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按摩棒和遙控老鼠－－開發板的應用

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo) ・2015/09/07 ・2471字・閱讀時間約 5 分鐘

本篇文章由聯發科技創意實驗室 (MediaTek Labs) 贊助，泛科學策畫執行。

這是關於遙控按摩棒開發板推動科學進步的故事。

「我想知道使用按摩棒時，怎麼震動才會感到高潮？」；
「我想知道我家的狗半夜聽到了什麼？」；
「我想…」

上述的問題也許不如發射火箭探索太空的偉大，但對許多人來說，這是更貼近生活的科學研究。在過去，分析科學計畫需要許多大型的探測儀、電腦、金錢、文獻，無形的巨牆阻礙了科學的發展，如今，自由下載的文獻、大眾的科學募資和開放原始碼的自由軟體，讓民眾開始有資金和工具進行自己的科學研究。不限於軟體，許多大型機構開始釋出過去自身主導的專案與技術，例如美國電動車Tesla開放自身專利，歡迎「抄襲」；而國內知名企業聯發科技也積極投入拓展開發平台，設立創意實驗室 (MediaTek Labs) ，推出開發板Linkit One，邀請所有人共做；而這些開發板－像是Linkit One、Arduino等，以親民的價格投入硬體市場，讓更多人願意嘗試。

LinkIt_ONE — Linkit、Arduino等開發板讓更多人投入自造者的行列。

Open Source, Open Science－－開源、開放

對於不曾讀過電路學的學生來說，要自行組裝電子用品幾乎是不可能的。但這面硬體的高牆，在十年前開始被打破了，2005年Arduino首次問世，這塊手掌般大的電路板，能讓沒有電機背景的人也能作出很有趣的產品，如：懶人必備－免下床即可用iPhone關燈。

開發板能改變世界的原因就在於其背後的精神－「Open Source」。Arduino採用開放的授權條款。任何人都能生產、改寫和銷售開發板。只要求註明原始Arduino的貢獻，已及新的設計也必須使用創用CC許可。這種Open Source的精神，讓使用開發板的人都樂於創造，並不吝於分享彼此的作品，這也讓許多前所未有、充滿想像力的產品持續產生。

創意+開發板的無限可能－－按摩棒和遙控老鼠

Screen-Shot-2014-11-14-at-9.13.06-AM — 以Arduino為元件的按摩棒－－HUM，使用者可以自行上傳程式碼，微調按摩棒的振動模式。source：indiegogo

欲望帶來了需求，而有需求就會有產品相應而生。今年年初的募資平台上，出現了以Arduino為元件的按摩棒－HUM，內藏的壓力感測器能配合使用者的動作，變換按摩棒的振動模式，以達到讓人最高「性」的效果，不僅如此，使用者還可以自行上傳程式碼，微調按摩棒的振動模式，更加貼近使用者的需求！

開發板的誕生也促進了設備縮小化，代表各式檢測儀器能夠輕量化，更便於攜帶使用。美國紐澤西州立羅格斯大學（Rutgers University）的Srinivas Devarakonda團隊，開發了手持式的一氧化碳檢測器 [1]，不僅能檢測密閉空間裡看不見的有毒氣體分子，該團隊更帶著檢測器走遍了整條紐澤西高速公路，繪製了一張另類的紐澤西空氣汙染地圖。

在南半球的科學家們，也許是受到鋼鐵人能從掌心發射衝擊波的啟發，利用Arduino發明了一組能發射聲波的手套 [2]，南澳大利亞大學（University of South Australia）的Thuong N. Hoang和Bruce H. Thomas製備了能發射超音波的手套，讓穿戴者像蝙蝠一樣，利用手套「看見」眼前的事物。

palm_small — 超音波手套能讓盲人「看見」眼前的事物。source：WCL

而縮小化的控制設備也讓仿生科技和大腦研究有了嶄新的開始。紐約大學理工學院（Polytechnic Institute of New York University）的Vladislav Kopman仿生科技團隊，想研究魚類的游泳姿態，於是研究員們就利用Arduino開發了一隻會游泳的機械魚 [3]，在模仿活魚游泳型態的過程中，科學家持續的修改運動模式，讓機械魚能像活魚般地在水中游泳。在2014年，位於比利時的天主教魯汶大學（KU Leuven），由Hemmings Wu等人主導了一項研究動物大腦的計畫 [4]。研究團隊利用Arduino製作了感測的電極，能夠同時刺激及紀錄大腦的活動，研究團隊甚至能夠控制動物的活動，讓動物聽從指令而動作。

