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針織式超級電容器,在智慧衣裡儲存電力

PanSci_96
・2016/03/12 ・1930字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李允誠

Zypad
穿戴式科技席捲了近幾年的科技市場,而其中正在起步的智慧衣,或許會是未來的必備商品。source:wiki

穿戴式裝置正火紅,除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置,你知道還有智慧衣嗎?相較於智慧手錶或手環,智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體,在生理檢測上,能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測,智慧衣就得通電,目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置(像是固體電池等)來供給電力,不但累贅,也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學(Drexel University)近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫,他們找出一種方式,能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中,藉此可儲存能量,進而觸發感測器及電子整合裝置,並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」,其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品,近幾年才開始進入消費者市場,像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置,以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出,智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件,成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止,市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取,並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大,但仍必須使用傳統電池供給電力,從美學或是功能的角度來看,這樣的設計其實都不盡理想。

因此,創造一個高彈性,且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年,來自中國與美國的研究團隊有了一些成果,他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成,且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出,這些以碳為基礎的微型超級電容器,每個纖維擁有最高的體積能量密度(每小時 6.3 微瓦/每立方毫米,相當於一個 4 伏特,每小時 500 微安培的電池)。但是這些產品雖然看似強大,其造價卻相當昂貴,而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除,再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子:活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置,卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外,活性碳安全無毒,甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示,只要使用約 3000 平方公分的面積(相當於襯衫背部中央區塊的大小),便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度,該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術(Natural Fiber Welding,NFW),這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料,嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜,但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下,它們製造出一台專門用於NFW 的機器,能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說:「它們雖然昂貴,卻是非常優異的替代有機溶劑,因為它們不會揮發,甚至可以在水中重建,進而回收」,Durkin 認為,如果NFW技術被規模化,那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素

電力供給效能尚待解決

針織毛毛
在現有技術下,能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多,像智慧手機等行動產品可能都不敷使用,但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。(圖片來源:撰稿團隊)

在現有技術下,能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多,像智慧手機等行動產品可能都不敷使用,但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道,現在市面上有越來越多的電子紡織品,但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力,針對此點,她致力於儲能紡織品的研發,最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置,能夠驅動相關電子產品,像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品,智慧衣則 High-Touch 多了,不但能夠真正「穿」在身上,也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上,模特兒與藝人也能穿著智慧衣,在表演時展現更多炫麗的特效,增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點,相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

(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》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》