邁向科學研究的前線: 手機變身螢光顯微鏡!

顯微鏡可以讓人看清楚小世界裡發生的事情，但是進入研究分子的時代，因為光的波長只有到數百個奈米 (nm)，所以以光學顯微鏡無法直接觀察分子的種類與型態，雖然可以利用電子顯微鏡，不過操作使用上難度高，研究人員也難輕易使用，偏光顯微鏡能提供分子排列的訊息，但是如果能用光學的方式直接看到分子或確定不同種類的分子存在與否，就能讓很多重要最動的物理或生物資訊被研究發現。而螢光顯微鏡就是目前在研究上用的最多與最重要的技巧之一。

一般顯微鏡利用光的吸收跟反射測來觀測物體，偏光顯微鏡利用光波的偏振特性，而螢光顯微鏡就是利用光在波長方面的特性的來觀測分子。原理是特定種類的分子(稱為螢光源fluorophore)在吸收短波長的光之後可以放出長波長的光，觀測時如果能把原本的波長的光濾掉，只剩下激發後較長波長的的光被看到，這樣一來就可以斷定特定的螢光分子是否存在。這樣的概念看似簡單，卻能帶來分子種類的解析性，舉例而言，像是把抗體加上螢光基團，就可以利用螢光辨識特定分子是否在樣品上，利用螢光蛋白序列加上改造的基因，就可以知道基因轉殖有沒有成功，把特定蛋白加上螢光蛋白，就可以在空間中甚至在細胞內追蹤分子或觀測神經纖維網路。在研究前沿上有數不完的研究，從生化檢測，基因定序，神經細胞結構等等，都是靠著螢光顯微鏡才能實現。

在技術上因為螢光訊號很弱，螢光顯微鏡通常用水銀燈或其他氣體放電燈作為光源，確保很強的光照，為了要濾除非螢光的訊號，需要很好的光學濾片組，這也讓螢光顯微鏡一直都只能在研究中或是在很貴的儀器內才能進行螢光偵測。

手機是現在人人都有的智慧裝置，結合了照像與傳輸分享的強大功能，如果在手機上如果能夠實現螢光的顯微觀測，將對科學發展有很大的幫助，有研究能力的手機顯微鏡與手機偏光顯微鏡之前已經由科學影像實現了，那手機有可能完成螢光觀測這項任務嗎?

讓手機顯微鏡變成有螢光的能力設計是這樣，首先在光源方面，因為半導體技術的發展，很多窄波段的固態光源變成可能，不再需要從全光譜中濾出特定的光出來，而是可以直接有效率的使用半導體光源，所已選用合適的短波段高亮度的LED就能大部分解決激發光源的問題，且同時能降低對激發濾片(Excitation filter)的要求，可以以吸收式的濾片達成。

在光路上，目前一般的螢光設計是epifluorescence，由同個物鏡照出激發光，偵測背反射的螢光訊號，可以減少對發射濾片 emission filter的要求，但是同軸照明需要較複雜的設計與雙色濾片dichroic filter，基於同樣的考量，可以改用暗視野照明來達成，加上發射濾片emission filter，始發射光與螢光的光譜沒有交錯， 就可以觀測螢光了!

以深藍紫色激發為例，目前可取得最好的固體光源的光譜如下，波長到450nm即全部消失，

在選用的emission filter上，濾除連續光譜的日光後的光譜圖觀測如下，可以看到470nm以下的光全部被濾掉，

所以選用這組光源與發射濾片，即可以以藍紫光觀察從綠光到紅光的螢光。設計相關的激切結構跟濾片在手機顯微鏡上，實際完成的手機螢光顯微鏡成品如下：

整體發出的紫藍紫光是由載物台下方進行暗室野照明所發的，就可以有效的激發出螢光訊號，注意在播片的邊緣有不同顏色的色光，那就是塗在坡片上的螢光物質所發出的螢光經由全反射而照出。

以下以兩個例子來說明這螢光模組的能力，首先可以同時關測到不同顏色的螢光 (螢光染料壓的指紋)，紅色與綠色各試不同的染料，黃色是混合之後的顏色。

在生物的觀察上，也可以觀察到斑馬魚身上卵黃的自體螢光訊號。

除了深藍紫光之外，為了讓離激發光源比較遠的紅色螢光能更被有效率的激發，在實現手機螢光顯微鏡上，也設計了另一組以470 nm為中心的光源，目前兩組的光源與長通螢光濾光片的光譜如下，這樣一來所有常用的綠色到紅色螢光都可以被激發觀測。

(其中下方淺藍色跟激發光跟長通濾波有交錯，需額外使用一片 excitation filter 來濾除) 

螢光模組是手機顯微鏡，除了實現手機偏光顯微鏡後 ，另一個把專業顯微技術在手機實現的計畫，希望將會讓很多原本屬於實驗室的觀測可以再被更簡單的川察記錄，有讓更多人與實驗室有方便的工具作更方便的觀察與檢測!

