向生物學習設計跟解決方案! Janine Benyus shares nature's designs

不管是自然界的生物或是人類所面臨的都是同一個物理世界, 所以許多人類面對的技術跟設計問題自然界的生物早已處理過並找出了好方法. 比較自然生物跟人類處理跟製造物品最大的不同是人類幾乎都是利用破壞環境跟產生多數廢物的方式製造少數有用的東西, 就像是電子產品的生產總是伴隨著有毒物的排放.而生物的解決方案總是幾乎沒有廢棄物考且不會破壞週遭的環境, 因為這樣才能確保自身種族的生存. 以這觀點來看, 人類的科技比起大自然的方案還處在很初階的階段. 講者以貝殼生長控制為例, 說明簡單的蛋白質釋放控制就可以調節貝殼結晶的成長跟終止, 說明大自然早就處理了很多工程物理問題. 生物科學的在未來不僅是了解生物做了什麼, 還要能從中找出邏輯利用生物的解決方案來引導人類找到更合理更跟環境相容的工程設計技術. 裡面列舉了12個最有可能改變目前技術的仿生技術,分別是:自主裝,CO2固定作用與光能利用, 生物力學外型設計, 光子晶體與自潔表面, 水氣凝聚, 礦物分離, 綠色化學, 可控制分解結構, 乾燥與修復保存, 感知與反應, 生產且肥沃土地, 環境友善技術等. 對每種技術都提出可能的應用的構想,期許一個新的仿生物方案的新工程典範.


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超快速機器手臂! Robots That Imitate Human Wrist

機器手臂不僅在各種生產組裝工廠, 食品工廠需要, 現在的生醫藥物的篩選實驗也越來越依賴機器手臂, 越快速的機器手臂越能快速完成更多工作或是藥物測試. 但是目前的設計都是利用把伺服把馬達裝載在活動的關節處扮演旋轉運動的腳色, 對這樣的設計要增加馬達力量速度的同時也會讓整隻機器手臂變重而有速度上的限制. 這影片介紹另一種機器手臂的設計, 類似人的手腕由很多韌帶拉動一樣, 這種設計把馬達移到手臂的上方, 用機械連桿來活動下方的手臂. 這樣一來手臂的活動部份可以大幅的減輕重量, 所以可以更快速的完成移動. 這種設計的另一個好處是多個自由度同時在機器手腕的部分實現, 這很多類似人類手腕的操作能更簡單實現. 配合上及時的影像分析, 這種設計能很快速完成像是分裝, 收集不同排列角度物品等任務.


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人工DNA抗體! Biosensor DNA

生物晶片一個最核心個概念就是利用偵測結合來判斷某種生物分子的有無, 在偵測DNA基因上這樣的使用已經沒有問題, 只要有合適的序列就可以. 但是在偵測蛋白質上, 因為要跟蛋白質結合的抗體不容易大量多樣專一生產, 加上螢光標定問題, 所以還侷限在實驗室研究上. 以往有一類的研究是希望利用分子模板鑄造來製造人工抗體,而不是用傳統的免疫方式. 下面這影片是介紹利用DNA分子當骨幹, 把不同的氨基酸結合在DNA的鏈上, 這樣一來就可以賦予DNA更多的性質,可以跟蛋白質結合, 變成人工的抗體. 這技術的一個好處是可以利用目前合成DNA長鏈的技術直接產生抗體, 所以可以克服以往抗體不容易生產的問題, 而來DNA上很容易在加上螢光標定的互補鏈, 可以增加這種分子的功能性. 類似的解決方案不只一種,目前應該都是正要發展的時候, 這樣的技術會大大增加生物晶片以後的偵測能力.


