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實現魔鬼終結者般的「資訊視覺」

only-perception
・2011/11/24 ・911字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

隨著一款能為配戴者帶來自動資訊更新的隱形眼鏡原型的開發,一連串的即時資訊從你的視野掠過即將成真。

在一項今日發表於 IOP 旗下期刊 Journal of Micromechanics and Microengineering 的研究裡,研究者打造一款電腦化的隱形眼鏡並將它戴在活生生的眼睛上藉此證明其安全性。目前並未發現不良副作用。

此時,這款隱形眼鏡裝置只包含一個像素,不過研究者將此視為製造多像素隱形眼鏡的「概念驗證」,以後只要有數百個像素就能讓簡短的電郵與文字訊息顯示在你眼前。

這款裝置能將電腦產生的視覺資訊疊加在真實世界上,也能用於遊戲裝置與導航系統中。它也能與使用者體內的生物感應器連結以提供最新的血糖或乳酸濃度資訊

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這款隱形眼鏡,由美國華盛頓大學以及芬蘭 Aalto 大學的研究者所創造,由一根天線以及一個積體電路所組成。天線用來收成由外部來源送出的電力,積體電路則用來儲存能量,並將它傳送到一個透明的寶藍色晶片,那包含一個藍色 LED。

一個研究者得要克服的大問題是:「人眼的最小焦距有數公分,無法解析隱形眼鏡上的物體」這個事實。任何投射在透鏡上的資訊看起來都將糊成一團。

為了克服這個問題,研究者將一組 Fresnel 透鏡(譯註名片型放大鏡就是典型的 Fresnel 透鏡)與該裝置整合;這些透鏡比傳統肥厚的透鏡要更薄、更平,被用來使投射在視網膜上的影像聚焦。

在自由空間中測試這款隱形眼鏡後,在嚴格的實驗室動物使用指導方針下,將鏡片裝在兔子的眼睛上,用來評估平常將這款隱形眼鏡穿戴在角膜與身上的效益。除了這些視覺化技術外,某種螢光染料也被加到兔子的眼睛上,以測試是否有任何磨損或灼熱感。

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在證明這款隱形眼鏡的運作及安全性後,研究者表示,要製造全功能、遠端供電、高解析度的顯示器,需要很大的改善。例如,這款裝置在自由空間中能以無線方式,從大約一公尺外的距離提供電力,不過當置於兔眼上,距離只剩約二公分。

本研究的共同作者,Babak Praviz 教授表示,「我們需要改良天線設計與相關的配對網路並最佳化傳輸頻率,以達成無線電力傳輸範圍的全面改善。」「不過,我們下一個目標是要將某些預先設置好文字整合到隱形眼鏡中。」

資料來源:PHYSORG:Terminator-style info-vision takes step towards reality[November 21, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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聰明的隱形眼鏡,替眼睛做健康檢查!
科技大觀園_96
・2021/07/17 ・2205字 ・閱讀時間約 4 分鐘

戴隱形眼鏡可以幹嘛?除了矯正視力,或讓虹膜看起來變大變漂亮,現在隱形眼鏡還能幫你的眼睛做健康檢查!交通大學電機工程系教授邱俊誠的團隊開發出一款智慧型隱形眼鏡,只要戴上,就能檢測眼球溫度、淚液蒸散速率、滲透壓、眼壓等數據,可提供眼科醫生做為診斷依據,協助研判病患是否有輕微或嚴重的乾眼症或青光眼症狀。

眼疾的檢測更準確,治療方法升級

這項研究對於眼睛的檢測帶來很大的突破,因為它可望讓眼疾的檢測變得方便快速,還能讓治療變得更加精準。乾眼症的成因不只一種,可能是淚液分泌不足,也可能是淚液成分中的油脂不足造成淚液蒸散過快,但過往的檢測方法並不能很有效的區分,因此醫生在給藥時,常常只能用自身經驗,做主觀的判斷。但有了智慧型隱形眼鏡協助檢測,能依據醫生的需求提供更精準的科學數據,也就能讓判斷與投藥更加正確。

邱俊誠團隊開發的智慧型隱形眼鏡,配戴起來如同軟式眼鏡一般舒適,將來有望為眼疾檢測帶來重大突破。圖/邱俊誠提供

而針對青光眼的患者,醫生也可以使用智慧型隱形眼鏡的數據,找出容易眼壓高的時間點,針對這些時間點給予藥物治療。邱俊誠進一步解釋:「這些檢測數據是珍貴的大數據資料,等到累積夠多數據,醫生或藥物開發商就可以分析出更準確的藥物配方。」因此這項研究成果一公布,立刻引起了各界關注。

另一個引起大家注意的重要原因,在於這是第一個可以戴得舒服的智慧型隱形眼鏡。目前全世界大部分的智慧型隱形眼鏡研發,都是以硬式鏡片做為基礎,但邱俊誠說:「我們一開始就是從『可配戴』的角度當出發點,因此是以現有的軟式隱形眼鏡材料矽水膠去做設計。」他們將可測量溫度、濕度、壓力等各種特性的感測器、處理晶片,以及傳輸資料用的天線等元件,就像三明治的內餡一樣夾在鏡片的夾層裡,因此配戴時的感覺,就和普通的隱形眼鏡一樣。

研究團隊把各種感測器、晶片、天線等元件夾在鏡片裡面。圖/邱俊誠提供

一度產生懷疑……真的做得出來嗎?

