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行動機器人結合 RFID 無線傳輸,在戶外也能物聯網

PanSci_96
・2016/03/13 ・1757字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

文/李允誠 | 台灣數位文化協會

機器人的發明,為人類帶來了許多便利,甚至能代替人力進行許多工作,像是應用最廣的工業用機器人,可以快速、準確的製造產品,但這類機器人通常是固定底座而無法移動。為了能讓機器人應用於更廣大的層面,可四處行走、甚至飛行的行動機器人誕生了

無人機
無人車或無人機在戶外感測必須突破傳輸距離的限制。(圖片來源:IEEE Spectrum)

機器人仍有距離限制

行動機器人透過自身的遙測系統展現了多種能力,藉由它們身上的攝影機、雷達、超聲波、空載光達(LIDAR)等感測器,行動機器人得以探索或是測量周圍環境。然而有許多的情況仍然需要感測設備「直接」和實體物件接觸,這點其實是非常困難且耗時的。

舉例來說,如果我們想在水資源匱乏的環境種植作物,並且希望請行動機器人偵測土壤中的濕氣程度,好確保不會灑下過度或過少的水量,進行最有效率的種植。但若遇到顛頗地形,行動機器人的適應力可能不如人們的雙腳,於是又必須在土壤中佈放好幾個感測器,先偵測濕氣程度,再佈置無線環境,整套機制跑下來其實成本相當不斐,主因在於,佈置無線環境需要大量電力。

新傳輸技術帶來新轉機

RFID(射頻識別)的出現替這個瓶頸帶來了些轉機,因為 RFID 感測器不但便宜,且不需要電力。arXiv 近日的一篇研究提出把距離的高頻 RFID 接收器和行動機器人結合的解決方案。關鍵在於當訊息從土壤中感測器上的 RFID 標籤、傳輸到行動機器人身上的 RFID 接收器,這其中過程被大幅簡化,再也不必建置昂貴的無線環境與設備。只要機器人到達感測器所在區域,便能接收所在區域的 RFID 標籤,不但省了人力,也省了建置無線環境的成本。

研究人員 Jennifer Wang、Erik Schluntz、Brain Otis 和 Travis Deyle 展示了這些行動機器人的能耐:能夠快速移動且迅速讀取區域內的所有 RFID 標籤。相較人工或傳統機器人感測,透過行動機器人進行 RFID 讀取資訊快得多了。

以下影片為RFID簡介:

成本便宜體積小

RFID 標籤由晶片與天線組成。大多數的 RFID 標籤不需要電力供給,它們會在識別過程中透過 RFID 接收器發出的電磁場獲得能量,把數據從標籤上傳送出去。

在大規模生產的情況下,RFID 標籤一個成本不到 0.1 美元,而且還可以無限期運作。相較於其他以藍芽等無線技術為基礎的方式,RFID 建置成本相對便宜,體積也較小,重要的是能夠長期運作。而一套感測系統大約只需 1 美元而已。

當你手上握有了一大堆的 RFID 感測器,該怎麼讓它們運作?在希望獲取資訊的區域,插入結合 RFID 標籤的感測器,一旦佈置完成,只需將個別感測器的 GPS 座標位置記錄下來就好。若要啟動資料蒐集,只要開啟行動機器人(可能是無人機或是遙控車),並在欲偵測的感測器座標範圍上方盤旋,利用行動機器人身上的 RFID 接收器蒐集資料整個範圍內的資訊就到手了。

除了感測標籤外,行動機器人也能用於佈置 RFID 標籤,如此一來連佈置 RFID 標籤的人力都省了,加上這些標籤也不需要基礎設備支持(電池、Wifi 等),人們可以將這些標籤貼任何需要的地方。

技術有了,但離廣泛使用還有段距離

這項技術雖然突破了其他無線傳輸方式的瓶頸,不過也還有頗多自身困難需要克服。例如 RFID 標籤和接受器的距離無法相距過遠,如此一來, GPS 定位系統就必須更準確。無人車在 GPS 自動導航的情況下,能夠蒐集區域內三分之二的標籤資訊;而無人機的表現則沒有無人車來得優異,也無法在沒有人為操控的情況下自行採集資訊。

研究團隊指出,透過 RFID 技術的進步,充電與感測範圍的問題都是能夠被解決的。事實上, RFID 標籤技術早已被使用於部分國家的高速公路,作為收費的一種方式(如台灣的eTag),在不超過速限十英里的的情況下,每台車都能被準確地偵測到。

City-link-tulla-toll-gantries
許多國內外道路皆取消收費站,改用較為快速的etag。source:wiki

既然無人機與無人車兩種行動機器人都已經能以手動遙控的方式,透過高頻 RFID 接受資料,剩下的問題就只是如何讓整套系統能更實用、提升可行性,以及導航準確度的提升。藉由便宜的晶片、標籤、可擴展性、免基礎設施,這些條件將是物聯網成真的開端。

(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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PanSci_96
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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》