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都會世界的三項智慧發明

thisbigcity城事
・2011/11/11 ・2544字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

作者:Alex GoldmarkGOOD網站特約編輯)

建築大師蓋瑞(Frank Gehry)曾打造西班牙畢爾包古根漢美術館及迪士尼音樂廳,吸引無數遊客前往朝聖,但建築界下一項重大突破可能並非來自建築師,而是源於化學家,因為未來建築樣貌除了受建築師的靈感影響,也會受到使用材質左右。

科學家正在研發新式複合建材,不僅比過去更強韌、更平價、更環保,也同樣更具智慧,能夠與週遭環境互動、呼應,也能隨之調整,對無論是溫度、光線、壓力、濕度、甚至是污染物,都能產生反應。

這些潛在利益相當驚人,有些所謂的「智慧建材」能維持室內溫度穩定,故不需使用空調,同時降低用電量;其他材質具備修復能力,既能抵抗風吹雨打,亦可延長使用年限;還有些材質會改變四周環境,以下介紹可能改變你我居住空間的科技,如自我修復的橋樑、空氣濾淨塗料等。

清道夫

最簡易的創新科技早已面世,但並非磚瓦本身,而是完工前最後一道塗料,英國Johnstone’s與美國Sto®等數家公司均推出外牆塗料,從蓮花取得靈感,製作出能抗污的材質結構,蓮花葉面粗糙,細胞上都有小小的蠟質結晶,構成微小的氣泡,讓水珠流下時將塵埃一併帶走。新式塗料運用相同原理,故只要一場下雨,即可沖掉牆面任何塵埃,不僅隨時讓建築物煥然一新,還能降低維護費用,同時減少使用清潔劑造成的化學污染。

其他塗料更進一步,還能改善鄰近空氣品質,這項技術非常適合菲律賓首都馬尼拉,當地是全球人口密度最高的城市,因為氧化氮濃度過高,每年導致逾4000名早產兒死亡,2010年間,地方政府世界自然基金會、「全球氣候行動運動」、油漆公司Boysen合作,在一座地鐵站繪製200平方公尺的壁畫。

藝術家以Boysen KNOxOUT油漆為顏料,這項產品使用超細二氧化鈦製成,發揮光觸媒功能,吸收光線後分解空氣中的氧化氮,釋出微量水分、二氧化碳及硝酸鈣,「菲律賓純化學與應用化學研究所」實驗後,認為這幅壁畫每天能分解三萬輛車排放的污染物。後來這幅壁畫面積增加一倍,正對著馬尼拉最繁忙的高速公路,一旁的Marikina河曾於2009年潰堤,大量污水湧入市區,導致近50萬居民無家可歸。

自行修復

保持乾淨是一回事,保持健康是另一回事,建築環境能否和人體骨骼一樣擁有修復能力?

仿生協會」主席Janine Benyus指出,「人骨終其一生都在不斷重塑,以加強抗壓力」,她期望建築結構也能仿效這種特質,不會因長期使用而耗損。

這種想法或許很快就將實現,美國伊利諾大學建築系榮譽教授Carolyn Dry投入結構混凝土創新研究,她表示,「混凝土相當易碎,故一般修復也撐不住」,她研發一種具黏性的修復材質,能夠塞入混凝土脆弱的縫隙中,只要遇上壓力,這種材質就會釋出黏性滲入裂痕,形成新的連結點,這種方式可自動維持結構完整、壓低修理成本、提高建築安全性。

預防勝於治療正是這項發明的優點,目前已在四座一般尺寸橋樑上測試,使用自我修復纖維的橋樑耐久性優於對照組,她指出,「整體結構已改變為柔軟材質,能量分散至各處」,不僅可避免橋樑因龜裂崩塌,因為纖維可減少震動,讓橋樑彈性更佳。

美國政府應該對這項發明格外感興趣,「美國土木工程師學會」指出,未來五年內,該國基礎建設修護所需經費預估達2.2兆美元,雖然這項發明已可量產,但尚無廠商願意製造,她指出,在目前鎖定的美國市場中,營造公司仍傾向使用傳統混凝土,重新舖設路面的頻率較高,但她期望因為美國運輸部打算落實「生命周期預算」(lifecycle budgeting),會讓業界開始改用更耐久的建材。

不過Carolyn Dry發明的自我修復飛機即將有資金挹注,「美國空軍小企業創新研究」計畫支持開發自我修復的玻璃纖維與石墨複合墊片,若能使用較薄、抗壓性較高的材質,即可降低飛機重量與耗油量,她認為未來應用潛力無窮,包括外海管線在海床上承受極大壓力仍無影響,或是船隻能迅速修復裂痕避免沉沒。

威斯康辛大學複合中心主任Pradeep Rohatgi教授也在類似領域努力,但策略不同,他著眼於年產值已達上億美元的「金屬基複合材料」市場,這項產業結合金屬與另一種物質,創造出新產品與效能,他宣稱正在開發一種新型金屬,能夠抵抗爆炸高溫或汽車衝撞力道,希望未來可維持強度,但改善易碎問題。

他也正在研發如泡沫狀的金屬結構,其中充滿所謂的「微型氣泡」,「這些氣室比一般氣泡小,故吸引能量的效能更高,而且非常輕盈」,這些微氣泡會填入另一種物質,例如燃煤電廠所產生的飛灰,這種回收後的粉塵功效與Carolyn Dry設計的黏性物質相同,只要遇到壓力、撞擊或高溫,氣泡就會破裂,釋出粉塵填補裂縫。Pradeep Rohatgi正在尋求量產機會,未來研究經費已獲通用汽車福特汽車贊助。

省電節能

黑色屋頂會吸熱,白色屋頂會阻熱,在氣候變異時難以抉擇,但未來建築師或許已不需擇其一,新式屋頂壁磚能依據戶外溫度改變深淺顏色,麻省理工學院前研究員Robbie Barbero與人共同創立Thermeleon公司,推出屋頂壁磚塗料,能夠改變壁磚屬性,維持建築物溫暖或涼爽,他表示,「屋主不需多花心思」。

塗料內含聚合物,氣溫下降時會溶化在膠質內,露出能吸熱的黑色表面,隨著氣溫提高,聚合物會與膠質分裂,形成白色混合物反射光線,他期望這項產品明年可量產,也表示投資者眾。

屋頂很適合做為省電節能的起點,但對上班族而言,智慧型窗戶或許更為切身,美國與中國多所大學均在研發感熱變色(thermochromic)窗戶,也會隨戶外溫度改變,最常見的做法是運用氧化釩薄膜塗料,氧化釩遇熱會大幅改變透明度與折射率,雖然透明度降低會影響視野,但對於不宜使用百葉窗的環境卻很適合。

建築環境若能取代人類部分思考與管理功能,效果不可小覷,由於氣候改變,預測與因應各種變化情況愈來愈困難,面對突然變遷(如天災),人類的應變能力並不穩當,若能建構可即時反應的建築環境,將可節省無數修復與重建經費,所需科技已然存在,關鍵在於投資者能否及時行動。

本文原載於獨立永續專業團體「未來論壇」雜誌《Green Futures》及 This big city 城市

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thisbigcity城事
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《城事》為永續城市部落格,長期發掘關於建築、設計、文化、科技、運輸、單車的都市創新構想,曾數度獲獎。《城事》網羅世界各地城市生活作者,文章曾發表於Next American City、Planetizen、Sustainable Cities Collective、IBM Smarter Cities等網站。《城事》遍尋全球,在世界奮力邁向永續的時刻,呈現城市帶來的種種機會,力求保持樂觀,但不忘批判。


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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_96
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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》