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【極光片語】地球角落的物聯網

雷漢欣
・2016/01/12 ・4637字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

只要觀察現在全世界最值錢的企業——Apple、Google、Facebook、阿里巴巴等,就可以發現這企業有個重要的共通點,就是網路。無論提供的服務是O2OM2M、行動電商還是雲端,所仰賴的基礎建設都是「物聯網(Internet of Thing, IoT)」,有了物聯網的平台,企業才能收集、處理資料並且形成獨特的商業模式。另一個有趣的例子是異軍突起的Netflix,「Netflix取代了百視達,但不只讓大家在網路上租影片看,它真正開風氣之先且因此賺錢的,是做出『看這部影片的人也看這些影片』這項服務。現在看主動推薦相關產品的功能已經司空見慣,但當初Netflix實現這個想法時發現,他們有75%的生意是來自這個新功能!」李世光老師覺得厲害。

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接受專訪侃侃而談的李世光老師。攝影:林梳雲

新能源加通訊,尬出工業革命

「大家都在找新的應用和商業模式,像是小米跟江蕙演唱會成功的飢餓行銷,IoT就是其中重要的平台。」物聯網不僅是人類所使用工具的進步,《物聯網革命》這本書甚至大膽預測,物聯網將會造成下一次的工業革命,因為我們回頭分析人類歷史,可以發現每一次工業革命都是能源與通訊科技創新的結果,而物聯網也有這樣的特性。

第一次工業革命是因為瓦特(James Watt)改良了蒸汽機,由煤炭為動力所驅動的現代蒸汽機取代了水力/風力,大大提升了棉花等產業的生產力,蒸汽印刷機和蒸汽火車增加資訊產生的速度和傳播的距離,也成為一個全新的通訊/能源組合,由於業務高度倚重印刷跟鐵道,所以當時新的商業模式一定出現在運輸、資訊、能源的中心地段,「其實鐵道就是平台,報紙加速生產就像是網路頻寬增加,這個角度的想法還真有意思!」

從19世紀末期開始,電話和石油驅動的能源成為全新的通訊/能源組合,提供第二次工業革命的通用巨型平台。電話讓通訊更加便利,家家戶戶裝有電話後,通訊的節點從火車站變成家庭;石油與電這兩種能源的生產需要很耗費高昂成本,此時的新興交通工具——汽車及相關的公路建設也需要巨大的資源,這樣的特性都進一步造就更強大的中央集權化經營模式。

過去數十年間,網際網路迅速改變了資訊產生與流通的方法,科學家也積極地開發新型能源和再生能源,由於社群網路的成型、雲端運算的快速發展、數位技術的演進(如3D列印)以及對巨量資料的重視與需求增加,因而興起了最新的通訊/能源組合式基礎架構(如物聯網),在這個架構下,資訊及能源不再以中央集權的方式生產,反而將以「智慧」為概念,經由共享、橫向網路整合推動新的經濟體系。

位於東非的坦噶尼喀湖,劇烈的日夜溫差產生頻繁的翻騰作用,加大湖泊的生產力而形成豐富的漁場。來源:維基百科

台灣湖泊中的物聯網,超科學的~

台灣是座科技島,也是擁有高度生物多樣性的美麗島,雖然有豐富的生態卻缺乏天然能源,偏重軟體的物聯網等科技產業最適合台灣發展。但是今天我們不談物聯網相關產業如何在台灣起飛,而是回顧物聯網以前如何幫助科學家發現台灣高山湖泊新陳代謝的秘密!湖泊代謝,也就是湖泊中光合作用和呼吸作用過程中物質、能量、養分間的動態平衡關係,會受到「翻騰作用」的影響,李老師強調:「如果這樣的結構不夠完整,美麗的湖泊就會變成臭水溝。」