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聚焦聲音! Audio zoom

聲音跟光一樣都是波動的一種, 光的聚焦應用隨處都可以看到, 可是相對的, 聲音聚焦的利用就比較少. 這影片介紹利用在一個環狀的結構上裝上300個麥克風, 然後就可以針對任何地方的聲音加以聚焦, 跟周圍的聲音分開的裝置. 原理也不並難, 這裝置有配備一個攝影機, 利用攝影機的對焦位置可以決定要收聽到的聲的空間位置, 然後就可以計算這個來源的聲音到達不同麥克風的時間, 知道倒達不同麥克風相對的時間以後, 利用不同的延遲時間跟電腦計算把這位置的聲音分離出來. 特定位置的聲音就可以由不同的麥克風收到的訊號加以放大. 這種裝置可以在比賽的時候或是監視系統上得到好的應用. 其實科學用途上的超音波顯微顯鏡也是利用同樣的原理, 可以利用追蹤特定位置的震動方式來得到不同材料參數.


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被螢幕觸控 ? ! Tactile phone

傳統螢幕利用顯示的內容提供資訊, 在加入觸控以後, 螢幕更成為了機器跟人互動主要的窗口. 目前除了發展更好的顯示方式例如快速反應的彩色電子紙或是可彎曲高對比的螢幕外, 另一類的發展是希望能增加螢幕對使用者的回饋. 這影片是介紹利用螢幕對人提供動態的觸覺. 以往知道有一種效應是當手碰到光滑的儀器上, 因為儀器沒有做好接地, 所以觸摸的時候會有粗糙的感覺. 原因是帶電的表面會對皮膚內部的受器產生刺激. 這影片利用這種技術, 在手機的螢幕上加上電極, 當手指觸到表面的時候, 由表面的透行電極利用交流電刺激手指, 讓手指產生不同的觸覺. 可以是平滑的感覺也可以是粗糙的感覺. 這樣個技術可以增加螢幕對人提供的資訊, 也有可能有意想不到的應用, 像是變成盲人也可以用的螢幕那樣!


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用身體舞動遊戲! Kinect in Tokyo Game Show 2010

人機介面的發展讓電腦能更融入生活, 雖然很多學術研究有進展...不過也許最大的進步會從遊戲公司開始. 像是Wii帶動了使用加速規在各種場合的使用, 這次的主角是Microsoft的 Kinect控制裝置所代表的身體控制. 這影片是上週在東京電玩展展出的 Kinect 遊戲玩的實況, 看了都很想玩. 這種技術可以偵測身體的運動然後把這樣的動作做為輸入的裝置, 也就是說, 身體全體的運動資訊都可以做為輸入的介面. 所以很多可能的遊戲方式都可以實現, 像是跳舞或是運動, 可以更加融入遊戲. 這技術主要偵測物體的運動方式是利用附加著裝置打出眼睛看不到的雷射光斑, 然後這些光斑就變成空間中可以偵測的標記, 當這些光班隨著人體運動而改變反射位置的時候, 就可以利用影像分析找出物體運動跟光班位置大小變化的關係. 這種技術解決了要辨識空間中特定形狀或是需要預先標記這兩種做法會面臨到的問題, 很聰明利用雷射光斑的特性作為辨識標的. 這樣的技術一但普及, 可以預期很多人跟機器或是電腦的互動可以變的更多樣化. 期待這樣技術從遊戲開始普及!


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生物嗅覺機器人! insect olfactory receptors for robot