首次製作將提供台灣的實驗室進行申請使用螢光模組，歡迎有想一起測試的研究朋友加入科學社群 科學maker 索取，期間為 7/10-7/20。

科學影像的顯微鏡製作計畫目前專屬的科學社群 科學maker 已經有超過 4000 位朋友加入，分享觀測的顯微照片超過4000多幅，來協助製作科學儀器的朋友超過 百人，花整天的時間替更多人製作科學儀器，目前贈送超過 70所偏遠學校手機顯微鏡做為教育之用，除了個人使用外，也開始要協助如泛科學的科學活動或是台大的NTU博物館行動展示盒計畫等大眾的科學活動，也進入了國小，國中，高中，大學等校園數百所正式的學習環境，做為充實顯微設備與改善課程用，希望手機螢光顯微鏡的實現，能讓手機顯微鏡變的更有能力，走入實驗的現場，讓台灣有更好的科學實驗環境!

手機顯微鏡網站 手機顯微鏡 & 科學maker，對手機顯微鏡有興趣的朋友，歡迎加入科學maker，一起使用與分享顯微鏡的觀測~

大人的實驗科學: 用手機顯微鏡變身書桌科學家!

不同於科學萌芽時期人們對於科學的好奇而自發性的探索，有著紳士科學家或業餘科學家，目前科學研究的進行方式往往被認為是研究人員的事情，而這些科學家們不是在大學研究機關就是在大公司中的實驗室裡進行科學研究。但是隨著技術的進步，如同電子技術把原本屬於科學研究的大型電腦變成人人手中的電子裝置而引起一波波的社會網路革新一樣，新的生產資訊技術與數位製造技術也已經可以改變科學儀器的製作生產方式，只要知道原理，人們開始有能力可以在合理的範圍內製造出每個人都能有擁又方便使用的科學儀器。

而全世界各地也越來越多人開始注意到這樣實驗精神與大眾實驗能力的擴展，會對社會型成新的改革的動力，一些公民科學計畫或是結合大眾來進行研究的計畫也越來越多，人們希望這些努力能進改變局限在學術圈之中的研究，在未來能將科學實驗能力用新的方式影響改變社會。

出於同樣的想法，先前介紹過手機顯微鏡在科學影像scimage與科學maker朋友的合作下，已經完成產出上千台顯微鏡交給各地的朋友使用，其中也贊助贈送超過20所台灣偏遠學校使用手機顯微鏡，經由合理的基本的設計與添加專業模組的方式，目前已經把手機顯微境的能力擴展到各種專業的量測，如偏光觀測，螢光觀測，細胞觀測與專業組織切片的觀測等，能在合理的範圍內讓專業顯微鏡的使用不再不方便與不可及。

而當每個人都機會使用好的儀器隨時變成書桌科學家時，可以用自己的眼睛跟動手進行科學顯微觀察，不再是為了比賽或升學，然後屬於科學的樂趣就自然發生了。人不只是能被動吸收科學知識，而是能經由自己去觀察了解甚至完成合理的科學實驗。

休息了一陣子的科學影像網站其實沒有休息，只是默默的在進行更好的計畫，這篇小記，不再是國外的研究，而是一些在台灣慢慢發生的事情。用這篇記念超過2500的朋友參與加入科學maker與新的屬於台灣自己的顯微科學影像Youtube頻道　ScimagexScimaker的設立，希望簡單記錄一些屬於科學影像跟科學maker的書桌科學家們的一部分小故事～

1.極限顯微尺度的觀察

之前介紹改良的手機顯微鏡可以看到細胞大小的物體，為了擴展解析度，陸續也完成的數位相機模組與單眼相機模組，可以配合手機顯微鏡使用，使用一般數位相機Casio ZR15 觀察大鼠的子宮切片結果如下，可以清楚看到平滑肌與細胞核。

