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來自鼻子的電力?工程師利用人類呼吸發電

only-perception
・2011/10/06 ・648字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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Wang

按一個鈕就能點燃你瓦斯烤肉爐的相同壓電(piezoelectric)效應,或許有朝一日能透過你鼻子內的呼吸(respiration,呼吸作用),供電給你體內的感應器。

寫在九月號的 Energy and Environmental Science 期刊中,材料科學與工程助教授 Xudong Wang(音譯:王旭東)、博士後研究 Chengliang Sun 以及畢業生 Jian Shi(音譯:石真) ,發表他們創造出一種塑膠微型帶( microbelt),在低速氣流(例如人類的呼吸)通過時會振動。

某些材料-例如 Wang 的團隊所用的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF),在回應施加其上的機械壓力時會累積電荷。這稱為壓電效應。研究者改造 PVDF 以便自呼吸產生足夠的電能使小型電子裝置運作。

「基本上,我們是從生物系統收成機械能。一般人類呼吸的氣流低於約每秒二公尺,」Wang 說。「我們算出,如果我們使這種材料的厚度夠薄,那麼小型振動就能夠產生微瓦特的電力,那對於感應器或其他植入臉部的裝置來說也許已經夠用。」

研究者利用奈米技術中的進展以及微型化電子學,開發出許多生醫裝置,那能為糖尿病患者監測血糖,或使心跳節律器的電池維持充飽電的狀態,故不需要更換電池。只需要微乎其微的電力供應就能夠使這些微型裝置運作。來自血流、運動、熱或此例中的呼吸的廢能,提供連續不斷的電力來源。

Wang 的團隊使用一種離子蝕刻製程使材料變薄,同時保留其壓電特性。有了這些改進,他相信厚度能被控制在次微米的程度。因為 PVDF 具生物相容性,所以他認為這項技術代表「開發一種具實用價值的微米級『呼吸發電』裝置」有顯著的進展。

資料來源:PHYSORG:Electricity from the nose: Engineers make power from human respiration[October 4, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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什麼是龐貝氏症?為什麼全身肌肉都被破壞?
careonline_96
・2021/11/09 ・2488字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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肌肉疼痛、走路變慢、越來越喘,破壞全身肌肉的龐貝氏症,醫師圖文詳解

「醫師,我先生很會打呼,不過最近他的打呼聲都會中斷,停頓好幾秒才又開始呼吸。」陳女士仔細描述先生睡覺的狀況,「早上起床的時候,他都會抱怨頭痛,而且很容易打瞌睡。」

「還有其他不舒服嗎?」醫師問。

「他的體力也有變差,走路、爬樓梯都比較慢,經常肌肉痠痛,偶而還會跌倒。」陳女士說,「有醫師覺得不對勁,請我們進一步檢查。」

肌肉疼痛、體力變差、睡眠呼吸中止等症狀看似無關,但是可能源自同樣的問題,林口長庚紀念醫院神經內科醫師黃錦章教授表示,「龐貝氏症」是一種遺傳性代謝疾病,會讓全身肌肉細胞遭到破壞,而越來越沒有力氣。如果沒有及時接受治療,患者將漸漸無力呼吸,越來越喘,最後會需要長期使用呼吸器維生。

什麼是龐貝氏症?

龐貝氏症(Pompe Disease)是種代謝性疾病,又稱為及肝醣儲積症第二型或酸性麥芽糖酵素缺乏症,屬自體隱性遺傳疾病。由於第 17 對染色體上的 GAA 基因有缺陷,使患者體內缺乏 GAA 酵素,而無法分解肝醣。在台灣,新生兒的發生率大概 5 萬分之一,晚發型龐貝氏症的發生率約為 2 萬分之 1。

「我們的身體會將肝醣儲存在肌肉細胞裡,等到有需要的時候,細胞裡的溶小體會將肝醣分解為葡萄糖。」黃錦章教授解釋,「缺乏 GAA 酵素時,肝醣會大量堆積在溶小體內,而漸漸對肌肉細胞造成傷害,使患者肌肉越來越無力,逐漸進展到心臟無力、呼吸衰竭。」

什麼是龐貝氏症?

