M Emerson, Jennifer J Loros and Jay C Dunlap, ‘Circadian control sheds light on fungal bioluminescence’, Current Biology, vol. 25, issue 7, 2015, . ↩︎
  3. 譯注:酵母菌也會進行有性生殖,遺傳物質亦會重新洗牌。 ↩︎

——本文摘自《真菌大未來:不斷改變世界樣貌的全能生物,從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》,2023 年 12 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

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【貓奴指南】把「貓界大麻」貓薄荷抹在身上,除了方便吸貓/給貓吸還有什麼作用?
PanSci_96
・2024/02/20 ・512字 ・閱讀時間約 1 分鐘

為什麼貓這麼喜歡貓薄荷呢?

原來是貓薄荷裡的荊芥內脂導致貓咪吸了貓心大悅,不住翻滾、流口水、打呼嚕。

但是,貓薄荷不是對所有貓都有用。不到六個月的小貓似乎不會有反應,而且有的貓喜歡,有的貓不喜歡……咦,這還和遺傳有關係嗎?

想要同時驅蚊,又讓貓貓情不自禁饞你身子嗎?那你一定要試試貓薄荷!

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荊芥內脂不只會讓貓咪快樂似神仙,也會活化蚊子體內的受體蛋白,接觸到的蚊子會產生搔癢和刺痛感。哈哈小蚊子,你也來嘗嘗癢癢痛痛的痛苦!

給你的貓貓來點刺激的快樂草吧!

延伸閱讀

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