科技報導

活體生物的「奈米外套」

活體生物的「奈米外套」
國立臺灣大學生命科學系助教范姜文榮/長庚大學生物醫學系周成功教授責任編輯

編譯來源:Japan Science and Technology Agency

果蠅的幼蟲在電子光束照射下的高解析掃描式電子顯微鏡進行活體觀察,發現會自己形成「奈米外套」來自我保護。(圖片來源:維基百科)

生物為了生存於變化多樣的環境,發展出各式各樣的生理機能與結構,例如蓮葉的高撥水性、蝴蝶翅膀的色澤、鯊魚表面的低摩擦力等都廣為所知。模仿生物的微細構造而開發新材料是仿生技術的熱門研究之一。

生物表面的微細構造需要透過電子顯微鏡進行觀察,但必須要處於電子束易於穿透的高度真空狀態,且有必要將生物材料置於真空管內。只是若將體重有約80%水分的生物置於高度真空狀態,生物會因水分蒸發而造成體積收縮,以致其表面微細結構變形。故為了觀察近似活體生物的微細結構,需要將生物材料進行化學固定、乾燥處理或表面包覆處理,因此以往透過電子顯微鏡觀察的都是已死亡的生物體。

棒球專題:序言-棒球科學的奧妙

俗諺云:「內行看門道,外行看熱鬧。」不管是到現場看球還是透過電視觀看球賽轉播,在這股熱潮下,看熱鬧之餘,也要懂得看門道。球賽中選手的運動行為,皆是值得加以關注及研究的重點。以投手來說,當球投出時便可知道其球移動大略的方向與軌跡;從打者反應來看,一方面除了判斷投手所投之球路,一方面其打擊動作及姿勢,也是能否擊中球、或球遭擊中後走向為何的關鍵。其實這些與科學現象息息相關,同時是一門關乎運動選手養成之運動科學。 此一棒球專題的推出,秉持著「看門道」的精神,由投手投球的球體行進過程剖析,再觀察打者擊球瞬間的作用力,乃至於球棒材質的構造研究與選擇,最後敘述數據化分析投打動作及球路之間關聯性的模組,凡關乎棒球運動的物理學、數據統計科學等皆概括於此,希望能引領更多人深入棒球的奧妙之中。

棒球專題(一):變化球是怎麼投出來的?

棒球在各種運動競賽中,一直是相當受到注目,同時營造出巨額商機的運動。棒球運動中最讓人情緒高昂的部分,除了球員的美技外,絕大部分的目光都聚集在投手與打者間的對決。為了解決打者,投手會投出各種不同行進軌跡的變化球來取得優勢,這也成為棒球空氣動力學興起的淵源。 在討論與棒球有關的空氣動力學理論時,一定都會談論到下列兩個理論:白努利理論(Bernoulli's principle)與邊界層理論(Boundary Layer theory)。而本文將著重在介紹邊界層理論的內容與應用。 邊界層理論的內容是探討當流體流經物體時,會因為表面摩擦力而造成速度的下降,較原速度下降的範圍,稱為「邊界層」。而依照邊界層理論,當氣流壓力變大,會因為壓力之落差而產生逆流。當逆流足以將氣流推離邊界層時,便稱為「邊界層分離」。邊界層分離會產生不穩定的氣流,稱為「尾流」。棒球的空氣動力學需要考慮另一項重要的關鍵,就是球體上的縫線,因此衍生出大家熟知的2縫線與4縫線球。球體上的縫線會導致邊界層分離點的前移或後退,影響球體所受的升降力、側向力與阻力,球體的軌跡也因此改變。

棒球專題(二):擊球瞬間

在許多使用球拍的球類運動中,我們常常會注意到球拍的施力與球的行進軌跡及速度的關聯性。近年的物理學研究中,也有許多不同的論文研究指出擊球的過程中,真正影響球行進方向與作用力大小的變數為何。 擊球的瞬間所產生的物理現象大概包含了:球接觸到球棒瞬間的變形、球接觸到球棒所產生的橫波、這股橫波會藉由球棒的軸心傳導至球棒的握把、透過握把,擊球員的手所作的反應、這股作用力透過握把再度傳導回球棒。上述過程何者對擊球的效果影響最大,頗令人好奇。

棒球專題(三):該怎麼選擇球棒呢?