能調查沿海環境的「海洋機械魚」和人人都可成為釀酒大師的「智慧釀酒瓶蓋」，都是台灣學生自行研發的產品 [5]。台大工科海洋系的學生製造出的「海洋機械魚」，其核心是Linkit One，能夠調查海洋的溫度、含氧量和養分濃度，更具備GPS定位功能，能調查全球的海洋系統，不僅是一隻能預報海洋氣候的機械魚，更是一座會游泳的海洋生態實驗室！而交通大學學生開發的「智慧釀酒瓶蓋」則是滿足了每個人釀造私房酒的夢想，瓶蓋內的Linkit One搭配檢測器，能即時地感測酒精濃度等資訊，再回報到釀酒師的手機上，讓使用者不會錯過葡萄酒最芳醇的一刻！

開發板的誕生不只讓龐大的科技縮小，而接上了探測器後所開發出的功能更是千變萬化，超級英雄世界裡的科技似乎真的在實驗室裡一步步地開發完成，也許在不久後，「鋼鐵人」的衝擊波盔甲或「蟻人」操控螞蟻晶片就不再只是想像了呢！

本文特別感謝中華民國開放文化基金會趙柏強（Po-Chiang Chao）協助。

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參考文獻

Srinivas Devarakonda, Parveen Sevusu, Hongzhang Liu, Ruilin Liu, Liviu Iftode, Badri Nath (2013) Real-time Air Quality Monitoring Through Mobile Sensing in Metropolitan Areas. The 2nd ACM SIGKDD International Workshop on Urban Computing. DOI: 10.1145/2505821.2505834
Thuong N. Hoang and Bruce H. Thomas (2012) Distance-Based Modeling and Manipulation Techniques Using Ultrasonic Gloves. Mixed and Augmented Reality (ISMAR), 2012 IEEE International Symposium on. DOI: 10.1109/ISMAR.2012.6402577
Vladislav Kopman, Jeffrey Laut, Giovanni Polverino and Maurizio Porfiri (2013) Closed-loop control of zebrafish response using a bioinspired robotic-fish in a preference test. Journal of The Royal Society Interface. 10(78), DOI: 10.1098/rsif.2012.054
Hemmings Wu, Hartwin Ghekiere, Dorien Beeckmans, Tim Tambuyzer, Kris van Kuyck, Jean-Marie Aerts & Bart Nuttin (2014) Conceptualization and validation of an open-source closed-loop deep brain stimulation system in rat. Scientific Reports 4, article number: 9921 DOI:10.1038/srep09921
2015通訊大賽官方網頁 https://www.mobilehero.com/

地震規模越大，晃得越厲害？

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo) ・2021/09/16 ・3706字・閱讀時間約 7 分鐘

本文由交通部氣象局委託，泛科學企劃執行。

某天，阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊：
阿雲：「欸，你知道最近有個傳言說，花蓮有 7.7 級地震，如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶！」
阿寶：「蛤？那個傳言也太怪了吧，應該是把規模和震度搞混了！」

震度：量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混，實際上，因為規模指的是地震釋放的能量大小，所以當一個地震發生時，它的規模值已經決定了，只是會因為測量或計算的方式不同，會有些許的數字差異，而一般規模計算會到小數點後第一位，故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度，度量表示方式通常都是以「分級」為主，比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階，就是用 12 種不同分級來描述，而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級，原先是從 0 級到 7 級，而自 2020 年起，在 5 級與 6 級又增了強、弱之分，也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級，所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法，就可以區分規模和震度，不被混淆了！

