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「頭殼壞去」真的沒救了?讓微型電子網格進入體內修復大腦

PanSci_96
・2016/03/12 ・1520字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李瑋倫

微型電子網格能夠如何助神經科學一臂之力?「不同於以往嵌入到體內的一般晶片,機械生物(Cyborg-type)型態的裝置, 將在不久的將來實現。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。根據目前植入到實驗鼠大腦中的結果顯示,微型電子網格未來可能可以替人操控義肢、義眼、甚至是協助修復大腦損傷、幫助受損組織的細胞再生。

先縮小,再還原

腦細胞
腦細胞會游近並附著在微型電子網格之上。(圖片來源:Lieber Research Group/Harvard University)

聽來驚悚,微型電子網格究竟要怎麼進到一顆腦子裡呢?其實只要打針就可以了。實驗團隊從矽奈米線(silicon nanowires)中製造出場效電晶體(field-effect transistors),發現當這些微型電晶體被放置在液體中的時候,會「蜷縮」起來變得更微小。

於是他們將場效電晶體放進食鹽水、並用針筒將食鹽水注射到實驗鼠的大腦中。在注射完成的一個小時後,場效電晶體就會延展、恢復為原本的形狀。「這個手法其實在生物和藥學的領域很常被用到。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。

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其實 2012 年時,李柏的團隊就打造了可被神經、心臟以及肌肉組織依附生長的矽奈米線支架(silicon nanowire scaffolds),藉此測試這些細胞會如何對外來刺激做出反應。這次新研發出來的微型電子網格同樣是由矽所製成,但外觀更加扁平、形狀更近似於平行四邊形,這些特性都讓它更容易在浸泡至食鹽水時可以蜷縮至小於針頭的直徑。

覺得「遇水則縮」聽起來沒什麼了不起的嗎?那麼來看看這些微型電子網格原本有多大吧-大約為 3 到 4 公分寬,是針頭直徑的 33 倍大

微型電子網格如何和體內組織好好相處?

想當然耳,「能伸能屈」對於微型電子網格是種非常重要的能力,微型電子網格必須具有彈性,才能和腦部組織互相接合。唯有電子網格能夠保持足夠的柔軟,才能確保它不會傷及體內組織、減少副作用、避免免疫反應發生。
奈米電子學的目標是要能夠擔任細胞外基質的角色去「抱住」細胞們。在李柏的團隊和實驗鼠的努力之下,發現微型電子網格可以和腦細胞良好的結合,甚至可以幫助修補中風或脊髓受損造成的損傷。「這幾乎是達成一種『人工突觸』的程度了。」李柏表示。

看看過往瓶頸,想想未來展望

微型電子網格可扮演感測器的角色,測量藥物如何幫助心臟更加順利跳動。在這種情況下,這類型裝置的最大挑戰都在於促成電子和細胞之間的通訊。以目前的醫療科技發展,醫生其實已可運用電極裝置,去測量大腦或肌肉發出的訊號來嘗試控制義肢,但使用電極裝置的副作用也不少。以為了深度刺激帕金森氏症患者腦部的微型電極裝置為例,疤痕會引起絕緣問題,一旦如此醫生就必須不斷調整電極的位置並重新發出電波訊號,而導致患者的不適。

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目前實驗團隊仍在測試微型電子網格能否維持到 3~6 個月的穩定度。而這項技術若要真正被實踐在人體上,恐怕還需要數年的時間。李柏對於未來的技術發展充滿期待,例如幹細胞是否能隨同網格一同注射、或是直接改變網格表面的化學物質讓他們和特定細胞互相結合、或是建造更複雜、但也更高能力的網格。

糖尿病
或許某一天,糖尿病患者將不再經由血液來判斷他們的胰島素狀況。source:pixabay

「如果微型電子網格的能力越高,我們就能對它的應用有越多想像,例如在不用針頭插入的狀況下,就可以藉由植入奈米裝置來監測糖尿病患的胰島素狀況,或是,使用感測器來持續追蹤心臟病風險群病人的血小板生成。」李柏說。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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讓身障者重掌生活,念動機械手臂新突破
PanSci_96
・2016/03/14 ・1519字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/喻守謙 | 台灣數位文化協會

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正在練習使用機械手臂的艾瑞克(圖片來源:撰稿團隊取自 Cortesía Excélsior)

艾瑞克索圖(Erik Sorto)是一名癱瘓十年的身障者,但他同時也是類似患者們的新希望。2013 年艾瑞克不顧家人反對,毅然報名接受了一場腦部手術。現在的艾瑞克有如科幻小說中的角色,只要他想像抓取東西的樣子,安裝的機械手臂就會執行他的命令。

過去雖然也有少數身障者透過腦機介面(brain-computer interface,簡稱 BCI) 操控機械,但這些受試者的植入體,所接受的信號多來自連結脊椎與肌肉的前運動皮質區,只能被動記錄訊號。而艾瑞克是第一位在後頂葉皮質層內(產生肢體運動意念的區域)植入晶片,讓機械主動理解使用者意圖的人。