典型溫帶湖泊發生的翻騰效應主要受到季節影響,春季時湖泊在湖面風的吹拂下,上層含氧高的水會往下流,底層富含營養物的水也會翻到上層。但到了夏天,上層的水受到太陽加熱升溫而滯留在表層,整個湖水因溫度和密度而分層無法垂直流動;秋天氣溫下降後,上層水升溫而下沉,形成垂直的水流而產生秋季翻騰作用;冬季時湖面結冰,冰層抵禦了風的作用,湖水是一片平靜。湖泊翻騰時補充了底層水的含氧量,同時也為上層水注入新的營養鹽,因此通常湖泊在翻騰後會有較高的初級生產力。位於熱帶的高海拔湖泊有劇烈的日夜溫差,每天至少可以加熱、分層一次,例如東非的坦噶尼喀湖(Lake Tanganyika),在如此頻繁的翻騰作用下成為非常豐富的漁場。

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典型溫帶湖泊在春季和秋季會產生翻騰作用,交換上層水的氧氣和下層水的營養鹽。來源:維基百科

那麼台灣的湖泊呢?「台灣有很大的海拔範圍,我們不完全處於熱帶,但我們的漂亮程度跟多元程度卻跟熱帶有得比,為什麼呢?這個不正常~」李老師笑著說。為了瞭解台灣高山湖泊的生態系代謝過程及影響機制,林業試驗所的前所長金恆鑣博士與研究團隊以保存良好的鴛鴦湖為研究對象。在國科會(現在的科技部)的支持下,他們將裝有感應子的浮筒放在湖面上,每十分鐘測量並記錄湖面上風速、風向、水中溶氧量及不同深度水溫等數據隨著日夜和氣候變換的改變,李老師說:

「這些就是IoT的原型,所有的數據都是持續的測量並且以無線傳輸到計算中心,因為他們不可能在湖邊以人力24小時監測。」

經過一年多的研究,結果顯示鴛鴦湖的淨生產力在初夏及仲秋最高,在颱風季節則有顯著下降,因為颱風豪雨會對湖泊造成強烈的沖洗作用,湖泊中的菌相和營養鹽更新而暫時降低淨生產力,但是颱風的降雨同時也擾動了原本分層無法翻騰的夏季湖水,反而使生態系接著活潑了起來。

「他們的結論是:颱風是台灣中小湖泊生態系重要的動力來源。」

溫帶湖泊有季節性的變化,熱帶湖泊因每日翻騰作用有很高的生產力,「而研究發現鴛鴦湖的動力來源除了這兩項以外,還有『颱風』這個額外的因子。這個重要的生態研究,是在台灣早期IoT輔助下才能做到的。」李老師說。

小林村紀念公園 來源:維基百科
小林村紀念公園,建於小林村遺址附近,為了紀念莫拉克風災被土石淹沒的462位小林村居民。 來源:維基百科

如果我們為地球穿上各種感應子……

台灣科學家在鴛鴦湖的研究中說明了物聯網對地球的重要性,在另一個悲傷的事件中,科學家則是期望物聯網能避免遺憾發生。2009年莫拉克颱風在台灣南部造成極大的災情,其中最嚴重的災情在高雄市山區的小林村,小林村東北角的獻肚山因颱風帶來的大量降雨而崩塌,滾滾黃沙瞬間淹沒小林村,造成數百人死亡。

「其實過去的研究認為小林村西北角的山頭是比較危險,所以大型的通訊設備恐怕因此建設在東北角,」但八八風災時東北角的獻肚山反而是災難的中心。如果能在環境中安裝各種感應子,以物聯網長期佈局監控降水量、河流流速、雨水滲進地層的情況、山的深層結構等等,或許可以協助科學家計算土石流發生的機率,藉由種種徵兆預測事件的發展,避免憾事重演。「當我們加入物聯網、智慧化的思維,就會看到各式各樣、全面性的樣貌,這是跟以前完全不一樣的事情。」李老師說。

人手一顆感應子總共消耗幾座核電廠的能量?