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣？那是因為震度的大小，是受到許多因素的影響。地震發生後，造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量，規模越大的地震，代表的就是地震釋放的能量越大，就像是你把擴音的音量不斷提高時，會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時，確實會因為規模越大、震度越大。

可是，地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減，就像在演唱會的搖滾區時，在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾，但隔了二、三十公尺之外，音量就會變得比較適中，但到了會場外，又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠，地震波的能量都會隨著距離衰減，一般來說震度都會變得比較小。

「所以，只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱，說法就比較合理了嗎？」阿雲說。
「可是，影響震度的因素還有很多，像是我們腳下的岩石性質，也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應：像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得，如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般，照理說等震度圖（地表的震度大小分布圖）上會呈現同心圓分布，但因為地質條件的差異，分布上會稍微不規則一些，只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」，指的就是因為某些特殊的地質條件下，反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件，而且這兩種還常常伴隨在一起出現，像是 1985 年的墨西哥城大地震，便是一個著名的例子。

影片：「場址效應」是什麼？布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前，是個湖泊，湖泊中常有鬆軟的沉積物，而當湖泊乾掉之後，便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0，但震央距離墨西哥城中心有 400 公里，照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減，而地震波傳到盆地外圍時，造成的加速度（PGA）大約只有 35gal，在臺灣大約是 4 級的震度，然而在盆地內的測站，卻觀測到 170gal 的 PGA 值，加速度放大了將近五倍，換算成震度，也可能多了一至二級的程度，也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物，就像是裝在容器裡的布丁一樣，受到搖晃時，會有更加「Q 彈」的晃動！

因此，在臺灣，雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層，但地震風險仍不容小覷，因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市，仍有一定程度的地震風險，也需要小心來自稍遠的地震，除了建築需要有更強靭的抗震能力，強震警報能提供數秒至數十秒的預警，也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間，也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問：「可是啊，為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪，而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢！也太巧合了吧？」
「這並不是巧合，因為震央下方的震源，指的其實是地震發生的起始點，並不是地震能量釋放最大的地方啊！」阿寶繼續解釋著。
「蛤！為什麼啊？」阿雲抓抓頭，一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的，雖然不是每個地震都會造成地表破裂，但目前科學家大多認為，地震的破裂只是藏在地底下，沒有延伸到地表而已，而且從地震的震度，也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時，主要的滑動和地震波傳出的地方，會集中在斷層面上某些特定的「地栓」（Asperity）之上，這些地栓又被認為「錯動集中區」，而通常透過傳統的地震定位求出來的震源，其實只是這些地栓中，最早開始錯動的地方。但實際上，整個斷層錯動最大的地方，往往都不會在那一開始錯動的地方，就像是我們跑步時，跑得最快的瞬間，不會發生在起跑的瞬間，而是在起跑後一小段的過程中，而錯動量最大的區域，才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小，震央幾乎就在最大滑移區的附近，因此也看不太出來，通常規模越大，震源的破裂行為會隨著時間傳遞，此效應才會越明顯。

那麼斷層上的地栓位置能否確認？這仍是科學上的難題，但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區，至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式，得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例，最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近，而是稍微偏西北方的臺南地區，也就是因為從地震資料逆推後，發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震，錯動量大、災害多的地方，也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有地圖的圖片自動產生的描述 — 2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖／中央氣象局

透過更多的分析，現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置，但仍可從各種觀測資料作為基礎，針對目前已知的活動斷層進行模擬，就能做出「地震情境模擬」，並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區，就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度，多一份準備以減低災害

但是，直到目前為止，我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答，只能先評估出斷層未來的活動性中，哪個稍微大一些（機會小的不代表不會發生），或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近，或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是，當地震來臨前，先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險，在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練，目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震，在不恐慌的情況下保持適當警戒，會是對你我都很重要的防震守則！