加州理工學院的神經科學教授、也是這次實驗的首席研究員理查安德森(Richard Andersen)解釋,從使用者的意圖出發,不僅較符合人性,也能讓機械手臂作用的速度更快,艾瑞克所做的是讓機械手臂理解他的最終目標,而不是操控所有運動細節。舉例來說,當我們伸出手臂拿起一杯水時,你不會去思考每一個關節或肌肉該如何伸展、或拆解每個動作,你只想著要拿到那杯水而已。

透過數據累積,讓手臂知道你想做甚麼

在研究初期,研究人員先透過核磁共振技術,觀察當艾瑞克產生抓取等動作等意念時,頂葉皮層內兩個最活躍的區域。在此之後便植入 2 個微電極陣列,裡面各自包含 96 個電極,能夠記錄單一神經元的活動。此外,在艾瑞克的頭骨上有兩個金屬基座,能夠接收電極收到的信號,並連接機械手臂。

術後一個月,艾瑞克就開始了與團隊的合作。在第一個實驗中,工作人員先做出某些手勢,讓艾瑞克在腦中想像、模仿做出這些動作的感覺,並藉由不同的動作,觀察哪些神經元會對特定動作有反應。長期研究下來,團隊能夠不斷校準神經元與動作間的關係,針對位置、移動軌跡及特定運動等類別歸納出一套演算法。此外,安德森表示,即使系統沒有接收到完整的信號,也能透過演算法與過去的數據,自動補足需要的信號,這也會讓使用者操作起來更便利,減少失誤的次數。

頂葉皮質會是最佳解答嗎?

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大腦構造圖。source:wiki

過去腦機介面(BCI)的開發,多根基於美國布朗大學腦科學研究所主任約翰多諾霍(John Donoghue)對運動皮質的前瞻研究。­多諾霍認為這次的實驗確實證明了頂葉皮質可以提供較有用的信號,但現階段他無法肯定頂葉皮質就是念動控制最好的選擇,因為目前的實驗成果雖好、但還不夠好,團隊尚未得知如何得到更精準的控制手段。

實驗的首席研究員安德森也曾提議結合來自運動皮質與頂葉皮質的兩種訊號,透過交叉判斷讓機械手臂的判讀更清晰,然而多諾霍則表示,結合不一定會帶來增值效果。他提到,當我們試圖用手拿起杯子時,會用到多達 80% 的大腦,上述兩種皮質只占了一部分,且傳遞出的訊號其實相當類似,因此不排除其他部分的大腦有可能蘊藏了更關鍵的數據。

依然努力著的艾瑞克

在學界熱烈討論的同時,艾瑞克仍舊繼續著他與機械手臂間的實驗。在這兩年中,他的熱情絲毫未減,並致力提升操控的精準度,他練習玩了 6700 多次的剪刀石頭布,因為這些對常人而言簡單的動作,都是重要的突破。雖然過程辛苦,但艾瑞克終於在今年實踐了他長久以來的目標:透過機械手臂拿起啤酒,並暢快的痛飲一番。未來,他還想嘗試刷牙、刮鬍子等更精細的動作。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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進入身體的迷你醫用機器人
PanSci_96
・2016/03/13 ・1780字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/喻守謙 | 台灣數位文化協會

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中,劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小,乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠,許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐,但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日,雖然我們還無法將人縮小,但在醫療領域,小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想,而是正在實踐的理想。

機器人
讓微型機械進入體內治療。(圖片來源:Photo-Illustration: Dan Saelinger; Prop: Swell)

終極目標:實用醫療

過去十年,已經陸續出現各種研究成果,例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室,有些則已經進入動物實驗,科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務,醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然,夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下,科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性,以免傷及組織,並設計一套在任務完成後,安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力?

關於續航力的問題,微型化不利於傳統的化學電池技術,因為一旦物體小於一毫米,電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」,透過無線電波獲取電力,從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰,因為機器人需要有能夠接收電波的天線,且天線不能太小,同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠,避免收不到信號。

此外,也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極,當芯片遇到胃酸變形時,電極便會結合並透過化學作用獲取5~10分鐘的短暫電力。在這期間,裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制,工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力,才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭,經由特定反應對象獲取能量,例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術,例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下,也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯(David Gracias)與其同事,已經開發出一種星型的微型鉗,能對環境因素產生反應,例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內,當偵測溫度靠近人的體溫時,微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當,微型鉗便能採集周遭的組織,進行篩檢。微型鉗的應用,可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示,患者可以透過「服用」大量的微型鉗,讓裝置直接抵達腸道,增加篩檢取樣的面積。與之相對,醫生也能從直腸直接注入微型鉗,稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官,到達的門檻較低,且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織,前往正確位置的難度就高上許多,需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜(Bradley Nelson)正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示,即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人,都難以抗衡血液中強大的電流,因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散,但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度,進一步減低藥物的劑量,以減少副作用。

目前採用的解決方案,是在裝置外圍添加磁性材料,並透過核磁共振機器,引導裝置到達目的地,此舉已在動物實驗獲得成功,但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制,也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式,希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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