從 2011 年開始研發,到 2019 年宣布成功,這條路走了八、九年,邱俊誠表示:「其實並不是沒想過放棄,因為中間有太多困難,讓我一度沮喪,覺得看不到答案。」 

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要做出這款智慧型隱形眼鏡,其中一個困難點在於元件的整合,儘管感測器都已經設計得非常精巧,靈敏度也夠高,但要整合在小小的曲面鏡片裡,還要能有效運作,有許多細節需要考量。邱俊誠舉例說,這些元件的檢測及訊號傳遞,需要從外界以無線電方式提供能量,能量過低無法啟動元件,能量過高可能造成鏡片溫度上升,因此光是能量的傳遞就花了許多時間研究。

另外,「隱形眼鏡是要戴在人眼上運作的,一旦牽涉到人,就會增加許多變異。」邱俊誠以裝在鏡片內的天線舉例,天線的設計必須將人戴上隱形眼鏡後的實際狀況納入考量,因為人眼會帶著隱形眼鏡移動,要如何讓天線的傳輸沒有死角,不因隱形眼鏡轉了一個角度就無法傳輸,讓團隊花費了不少心力。

幸好,邱俊誠的團隊裡有許多優秀的學生,不斷嘗試各種可能,堅持不放棄,邱俊誠說:「最後終於成功的那一刻,真的是五味雜陳。」

智慧型隱形眼鏡還有更多潛力與可能

目前,這款可以檢測眼睛的智慧型隱形眼鏡已經通過動物實驗,在相容性、毒性、敏感性、刺激性的測試都通過考驗,邱俊誠說:「接下來會進入人體實驗,希望在四、五年內讓產品上市。」換句話說,不久的將來,我們到醫院檢查眼睛,或許不再需要點散瞳、打麻醉、把試紙插入眼睛,而是戴上隱形眼鏡,坐等數據自動傳輸到醫師電腦就好。

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而邱俊誠對這款智慧型隱形眼鏡,也希望繼續做更好的調整與設計。目前的鏡片裡沒有電池,能量由外界傳輸提供,因此在檢測時,除了戴隱形眼鏡外,還得戴一個如同一般眼鏡般的裝置來搭配提供能量。邱俊誠說:「我們正在研究如何把電池也整合在隱形眼鏡裡,這樣一來檢測會更方便,看起來也更簡單美觀。」

透過類似一般眼鏡的裝置,為智慧型隱形眼鏡提供能量。圖/邱俊誠提供

在未來,邱俊誠還希望讓智慧型隱形眼鏡有更多功能,舉例來說,如果有一副隱形眼鏡,戴上就能自動調校視力,不論近視幾度,它都會自動改變曲率、厚度,來符合你的度數,這有多好!邱俊誠表示,這種鏡片的困難度在於內部必須要有動力來源才能改變並維持隱形眼鏡的形狀。「雖然困難,但我們已經著手在研究了。」

更甚者,未來在 5G 網路的發展下,智慧型隱形眼鏡可望做到擴增實境(AR),透過隱形眼鏡,可以將世界各角落的即時美景盡收眼底,也能隨時與親朋好友「視訊」,而且就彷彿對方直接在你眼前般真實。相信不久後,我們就能親身體驗到智慧型隱形眼鏡對我們的生活及這個世界帶來的巨大改變。

智慧型隱形眼鏡的未來應用。圖/fatcat11 繪

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 位粉絲
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。

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隱形眼鏡不只是矯正近視,還可以即時監測血糖濃度
活躍星系核_96
・2019/06/10 ・1924字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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  • 高翊賢、冷明翰、童筱妍、蘇琬婷、葉曜華

隨著血糖浮動的心情,靠它終於可以舒緩了

號外!號外!大家照過來喔~這款超酷的智慧型隱形眼鏡,不僅輕、薄、短、小,結合了時下最新科技,對於糖尿病患者來說,更是個福音。

憑什麼這樣說呢?就憑它能即時並無痛的監測淚液中的葡萄糖濃度,讓人們不需要時時刻刻擔心在進食或是運動時,可能造成的血糖劇變。糖尿病患者也不用再為了測血糖而挨針受罪了。這款能夠偵測淚液裡葡萄糖濃度的隱眼,除了使用非侵入性的方式外,也不再需要透過鏡片和笨重的儀器連結才能測得數據,可說是方便了不少。