對機器來說感測器就如同動物的感官, 合適地應用可以擴產很多產品的功能. 像是ipad有加速規可以自動感測手拿的方向, 調整螢幕的方向. 又或是最近的玩具遙控直升機因為有陀螺儀, 所以可以真的好好飛,不用新手一飛就失事. 不過在某些偵測能力, 目前的感測器還離生物能達到的能有有一段距離. 其中最明顯的就是對分子的偵測. 雖然各種電子鼻一直在發展, 可是離生物能偵測特殊分子能力, 幾乎數個分子就可以測出, 的程度還很遠. 另外目前不少已知能跟分子結合的受體也沒有辦法用自然生物分子以外的方式產生. 這影片是介紹利用轉殖昆蟲對費洛蒙的受體在非洲爪蟾的蛋上, 因為偵測費洛蒙對昆蟲來說是攸關生殖的大事, 所以這樣的費洛蒙的受體能分別氣味差異很小的分子, 讓雄蟲找到雌蟲的位置. 把這樣的轉殖細胞整合在生物流體晶上, 當有氣味的時候, 有受體的細胞就會有電訊號產生. 影片的展示是這樣的訊號可以在生物體外被利用跟利用這樣的感測器讓簡易機器人的頭轉向氣味的方向. 或許以後這種混合生物分子細胞跟生物晶片的感測器在某些特殊的場合可以使用. 應該會起現行的氣味分子感測器靈敏很多.

學術文獻
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手機變身的方法! Phone makeover

現在的智慧手機強調多點的觸控, 但是相對的就必須為介面付出比較多的硬體代價. 這影片是介紹怎麼把傳統沒有觸控的手機變成觸控式的. 利用手機上面的麥克風, 當手指在機體上滑動或是敲打的時候會發出不同的聲音, 只要分析這些震動特性就可以反堆手指在手機上的活動. 或許這樣的技術在手機上沒有實用的一天, 不過在其他觸控的地方像是玻璃櫥窗或是桌子上應該都會有發揮的地方.


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觸覺立體電視! AIST i3Space - Touchable 3D TV

之前介紹利用有利回饋的筆來感受３D物體的表面, 現在這樣的技術也直接用到手部的力回饋. 利用兩台攝影機捕捉手部的感測器位置後, 直接把座標資訊跟螢幕裡的物體空間位置比對, 一方面讓虛擬的影像可以感覺被手直接操作而移動變形, 另一方面利用手上裝置的震動來模擬物體的力學回饋 這裡面一個很特殊的技術是利用震動來模擬有方向性的壓力. 雖然影片沒有詳細說明, 不過應該是利用在單一震動週期的不對稱震動來造成手部的錯覺. 效果可能要真的接觸才知道. 如果這種技術效果很好, 或許在下一代的震動搖桿就可以加入來模擬更多元的力學回饋互動.


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以想像作為指令! Tan Le: A headset that reads your brainwaves

跟電腦還是機器的溝通以往都被限制在固定的指令或是出入設備. 這影片介紹的裝置是一個腦波的分析器, 有兩個重要的特點, 一利用發展演算法來展開大腦電波來源的幾何形狀, 讓訊號可以被分析, 另一個特點是利用記憶指令(腦中的想像)對應到特殊的輸出. 原理是想某種情境的時候, 可以把這時候不同位置的的腦波紀錄下來, 做為一種指令. 跟一般腦波控制的不同是, 一般的只能控制某些有限的維度, 像是想動搖桿或是滑鼠一樣, 這裝置因為同時偵測多點訊號作為輸入, 在指令空間的範圍比較大, 想像某種情境的訊號可以被紀錄下來作為一個新的維度. 可能應用像是遊戲, 燈光, 輪椅等等. 或許以後人連動手都懶了:P


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石墨烯觸控螢幕! Graphene touchscreen in action!

傳統的觸控螢幕是利用ITO在感壓層的兩端形成導電層, 當手指或是筆觸控以後, 利用xy方向的四個電阻的比值或是產生的電容效應的小電流來決定觸控的位置. 這影片介紹利用石墨烯來做成觸控螢幕的實例. 在材料上, 首先利用氣像化學氣相層積 CVD把石墨烯長在銅上, 然後再利用滾輪轉印的方式把石墨烯層轉到高分子層上, 然後最後再轉印到螢幕的材料上. 現在用的透明導電材料ITO因為材質比較脆所以在使用年限上有限制, 要做成可彎曲的也有一些技術困難, 加上材料用到日漸昂貴的希土元素, 所以能用發展穩定的製程石墨烯來取代是技術上一大突破.下面的影片是展示真實的使用情況. 有了穩定的製造技術, 這類型的產品應該就離市場不遠了.
學術文獻
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美國科學家發明神奇布料 “能唱能跳”Multimaterial piezoelectric fibres