我們經常會看到棒球的動漫卡通中,在打者擊球瞬間,會出現球體接觸到球棒而變形的畫面。事實上,在球棒與球接觸的瞬間,球會因為速度過快而變得較為扁平,並包覆棒頭擊球點,之後藉由對球棒的推力反彈。在這個過程中,會產生所謂的「彈簧床效應」(trampoline effect)。 彈簧床效應運用在棒球物理上,是指球與球棒接觸的瞬間,會因為摩擦力而將球的動能轉為熱能,造成能量的流失,而球棒的材質如果較硬,球的變形程度會提升,接觸面積增加導致摩擦力提升,能量也相對流失較多;相對地,當球棒材質較有彈性,變形程度則降低,能量流失較少。因此,從物理學的角度來看,現今的球棒研究試圖改善鋁棒,加入強度較高的合金,讓球棒變得更細卻不削減其功能,就是要提升彈簧床效應。而在棒球運動中,也有不少案例顯示球員試圖在木棒中填塞軟木塞,也是同樣的道理。

棒球專題(四):棒球轉播中的球路分析

在看棒球比賽時,我們常常可以看到投手所投出的球路分析、進壘點和球速測量等數據與軌跡圖。這些分析都是靠著一套由美國運動觀(Sportvision)公司所研發與維護的系統─投球測定器(PITCHf/x)完成。 投球測定器是一套架設在球場,包含3架60赫茲相機的系統。它會記錄球從投手丘到本壘板間的軌跡與速度,因此提供投手的最快球速與球路的分析,它同時也可以計算馬格納斯力對球的影響數據。

可溶你體的新發明

可溶你體的新發明
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯張涵茜/國立臺北科技大學分子系暨有機高分所許益瑞副教授責任編輯

編譯來源:BBC健康新聞 2012/9/27

奈米膜溶解的速度是靠蠶絲來調控。蠶絲再次成形的結構會決定最後這個電子儀器溶解時間的長短。(圖片來源:flickr用戶mynameisharsha)

美國科學家發明出「可溶你體」的超輕薄電子儀器,根據科學期刊(Science)刊登的研究指出,這樣的電子儀器可以在達成任務之後自行溶解,而這項新科技也已經用來消滅傷口上的細菌,希望未來可以利用在醫療技術上。

這項發明是以絲質外膜包覆矽和氧化鎂所組成,可以算是「瞬態電子」(transient electronics)的延伸。發明團隊在發明這項電子儀器之前,已經研發出「電子刺青」(electronic tattoos),是一種可以隨著身體延展和彎折的傳感器。他們說這項發明跟以往的發明大相逕庭,過去對電子儀器的發明都朝持久耐用發展,而他們的發明則是要電子儀器消失不見。

為夢而吃:健康睡眠與飲食有關

為夢而吃:健康睡眠與飲食有關
國立中山大學生物科學系學士林怡文

編譯來源:賓州大學醫學院新聞

研究顯示,多樣化飲食者有更健康的睡眠

俗話說「人如其食」,吃什麽決定你成為什麽樣的人。但你知道嗎,吃什麼也決定你睡得好不好。

睡眠,就像營養攝取與運動,是維持健康的要素。隨著肥胖人口增加,睡眠研究者已著手探索體重增加與睡眠的關係。2013年1月,美國賓州大學醫學院發表於《食慾》(Appetite)期刊的內容,第一次指出,特定營養素可能扮演決定睡眠時間長短的關鍵角色,並且多樣化飲食者有更健康的睡眠。

儘管我們經驗上認知,睡眠和飲食有關,卻很少有科學家去探究兩者之間的關係,特別是從實際生活來研究。一般來說,我們知道那些每晚睡7到8小時的人,更可能擁有好的健康和生活品質,所以我們簡單的問一個問題「睡眠時間長、睡眠時間短和睡眠時間標準的人之間,是否有不同的飲食攝取?」

生產胰島素的分子機器

生產胰島素的分子機器
國立交通大學電子工程學系學士陳祈叡/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群教授責任編輯

編譯來源:BBC News

糖尿病是一種因體內胰島素絕對或者相對不足所導致的一系列臨床綜合症,因此有些患者需要注射胰島素(圖片來源:flicker用戶Mel B.)

現代醫學發達,糖尿病患者所需要的胰島素原本是從豬身上取得的,現今可以用細菌來代為生產胰島素。但是英國曼徹斯特大學的科學家們已經研發出一種微小的分子機器,它能模擬人體細胞內核醣體(ribosome)製造蛋白質的方式,未來或許能更快速的生產胰島素。

這個分子機器的大小大概只有數百萬分之一毫米,形狀像一個戒指,它來回穿梭在長桿狀的分子上,當這個機器沿著長桿移動時會選擇化學物質,並把他們結合在一起形成1條長鏈聚合物,這個動作很像核醣體製造蛋白質的過程,而最終目的是要合成新藥或是新型塑膠。

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