早在1980年代,柏克萊大學提出「Sanddust(砂粒)」的概念,以微機電作出小型感應子,這麼一來可以降低感應子的價錢,就能在地球上廣布感應子,得到過去無法獲取的知識。IBM也曾經提出過「智慧地球」這個類似的計畫。但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。

「假設我們要丟出一百億個感應子,而一個感應子耗電率為1毫瓦(mW),全部加起來就要0.1吉瓦(GW),核四電廠一個反應爐的發電功率是1.35吉瓦,光是一百億顆的耗電就要十分之一個核電反應爐,一百億個感應子很多嗎?每個人身上裝一個就超過這數量的一半了。」

李老師概估感應子的能源消耗,奠基今日雲端思潮的資料中心(Data Center)所需要使用的能源,就已消耗全球6%的能源,而物聯網更加蓬勃的時代勢必會產生極大量的資訊,未來雲端儲存空間還會消耗更多能源。降低能源消耗是物聯網發展的重要環節,因為要在資訊跟能源這兩個工業革命的對應元素同時進步之下,才能催化成物聯網革命。

美軍很久以前就開始設法解決行動裝置的能源問題。通訊科技在軍事的重要性可想而知,戰士們身上大概要準備6~8顆鋰電池,才能確保衛星電話、紅外線夜視鏡、通訊、防護等等配備在沙場上能隨時使用。為了維持這種行動裝置的能量來源,許多科學家探討各種人體動能擷取技術(human motion energy harvesting technology),將發電器放在耳朵、膝蓋、腳底,將溫度、震動、壓力、化學能等等轉換成電能,甚至還曾經考慮利用身體裡的血糖產生電能。

「energy harvesting (能量擷取)是個很大的領域,可以讓感應子不需要一直換電池,像是鴛鴦湖中的感應子就很需要這樣的研究,它不管是閒置、感測、傳輸,都需要用電,在野外不可能以人力更換電池或充電,所以很多人研究從風力、震動等等來源取得能量。」李老師說。

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但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。來源:維基百科

應用科學是基礎科學的聚焦

物聯網對產業、商業和科學研究帶來的好處已經有目共睹,在物聯網持續改變我們生活的未來,能量擷取是其中很大的結構,需要科學家持續研究,才能不斷的突破科技極限,「那麼,到底應用研究重要還是基礎研究重要?」李老師提出一個大哉問。其實應用或基礎導向的科學研究不應該有價值高低之分,「比較好的說法應該是中經院的陳信宏所長所說:應用研究是大平台,讓各種創新知識彙整、聚焦在這個平台上,而在這個過程中,跨領域的結構也更容易出現。」

以物聯網為例,作為一個科技的應用平台,它需要各種技術聚焦於此,像是感應子開發、高效的能源擷取、訊號傳輸、智慧的節能城市發展、通訊協定的需求……等,其中能源擷取也是一個各種科技的大聚焦平台,從震動擷取能量需要機械和機電子專業的聚焦,利用太陽能發電需要電子、光電專業的聚焦,用無線傳輸取電則需要傳輸技術和電力系統人才聚焦,這些都是基礎研究一路聚焦到產業端的例子,越接近產業端就收縮成更專注的主題。

物聯網現在已經對產業、科學研究帶來許多好處,未來的應用更無可限量,科學家一步步突破技術上的障礙,讓感應子如沙粒般撒在地球各個角落,我們就可以得到更多知識、更了解這顆星球,進一步理出人類、所有物種與地球間,更適合的共存共榮之道。

【下回預告】素番茄的科普難題

利用物聯網研究台灣湖泊生態系的利用物聯網研究台灣湖泊生態系的金恆鑣博士,他的哥哥,作家金恆煒,曾在一篇探討基改食品的文章中寫道:「老闆,來杯『素』的純番茄汁!」,雖然這是文章中虛構的素食者點餐台詞,但還是相當令人好奇:番茄難道不是素的嗎?1990年代曾有生技公司嘗試在番茄中加入魚的抗凍基因來研發耐寒番茄品系,「這個番茄是葷的還是素的呢?大部份人會覺得:『有動物基因,嗯,是葷的。』但對我們學科學的人來說,番茄當然還是素的,因為基因並沒有動植物的差別。」李老師說,「差別在科普。我常以這個例子來說明,看似複雜而令人害怕的東西,其實只要從原理來看就能理解。」

轉入動物源基因的植物究竟素不素?每個人有著不同科學知識含量及對問題的認知,因而會有不同的解讀和答案,若補充大家的背景知識是否就能消弭認知差異?科學普及能如何改變人們思考和判斷呢?關於李世光老師這幾十年來推廣科學教育的精采故事,都在下一回的「極光片語」!

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。


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雷漢欣
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PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。


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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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