南韓科學家創新設計,突破舊有智慧隱眼的困境

其實利用隱形眼鏡作為偵測器並非新想法。在 2014 年一月,Google便宣布要研發「Google Contact Lens」,希望能透過淚液監測葡萄糖濃度。但最大的問題在於,融合了電子元件的智慧隱眼,其不透明、硬度高的元件不僅會影響視野,隱眼也容易變形而損壞。

為了解決這個問題,來自南韓蔚山國家科學技術學院(UNIST)及成均館大學的研究團隊,提出了新型智慧隱眼的構想,並於今年一月發表在《Science Advances》期刊中。此隱眼(如下圖A)整合葡萄糖偵測器、LED顯示像素以及無線電力傳輸系統,利用LED視覺化即時的血糖濃度,便不需要額外的裝置了!

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圖A  隱形眼鏡結構示意圖。天線:接收交流訊號;整流器:將交流訊號轉換為直流;葡萄糖偵測器:偵測淚液中葡萄糖濃度;LED顯示像素:即時顯示淚液中葡萄糖濃度。圖/ Park et al, 2018

利用混合結構與折射率的配合,避免傷害並提供更清晰的視野

針對電子元件容易損壞的問題,研究團隊改良了部分隱眼的結構:

將電子元件置於加固基板(reinforced islands),天線及電路則置於彈性層(elastic substrate)中。加固基板鑲嵌入彈性層,形成混合結構(hybrid substrate)。(如下圖B)

當隱形眼鏡形變時,彈性層會吸收受力,將電子元件保護在加固基板中,便解決了元件容易損壞的問題,也增加了隱眼的壽命及穩定性。

圖B  混合結構:隱形眼鏡被拉伸時,彈性層也隨之擴大,但加固基板仍維持原狀,保護其中的電子元件不受影響。圖/ Park et al, 2018

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其中,加固基板是由光感化合物聚合(photo-patternable polymer)所形成;彈性層則選用軟式隱眼的常規材料──矽膠彈性體。研究團隊最大化彈性層的面積,以提供更高的透氧性,避免智慧隱眼對使用者的傷害。

針對視野的清晰度的改善,研究團隊從兩方面著手:

第一,利用銀奈米纖維製作天線及電路。這種材料相當透明,不會遮蔽使用者視野,同時具有出色的延展性,可以降低使用者眼睛的異物感。

第二,研究團隊使用折射率相仿的加固基板與彈性層製作隱眼,避免因折射率差異造成的光線散射,藉此降低霧度,讓視野更清晰。(如下圖C)

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圖C  將折射率差異不同的混合結構置於相機前拍攝照片。左為折射率差異低的影像,視野清晰;右為折射率差異高的影像,視野模糊。(點圖放大)圖/ Park et al, 2018

隱眼中的偵測器:即時提醒血糖濃度異常

要了解葡萄糖偵測器,先來看看反應式:

Glucose + O2 → H2O2 + Gluconolactone

偵測器中的氧化酶,可以氧化淚液中的葡萄糖。產生的過氧化氫再被分解,生成的氧、質子與電子會影響偵測到的電阻,藉此監控葡萄糖濃度。為了避免偵測器因過氧化氫累積而變得不敏感,研究團隊更將過氧化氫酶置於偵測器中,即時分解過氧化氫,讓偵測器的靈敏度可以維持,不出現延遲的狀況。

因此只要眼睛正常分泌淚水,眨眼時便能將淚液收集於隱眼中,利用非侵入性的方式持續偵測淚液中的代謝物。而此團隊設計的隱眼,在正常情況下,綠色的 LED 顯示器會一直亮著;但若葡萄糖濃度超過閾值,則會關閉 LED 顯示,提醒使用者血糖濃度異常。

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圖D  淚液中葡萄糖濃度高於閾值時,LED顯示像素關閉。圖/ Park et al, 2018

此外,這款隱眼可透過無線的操作穩定其溫度,不會突然加熱傷害使用者的雙眼,以確保穿戴者眼睛的安全。此團隊的研究中,也有使用活兔進行活體測試,證明其無明顯的不良影響。

儘管淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度的關係還有待更近一步的研究,但這款智慧隱眼,仍為醫學臨床領域與物理新科技的結合譜出了新的樂章,希望能夠無線、持續、非侵入性地監測生理狀況,同時可用以偵測有關眼睛或是其他疾病的生物標誌物,也提供了應用在其他領域的可能性,像是擴增實境(AR),或是透過鏡片來投藥,避免使用者可能忘記吃藥的麻煩。

參考文獻

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia