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蚊子剋星:「雷射炮」問世!

南宮簫笛哥
・2016/02/07 ・2301字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

星際大戰等科幻電影中,雷射炮常拿來摧毀許多在飛行中的東西。這幾年來,你可能也看過一些科學新聞,報導用雷射殺死蚊子。也許你會有疑惑,殺蚊子需要這麼高科技嗎?有種用高價的大砲打小鳥的感覺!然而,2015 年 3 月,美國一家做 LED 的公司 Lighting Science 加入執行這個計劃的 Intellectual Ventures,要生產殺蚊的雷射產品。

Source: Intellectual Ventures

利用雷射殺蚊子的想法,源自於天文物理學家 Lowell Wood,但真正研究這個想法的可行性,主要在 2008 年由蓋茲基金會贊助才開始,泛科學曾報導蓋茲基金會贊助的計劃。殺蚊計劃,目的是想消除瘧疾,而蚊子正是瘧疾的傳播者,雖然化學方法像殺蟲劑可以便宜又大量殺蚊,但是對環境破壞的問題,及蚊子的抗藥性問題一一浮現。

而 2008 年對蓋茲基金會提出的計劃中,目標是利用藍光 DVD 裡面的雷射加上一般消費性相機的感光器(CCD 或 CMOS),利用物理方法滅蚊,乾淨又環保,而成本可能可以控制在兩千元新台幣左右,希望能幫助非洲地區對抗瘧疾。

在討論這個產品之前,我們先來了解這個科技的原理。Intellectual Ventures 稱這個計劃的關鍵技術為「Photonic fence」(光子網),目標是要將光子網內的母蚊殲滅(因為只有母的蚊子會吸血),是不是很像先要在雷達網上找到敵機,然後才能鎖定目標,用飛彈把敵機打下來?這個產品利用紅外線 LED 照亮約 25 到 100 公尺以內的範圍內,並在範圍內的邊界放置反光板並利用紅外線攝影機監視這個反光板。一旦有昆蟲進入這個光網,部分光會被昆蟲擋掉,因此會在背後的反光板上留下剪影,而紅外線攝影機可根據量測到的剪影初步判斷是什麼昆蟲。

由於人眼看不到紅外線,這個光網對人類的眼睛來說是「隱形」的,不會特別吸引小孩子或昆蟲進入光網。

光子網示意圖,外圍紅光網防止蚊子侵入。Source: Wazaonline.com

接下來的關鍵技術,可要結合資訊科技及昆蟲知識了。首先是類似車牌或人臉辨識技術,電腦軟體必需根據影像大小、形狀等初步判定是不是蚊子。系統會射出另一道不會殺死蚊子的紅外線雷射,持續打在飛行中的目標物上,就像狙擊手的槍會先用紅紅的雷射點瞄準目標。打在蚊子上的紅外線雷射,除了持續追蹤蚊子,還能進一步提供資訊,像是蚊子大小、翅膀拍打的頻率及飛行速度,用來判定是公蚊子或母蚊子。母蚊子比較大,翅膀拍打的頻率也比較低,一旦系統軟體判定是母蚊子,就會啟動另一道致命的雷射光,把母蚊子轟下來!

由於雷射光點通常不到 1 公分,蚊子也很小,在 30 公尺遠距的情況下,需有 1 公分以內的發射精準度。蚊子翅膀被燒掉,自然就會掉下來。但根據研究,雷射功率不需要高到完全燒掉蚊子的翅膀,只要能破壞蚊子飛行能力即可打下蚊子。關於蚊子被雷射打下來的過程,可以參考由 Intellectual Ventures 提供的高速影片:

一般來說,光子能量愈高,愈容易被生物體吸收,(所以藍紫光比較容易讓眼睛產生黃斑部病變), 因此把蚊子翅膀燒掉所需的雷射功率愈低。彩虹中的紅橙黃綠藍靛紫中,光子能量高的紫光需要比較少功率,而紅光甚至紅外光需要較高的功率才能把蚊子打下來。另外,低功率雷射也可以藉由照更久的時間來將蚊子翅膀燒掉。目前 Lighting Science 及 Intellectual Ventures 所用的產品是波長 532 奈米的綠光雷射,功率有 3 瓦情況下(其實比毫瓦級的光碟機雷射功率高很多,也比較貴),一秒可殺死 50 到 100 隻母蚊子。根據他們研究,如果用波長 1 微米的紅外光雷射來殺蚊子,大概需要 12 瓦左右。

用紅外光雷射殺蚊的好處是,人眼看不到殺蚊時所散射出的的雷射光,可殺蚊於無形。(這樣就沒有知道蚊子被轟下來的視覺效果了!)該公司表示,目前還沒有計劃生產成本千元左右的產品提供一般民眾使用。筆者估計,他們目前推出的機器,成本應該是以萬在計算的。

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Source: gigacircle

Intellectual Ventures 表示:「這個系統的目的,並不是要殺大量的蚊子,而是在一定的區域內形成沒有蚊子的保護網,而現在我們有能力去達成」。想像一下,什麼區域需要保護網呢?醫院是一個例子。醫院裡可能有帶有瘧疾或登革熱的病人,因此就需要沒有蚊子的保護網,避免健康的人被蚊子叮咬,阻止疾病繼續散播。不過,也是有人對這個系統不樂觀。避免蚊蟲叮咬,是不是可以用蚊帳就好?在非洲瘧疾嚴重的區域,電力系統不穩,如何操作這樣的雷射系統?但該公司表示,產品將會利用太陽能電池儲電,提供系統所需電力。

你是否會期待這樣的系統變成消費性電子產品,也就是售價約幾千元,但可以讓你附近變成沒有蚊子的保護網?目前這個產品的最佳範圍操作在 25 公尺到 100 公尺,蚊子太遠打不到,蚊子太近又飛的快時,雷射追蹤反應不及,鎖定不住。不過,科技不都是先從有再求好嗎?這個系統,從 2008 年到 2015 年花了 7 年時間從實驗室走到產業,也許十年後,人人都能在「死星雷射炮」所形成的光網保護下,避免蚊蟲叮咬也說不定!

最後,我們來看一下這個計劃的領導人Nathan Myhrvold 在2010年時,在TED上演示的系統吧~

  • 可以至原影片頁面打開中文字幕。

P.S. 曾有朋友跟筆者說,發明電蚊拍的人,應該得諾貝爾獎的。

延伸閱讀:

  1. Homepage of Intellectual Ventures Laboratory
  2. IEEE Spectrum – Laser Bug Zapper Inches To Market
  3. IEEE Spectrum -Backyard Star Wars
  4. Wikipedia – Mosquito Laser
  5. TED – Nathan Myhrvold:Could this laser zap malaria?

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文章難易度
南宮簫笛哥
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任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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