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未來能自行改寫電路的電腦?新奈米材料在多維度中「引導」電流

only-perception
・2011/10/18 ・1008字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

西北大學的科學家開發出一種新奈米材料,那能「引導(steer)」電流。這項開發能導致一種基於改變需求,可輕易重新配置其內部接線(wiring)並變成完全不同裝置的電腦。

當電子裝置被造的愈來愈小時,建構電路的材料開始失去它們的特性並開始受到量子力學現象的控制。達到這種物理障礙時,許多科學家開始將電路建立在多重維度中,例如將元件堆疊到另一個之上。

西北大學團隊採用一種在根本上完全不同的方式。他們製造出可重新配置的電材料:在不同時刻,這些材料能自我重新排列(rearrange)以符合不同運算需求。

“我們的新引導技術讓我們能引導電流流經一段連續材料,” Bartosz A. Grzybowski 表示,他領導此研究。”如同使河川改道,電子流能被導向多個方向,流過一堆這種材料 — 甚至在同一時間可有多道電子流以相反方向流動。”

Grzybowski 為 McCormick 工程與應用科學學院的化學與生物工程教授,以及 Weinberg 藝術與科學學院的化學教授。

這種西北大學材料結合基於矽與基於聚合物之電子零件的不同面向,創造出一種新的電子材料:基於奈米粒子的電子零件。

這項研究,在其中作者報告以這種混合材料製造出基本的電子元件,10/16 將發表在 Nature Nanotechnology 期刊線上版。這項研究也將成為該期刊印刷版的封面故事。

“除了成為現存技術之間的三維橋樑外,這種新材料可逆的(reversible)本質,能使電腦在一特定時刻為了所需要的東西,重導(redirect)與改寫(adapt)它自己的電路,” David A. Walker 表示,該研究作者之一,以及 Grzybowski 研究小組的畢業生。

想像有個單一裝置,能根據來自一部電腦的訊號,將自己重新配置成一個電阻、一個整流器、一個二極體以及一個電晶體。利用不同的電脈衝輸入順序這種多維電路能被重新配置成新的電子迴路。

這種混合材料是由電導粒子(electrically conductive particles)所組成,每個粒子寬 5 奈米,塗布一種特殊的、帶正電的化學物質。這種奈米粒子被帶負電的「原子海」所圍繞,那平衡固定在粒子上的正電荷。藉由在整個材料施加一電荷,這些微小、帶負電的原子能被移動與重新配置,不過相對較大的、帶正電的奈米粒子則無法移動。

藉由移動環繞材料四周的、帶負電的原子海,低電導與高電導的區域就能夠被調變(modulated);結果是創造出一條有方向性的路徑(directed path),那允許電子流過此材料。藉由推與拉帶負電的原子海,老路徑可以被清除,新路徑可以被創造。使用多種類型的奈米粒子,就能創造出更複雜的電子元件,例如二極體以及電晶體。

資料來源:PHYSORG:Could a computer one day rewire itself? New nanomaterial ‘steers’ current in multiple dimensions[October 16, 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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》