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水下的魔法隱形斗篷!

Scimage
・2011/11/08 ・499字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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最近幾年常常有隱形斗篷的科學報導,這類的物質利用特殊的材料空間結構讓光從這類物質的周圍通,所以等效上就是隱形。但是這類的物質常常只能在特殊的波段或是在很小的尺度上被實現,實際生活中可以蓋起來就隱形的材料還不存在。

不過,其實自然界早就有類似的效應存在,也就是所謂的海市蜃樓。因為溫度所造成的空氣折射率差異讓光以曲線的方式進行,本來該被看到的東西看不到,而是看到遠方的幻影。同樣的原理現在也在大尺度的材料上實現了,利用奈米碳管纖維做成整片布狀的結構,放入水中後加以通電,因為奈管是導電的,所以會因通電而發熱,而碳管本身的疏水性質也讓碳管布跟水的熱傳效率不好, 所以在碳管布的周圍的液體產生了很大的溫度梯度。這些溫度梯度會改變周圍液體的折射率,所以如同海市蜃樓一樣,會讓經過的光發生偏折。

這樣的材料只要挑好合適的照射角度,當溫度梯度一產生,把光被偏折後,原本在布上可以被看到的圖案就像隱形一樣消失了,實現了巨觀尺度上隱形的效果。雖然原理與構造都比超材料的原簡單的多,概念卻是一樣的。這樣的技術或許可以發展出新的隱形科技或控制光的應用!

原發表於 科學影像 scimage

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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌
Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎
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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪
PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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PanSci_96
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不過,其實自然界早就有類似的效應存在,也就是所謂的海市蜃樓。因為溫度所造成的空氣折射率差異讓光以曲線的方式進行,本來該被看到的東西看不到,而是看到遠方的幻影。同樣的原理現在也在大尺度的材料上實現了,利用奈米碳管纖維做成整片布狀的結構,放入水中後加以通電,因為奈管是導電的,所以會因通電而發熱,而碳管本身的疏水性質也讓碳管布跟水的熱傳效率不好, 所以在碳管布的周圍的液體產生了很大的溫度梯度。這些溫度梯度會改變周圍液體的折射率,所以如同海市蜃樓一樣,會讓經過的光發生偏折。

這樣的材料只要挑好合適的照射角度,當溫度梯度一產生,把光被偏折後,原本在布上可以被看到的圖案就像隱形一樣消失了,實現了巨觀尺度上隱形的效果。雖然原理與構造都比超材料的原簡單的多,概念卻是一樣的。這樣的技術或許可以發展出新的隱形科技或控制光的應用!

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不只能「透視海底」還可判釋水稻田!淺談福衛五號的影像多元應用
科技大觀園_96
・2021/08/23 ・2533字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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福衛五號幫助研究人員算出海底地形、找出稻田分布。圖/fatcat11 繪

「透視」海底,用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁,測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示,在訓練資料品質佳的情況下,以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當,可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納,或飛機搭載光達的方式量測水深,這兩種方式皆須現地量測,精度高,但成本也高,且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體,成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深,仍需收集訓練資料(例如地形的現地量測資訊)當作「教材」,讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ,同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了!」東沙環礁有精密的光達測深資料,還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是,輸入衛星影像各波段數值(主要為透水較佳的綠光波段)及其對應的實際水深訓練網路,網路模式訓練完成之後,輸入目標區域的衛星影像數值,就能推算出每個像素對應的水深資訊。

福衛五號衛星於 2018 年 3 月 2 日所攝得東沙環礁影像。圖/國家太空中心提供

為了衡量福五影像的表現,團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深,比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺,雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺,但相差不遠。

黃智遠解釋,相較於房屋、橋梁等地物地貌,水下自然地形的局部變化通常較小,所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上,使用福五或超高解析度衛星的差異不大,福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難,不過,透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體,資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差,萃取出目標物的數值地形模型,再以此當作訓練資料,進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作,在東海南海的許多島礁進行水深反演,已累積起一套決策樹,考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等,可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

東沙環礁水底地形。圖/研究團隊提供

雙衛星搭檔,提高水稻田判釋精度!

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目,農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作,以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田,正確性達 92%,大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型,研究團隊選定雲林做為研究區域,試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像,搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料,並試驗了三種方法:僅使用福五(光學)影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示,整合兩者的效果最好,判釋正確性最高可達到 92%,高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲!」雲會遮擋目標、影響判釋,而農作物判釋的取像時機又相當關鍵,取像時有雲就沒輒了;合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波,可穿透雲層,不受雲覆與日照影響,可補強不同時期影像,取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

本研究的突破在於,只用了單一分類器全自動判別的條件下,偵測精度大幅提升,更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮,「可能因為福五當時在 11 月取像,剛好是水稻結穗時,影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積,可以進一步推估產量嗎?「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤,有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成,此類研究在平遂的情況下可大致估產,尚難達成精確估產。

福衛五號的自然彩色影像,綠色標記為水稻;黃色標記為非水稻。圖/研究團隊提供

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍,判釋全國水稻田面積,由於各地農民栽種時序、田間管理多變,如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰;若要擴展到判釋其他作物,則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例,判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難,果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片,也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨;檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片,雖可參考栽種密度與高度,但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別;蔥、蒜皆屬旱作,需要空間解析度優於 60 公分的影像,搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵,有機會判釋成功,「但要是田裡混作個青江菜,就分不出來了。」

梅樹是另個成功案例,它在 12 月下旬會落葉,隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究,標定幾個時間取像,「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的(開花)、四月又出現綠葉,那就很可能是梅樹!」但李子與梅樹的影像呈現類似,生長期也相近,要是沒在生長期重疊前順利取像,就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜,掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。