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2792.html

據美聯社消息，美國麻省理工學院的科學家們發明了一種可以“聽”與“說”的新型紡織布料（纖維）。帶領該研究團隊的麻省理工學院材料學教授約爾‧芬科稱，該團隊在功能纖維方面取得了新的裏程碑，即這種纖維可以發現並制造響聲。目前，芬科教授研究團隊的這一發明已經在美國《自然材料學》雜志上發表，他們將紡織品的被動性轉化成為“能唱能跳”的紡織品。麻省理工學院說，材料的應用涉及到那些對微聲敏感的纖維，用以捕捉人們的言語及追蹤人類肢體功能，細小的纖維長絲甚至可以測量人體的血液流動。報道稱，這項工程已經歷10年研究歷程，目的就是研發出更加復雜的纖維屬性，以使纖維與周圍環境更好地進行互動。（記者李宗澤報道http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/world/2010-07/13/c_12329451.htm)

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舌頭上的磁搖桿! Magnet and glue turn tongue into joystick

脊髓受傷的人只有有頭部的肌肉還可以動, 這樣的人生活幾乎都要靠別人的幫助. 目前已經有一些裝置是利用眼睛的位置或是嘴巴操作的搖桿來幫助這樣的人. 舌頭是最能靈活控制的肌肉之一, 現在研究人員發展了一種利用舌頭來控制外界裝製的的方式- 只要把小磁鐵貼在舌頭上, 經由裝在臉部周圍的偵測器量測磁場的分布就可以知道小磁鐵的位置. 如此一來舌頭便就成了像是搖桿的的東西, 就可以用來控制輪椅的運動了!


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虛擬工作平台 Augmented Reality 3D Modelling Application

雖然虛擬實境已經提出很久, 但是要怎麼真的被人們使用卻仍等待開發. 這影片是一種混和實境 mixing reality 的應用- 在真實空間看到虛擬的物體以及對虛擬物體的加工. 技巧上是利用頭戴式攝影機捕捉使用者應該看到著真實影像, 經由計算後利用頭戴式螢幕把虛擬的物體擺放在真實的場景上讓使用者觀看. 這應用還創造了一些虛擬的工具來對虛擬的物體加工. 利用這種方式來創造模型(例如做張桌子) 變的更直覺化,使用者不再需要滑鼠, 只要照習慣的方式用雙手拿起工具加工就好!


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滑雪安全氣囊! Avalanche airbag

滑過雪的人都知道其實滑雪是有危險性的運動. 現在有人開發出來滑雪用的安全氣囊了, 不過功能不是讓跌倒的時候不會受傷而是讓在遇到雪崩的時候不會被活埋. 這樣的氣囊在假人實驗中可以讓假人都停留在表面上而不會被埋入雪堆深處. 更好的是這種氣囊可以無線控制, 有就是說當一個人發現危險的時候可以讓同行的人氣囊都打開, 避免有人來不及反應.

相關學術文獻
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低價的高速攝影機! High-speed camera

現在的數位像機都有很高的畫素, 但是拍影片的時候受限檔案大小跟像機的處理能力, 常常用不到那麼多畫素. 研究人員提出了一種善用這些畫素的方式- 改成高速攝影機. 只要讓不同的畫素在不同的時間曝光, 這樣就能連續紀錄下動態的過程. 如果一個1200萬的畫素拍攝30萬素(640*480 30fps)的影片, 這樣的做法可以簡單的就拍到每秒上千張的影片. 不過這種做法應該只有CMOS的感光元件可以用, 而且受光強度會大幅下降. 或許只在某些場合才有實用的價值...


