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用呼吸寫書法,從偵測地雷到「讀心」的UWB

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/04/08 ・1530字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 617 ・十年級

文/劉珈均

紓壓音樂、駕駛狀態偵測、紓壓椅、運動計步器等等看似不相關的發明,都與「心跳」相關聯,而背後核心感測技術一開始是偵測地雷用的,這是怎麼回事呢?量測技術發展中心十幾年來研究非接觸式的生理感測技術,藉UWB與NPNS感測、解析生理訊號,研發一系列有趣而實用應用服務,已獲得67件專利。

「UWB(Ultra Wideband,超寬頻雷達感測技術)」與藍芽、Wi-Fi一樣,都用於無線短程訊號傳輸,而UWB其原理是低功率雷達,當受測目標產生脈動,發射與返回的脈衝信號時間間距也跟著變動,在適當距離內(約1公尺),UWB可透過微小變動偵測呼吸心跳等生理訊號,便成為非接觸式的感測器,不須緊貼皮膚,可隔著衣料感測,不受配戴形式或雜訊影響,特別適合需要密切監控生理訊號的對象如嬰幼兒、疾病患者。

量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。
量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。

團隊研究UWB已15年,工研院一開始與俄國航太大學合作研究,UWB早期作為軍事用途,如地毯式搜查地面下是否埋有地雷。「從出生到老,人對醫療的需求不減。」量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩說,因此團隊研究如何將UWB短程通訊轉而應用在醫療與民生用途,開發各式各樣的應用。

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林宏墩說,「心跳」透漏著許多訊息,首先就是生命跡象;另外,一般多用腦波分析評估睡眠狀態,但受試者須配戴一些配件,此舉就可能影響睡眠,若以心跳分析便無此顧慮。心跳資訊可對應於人的睡眠狀態,繼而判斷人的疲勞程度,甚至也可偵測呼吸中止;現代人的保健意識漸漸崛起,注重健康與運動,透過心跳也可評估人們的運動是否有效,結合動作感測器,幫助人們記錄運動狀態的計步器便由此而生;心跳變異也與交感、副交感神經的狀態相應,而交感與副交感神經的活躍程度正是與情緒相扣連,解析心跳便也能初步推導情緒狀態。

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林宏墩說,感測人們睡眠時的心跳呼吸也能據此分析睡眠情況,但單單知道呼吸、心跳數值的意義還不大,「我自己也知道我睡眠不好,更重要的是知道以後,要如何解決它。」團隊靠演算法將心跳數值轉為有意義的資訊,再將資訊轉化為後續應用服務。

把UWB嵌入床墊裡便成了智慧床墊,有些人有呼吸中止症,而床墊持續感測心率與呼吸,一發現有狀況發生,便自動微調頭部與頸部傾斜角度,在不打斷睡眠的情況下就能幫助使用者恢復正常呼吸;他們也曾與風潮音樂合作,探討特定旋律舒緩情緒的效果,發行紓壓音樂輯;團隊也研發了一款紓壓椅,椅子埋有UWB生理訊號感測器,即時偵測人的心跳,推導當下情緒壓力指標,並推薦適合舒緩心情的音樂。

文創也是個應用面向,團隊曾在花博館設計一項作品,觀眾站在特定位置,眼前屏幕長了幾棵樹苗,感測到觀眾的心律而生長,蝴蝶也因此從蛹脫出、翩翩飛舞,彷彿觀眾將生命能量傳送給它;書法講究「氣」的流轉,表現在呼吸上就是運息,團隊曾與故宮合作「行氣」,感測器埋於椅子下,人坐上椅子,控制呼吸,面前的投影布幕會自動寫下書法字,字體隨椅上觀眾的呼吸呈現或濃或淡的墨色,觀眾「用呼吸寫書法」,名副其實的具現「行氣」。

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回憶印象較深刻的研究過程,林宏墩說,有段時期團隊埋首研究騎腳踏車時的動作感測,成員賣力輪流騎腳踏車,先是在實驗室內騎健身腳踏車,再到路面試試顛簸環境下運作如何,「有成員騎到膝蓋都受傷了!」而研發困難點在於,實際應用場域不若實驗室單純,有許多雜亂的訊息干擾,必須不斷調整。

未來,團隊計畫研究非接觸式的血糖感測,並繼續開發更多應用服務。

研究非接觸式感測的量測中心團隊。
研究非接觸式感測的量測中心團隊。

更多資訊請參考解密科技寶藏

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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

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規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

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本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

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