龐貝氏症有兩種類型

龐貝氏症可分成嬰兒型與晚發型,嬰兒型龐貝氏症在出生幾個月便會出現症狀,病程進展較快,黃錦章教授解釋,常見表現包括肌肉無力、心臟肥大、肝臟肥大、舌頭肥大、呼吸困難等,多數患童會在一至兩年內死亡。

晚發型龐貝氏症,是超過兩歲以上才發病,從兒童到老年都可能發病,病程進展較慢,黃錦章教授說,通常是從軀幹、下肢開始出現肌肉疼痛和肌肉無力,活動時比較疲倦,然後有吞嚥困難、呼吸較喘,部分患者有睡眠障礙。

晚發型龐貝氏症的診斷比較困難,從發病到確定診斷大概六至十二年,黃錦章教授說,因為龐貝氏症較罕見,肌肉無力的患者不容易及時確診,而出現永久性傷害。根據研究,越晚被診斷、越晚使用藥物處理,就有更嚴重的永久性傷害,患者可能會需要長期仰賴呼吸器維生。

龐貝氏症有兩種類型

遇到哪些狀況要想到龐貝氏症呢?

「例如不明肌肉痠痛、行動走路較無力、常常跌倒、走路的模式改變、沒有辦法爬樓梯,或是脊椎側彎等。」黃錦章教授提醒,「龐貝氏症患者常有呼吸中止症,睡覺的時候打呼聲會中斷,過一陣子才又繼續。呼吸中止症會造成患者缺氧,可能在起床的時候感到頭痛,因為睡眠品質很差,白天容易嗜睡、精神不繼。患者的腸胃道肌肉也受到影響,可能造成進食、吞嚥困難。」

「我們也可以請患者做六分鐘行走測試,看看他能夠在六分鐘內走多遠。」黃錦章教授說,「並透過病史詢問,能夠了解症狀發生的時間有多久。」

懷疑龐貝氏症時,可以抽血檢查。黃錦章教授說,現在已有快速簡便的診斷方法,透過抽血滴在濾紙片上檢查,評估 GAA 酵素的狀況。如果發現異常,便會進一步做基因方面的檢查,以確定是否為龐貝氏症。

龐貝氏症怎麼辦?

確診為龐貝氏症怎麼辦?

肌肉遭到破壞後,肌耐力會變差,且可能出現攣縮,除定期酵素介入外,復健科醫師、物理治療師、職能治療師也會根據病況設計合適的運動處方,幫助維持肌力、心肺功能,必要時也可以使用各種輔具。

由於龐貝氏症患者的咀嚼、吞嚥、消化功能都會受到影響,務必留意營養補充,每天要攝取足夠的蛋白質、卡路里、維生素,以免因為營養不良而越來越虛弱。

當呼吸肌失能時,可以使用呼吸器來輔助,「龐貝氏症就跟高血壓、糖尿病一樣,需要長期治療控制。」黃錦章教授強調,「早期診斷、早期介入,非常關鍵。從這幾年的經驗看起來,目前的臨床處置能夠延緩惡化的時間,維持身體機能,讓患者擁有相對正常的生活」。

龐貝氏症越晚治療,就有更嚴重的永久性傷害,患者可能會需要長期仰賴呼吸器維生。 圖/Pixabay

貼心小提醒

晚發型龐貝氏症的初期症狀較不明顯,大家要提高警覺,黃錦章教授說,當脊椎肌肉受影響時,患者的頭會下垂;當下肢肌肉受影響時,患者可能在蹲馬桶後,站不太起來;當軀幹肌肉受影響時,患者就不太能做仰臥起坐,需要先側身,用手臂的力量把身體撐起來。

如果有觀察到這方面的問題時,可以至神經內科就診,黃錦章教授說,可能導致肌肉無力的原因很多,需要仔細地鑑別診斷,才能及早發現、及早治療!

以上衛教資訊由台灣賽諾菲協助提供MAT-TW-2101461-1.0-10/2021

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想學鬼滅之刃的呼吸法?科學建議是「認真先不要」——《奇怪的生物知識增加了》
聚光文創_96
・2021/10/10 ・1385字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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科學的真相永遠只有一個

回到文章的開頭,在日本動漫《鬼滅之刃》中,為了對抗不會疲勞、傷口還會自動癒合的鬼,人類依照自身體質,發展出「全集中呼吸法」,一種「藉由肺部擴張,讓更多的空氣進入血液,加速血液流動與心臟跳動,使體溫上升,從而提升身體強度」的作戰技巧。

不管你相不相信(或者已經開始嘗試),科學的年代,還是先以科學的角度,檢視一下動漫裡的這番解釋吧!

圖/《奇怪的生物知識增加了》

全集中呼吸?不如來瓶純氧吧!

我們都知道,人類血液中的紅血球,含有能夠攜帶氧氣的血紅素;除了少部分的氧氣溶於血漿,多數細胞需要的氧氣,都仰賴著紅血球的供給。也就是說,如果想增加血液中的含氧量,要嘛是增加紅血球的攜氧量,不然就是增加血漿裡的氧氣量。

正常而言,人體動脈的血氧濃度,大約是百分之九十五到百分之百;在紅血球攜氧量已經封頂的情況下,炭治郎吸入再多的空氣(或者氧氣),也無法提升身體能力。

我們只好換個方式,從血漿裡的氧氣量(也就是血漿的氧氣分壓)下手。在一般大氣壓力之下,血漿裡的氧氣含量很低;所以,炭治郎必須吸入高濃度的氧氣(例如戴上氧氣面罩,或是給予高壓氧氣治療),才能增加血漿裡的氧氣量。

順道一提,在冬天經常可以看到一氧化碳中毒相關的新聞報導,有些人可能只是在浴室洗個澡,便頭暈、嘔吐甚至昏不醒。

這可能是因為熱水器燃燒不完全,產生大量的一氧化碳。要知道,一氧化碳與血紅素的麻吉程度可是遠遠高過氧氣(其結合力約為氧氣的二百到二百五十倍之多!)

要是碰巧遇到天冷門窗緊閉,或是熱水器安裝位置通風不良,導致空氣不流通,當大量的一氧化碳與血紅素相遇,取代氧氣與血紅素結合,便會造成人體動脈的血氧濃度大幅降低。

由於大腦和心臟是最需要氧氣的器官,一旦缺氧,就可能有頭痛、頭暈等症狀產生,身體也會變得無力、疲倦想睡覺;這一睡,甚至可能從此再也醒不過來。

過度換氣可能會沒有呼吸

在故事中,為了讓實力更接近「柱」,炭治郎曾經修習過進階版的「全集中・常中」,也就是「持續進行全集中呼吸,讓基礎體力得到飛躍性提升」的修練方式。

值得注意的是,加快呼氣與吐氣的頻率,可能會導致人體排出過多的二氧化碳,造成血液中二氧化碳的濃度快速降低,甚至因此出現胸悶、心悸、頭暈等症狀,稱為「呼吸性鹼中毒」(Respiratory Alkalosis)。

總而言之,不管炭治郎再怎麼擴張肺部,血液中的含氧量都是固定的,而且有可能因為過度換氣,造成「呼吸性鹼中毒」。這樣一來,還沒滅鬼,就先被鬼給滅啦!

症狀 1:頭暈、頭痛

症狀 2:呼吸急促

症狀 3:胸悶、心悸

症狀 4:手腳發麻

過度換氣症候群 (圖/《奇怪的生物知識增加了》)

—— 本文摘自《奇怪的生物知識增加了》,2021 年 10 月,聚光文創

聚光文創_96
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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。