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超音波觸控! Tangible Acoustic Interfaces

觸控在很多地方都有用途, 幾乎已經滲透到生活裡的每個地方. 一般比較知道的觸控是利用表面電容, 或是表面電阻的方式. 其實震動的訊號也可以用來作為觸控的介面喔! 這影片展示了用四個類似麥克風的聲音震動接受器來接收手指碰到表面時候的小震動. 利用時間差就可以準確的把處碰的位置定位出來, 手怎麼動, 滑鼠就跟著怎麼動. 這種技術的一個好處是可以做成很大很大的觸控螢幕而不會增加成本. 也許是大螢幕觸控的一個解決方案.


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高解析感壓地板! Sensitive floor

人的手可以傳達很多訊息, 從使用滑鼠鍵盤到手識控制. 比起來腳好像就沒用多了.. 除了像Wii fit的那種直接用重量感測器的平衡版之外, 其實還有更多的可能性喔! 這影片介紹一種新的感壓裝置, 利用矽膠舖在有側面裝紅外LED的壓克力板上, 當矽膠因為受壓而緊密接觸壓克力版時, 就會散射本來應該在壓克力板內傳播的紅外線. 只要利用CCD捕捉這種紅外線就可以詳細紀錄下所受的壓力的位置跟形狀了.　這種技術可以用來辨識鞋印認人, 也可以用來當電腦的輸入裝置. 不只打鍵盤可以, 更可以偵測動作或是重心, 讓３D的遊戲直接讀取腳的訊息.　感覺是很實用的技術喔!


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毫米波電視攝影機! Millimeter-wave TV Camera

電磁波是一個連續的頻譜, 除了可以見光波段可以用來成像以外, 其實其他的波段也可以, 像是電波天文望遠鏡或是紅外線熱影像. 一般在毫米的波段是用在氣象雷達或是天文上, 但現在有人拿這樣的波段來直接成攝影機了. NHK研究中心利用60 GHz的波段來做成像的電視攝影機. 在這頻率下, 波長5mm的電磁波可以穿透一些物體, 所以可以用這樣的攝影機拍到遮蔽物後面的人像. 以往這樣的技術困難在怎麼有效的控制這波段的電磁波來聚焦成像. 因為沒有類似光學的透鏡可以聚焦電波, 這類的聚焦必須要靠反射式的天線來完成. 並且配合機械式的天線掃描才能成像. 展出的儀器可以每秒2.3張的速度成像. 已經勉強可以即時看到真實物體的運動. 這類的裝置因為有部分的穿透的能力, 所以可能可以用在救災的場合或是特殊的科學研究上!


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有機感光攝影機! Organic Image Sensor

CCD或是CMOS的影像感光元件是像機或是攝影機最重要的核心元件. 以往要達到彩色的效果, 必須在感光像素前加裝不同顏色的小濾片. 同時要多個像素才能構成一個彩色像素, 因為分小區塊接收不同波長的光, 很多光都浪費了. 另一種設計是利用分光菱鏡來分不同的色光, 再利用三塊CCD來對個別顏色感光. 雖然可以用到全部的光強度, 但是這種設計相對昂貴跟需要較大的體積, 只有在高階攝影機才會使用, 並不合適目前縮小化的像機或是攝影機設計. 這影片展出另一發展中的種感光元件, 直接利用有機的色膜來做光電的轉換, 也就是每種色膜都可以感光傳送出電子訊號, 而且不同有機色膜只吸收部分波長的光, 所以把三種顏色的色膜疊在一起用, 就可以變成彩色的感光元件. 理想上這種設計可以用到全部光源的強度, 同時也可以縮小感光元件的設計. 目前這類的材料跟電路都還在研究改進中, 未來如果真的成功了, 或許可以取代現有的感光元件, 設計出更小感光度更好的像機跟攝影機!


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