而使用單眼模組以Cannon 60D拍攝大鼠神經細胞的結果如下，可以看到清楚的細胞本體與各種突觸的分布。

手機顯微鏡結合更好的影像感測器，解析度可以到繞射極限，即使進行各種專業的研究也不會有問題。


2. 偏光觀察的使用

手機顯微鏡基本的模組之一為偏光模組，可以進行專業的偏光觀測，包含一對偏光片與旋轉平台。如果使用偏光來觀測透明材料，可利用光彈效應了解其中的應力分布，結果如下～

拍攝者 謝文山 於科學maker

可以看到不同的地方有不同的顏色，表示不同區域的分子受到的應力跟應變的程度。又或觀察塑膠膜，可以經由內部分子的排列結構，展現出夢幻的質感。

3. 螢光的觀察使用

經由自製的螢光照明或是螢光模組，可以觀測到螢光晶體。

拍攝者 陳冠宇 於科學maker

或是螢光墨水的乾燥情形，可以看到表面力怎麼影響液滴的乾造結構。

4.繽紛微小生物與植物的觀察

因為有了方便的工具，生活中一點一滴裡所蘊藏的精心結構都可以被觀測到，像是朱槿花上的花粉，能用自然光的方式呈現出自然的顏色與表面的形狀被觀察。

拍攝者 Hsuan Kung 於科學maker

在水中也很有多有趣的事情在發生，如同在跳舞游泳的水蚤們，正再跳著舞。


拍攝者  莊朝喜於科學maker

而這隻開啟雙渦輪操控水流的輪蟲，正在努力濾食更小的生物。


拍攝者 Gable Chuang於科學maker


周圍中，有太多太多精采用手機顯微鏡觀察跟照片沒法放下，也介紹不完，有興趣的朋友歡迎觀賞科學maker社團的影片youtube頻道 
Scimage xScimaker (https://www.youtube.com/user/ScimageTW )
或是加入科學maker社團，一起體會變身書桌科學家的樂趣～

最後也期待著一種新的科學進行方式跟態度能在台灣這片土地生根與茁壯～

用手機看見分子的結構排列: 手機變身數位偏光顯微鏡!

光是觀察物質最有用的方式，因為所有物質都會跟光作用，對於微小的物體，最一般的生物光學顯微鏡利用物質吸收光的強弱來看出內部的結構，金像顯微鏡技術利用反射光來看清楚不透明物體的表面。但是對於分子內部的排列，一般的方式的顯微鏡就沒有辦法得知了。

當物質的結構有方向性排列的時候，常常會讓通過的光改變偏振的方向，因為光是電磁場的震盪，所以因為分子有方向性的排列就會讓不同方向的電磁震盪傳遞速度不同，所以光走著走的偏振方向就轉方向了。這些物質有方向性的排列發生在很多地方，像是擠拉出來的高分子纖維，受到外力的物質，有方向性的晶體，有規則性排列的分子，細胞組織結構等等...而要看到這些分子的排列方向性.最簡單的方式就是利用偏光來觀察了。原理是利用一對偏振方向垂直的偏振片，本來光應該無法通過，可是如果兩偏振片中間放置有方向性排列的物質，因為電磁震盪的速度各方不同，光的偏振就會轉向，然後可以通過一對偏振片，就會在黑暗的偏振消光條件中看到因為光改變振動方向的亮光。

雖然原理簡單，應用範圍也很廣，從高分子液晶的檢測，生物物質結構的分析，礦物的光學分析到疾病如痛風的診斷等。但是目前市面上有的偏光顯微鏡都很高價，如果加上專業的旋轉載物台與數位紀錄設備，除了專業研究人員之外幾乎沒有其他人有機會使用。

之前介紹了怎麼利用手機變成數位顯微鏡，其實只要再多加一點點裝置就可以變成專業的數位偏光顯微鏡了。設計上很簡單，在光源處跟手機的鏡頭前加入一對偏振片，鏡頭前端的偏振片固定方向 ，利用燈源的圓形結構可以自由調整光源的偏振方向來達到不同的消光條件。再利用C形的結構，在原有的載物台上加上有刻度的轉盤，這樣一來手機用的全套偏顯微鏡就完成了!

上面就是在手機顯微鏡上加上偏光模組後合體的照片，可以看到上面提到的一對偏振片跟轉盤。轉盤的功能在調整觀測物體的方向來觀察其偏振特性，在礦物研究上很有用。

以下是觀測白雲石的結果，上方照片為沒有偏振消光下的顯微照片，下方照片則是在偏振消光後的照片，原本看似平凡的石頭，卻透露出非常多彩又美麗的訊息。 ( 樣本感謝台大地質系黃同學提供 ~)   

之後製作的手機顯微鏡也都會提供偏光模組讓想使用的朋友使用，希望這樣的輕便易用的偏光顯微鏡能讓更多朋友能更容易接觸到這種有用的技術，看到更多分子方向性排列所透露出來的自然秘密!  

手機變身數位顯微鏡 !Turn Your Smartphone Into a Digital Microscope!

要看到並記錄微小尺度下的物體或是生物對一般人來說並不簡單，雖然顯微鏡使用的歷史已久，然而一般的顯微鏡雖然可觀察，但是體積龐大且不容易做數位的記錄，如果有小台方便使用的顯微鏡，可以隨身攜帶隨時記錄，會是很多學生與很多對自然有興趣朋友的好幫手。

一直以來有一類的USB顯微鏡可以做到這樣的功能，然而其必須連接電腦使用與較高的價位，使得用途很受限。最近在網站 instructables上介紹了怎麼利用生活材料做簡易的的手機顯微鏡，$10 Smartphone to digital microscope conversion! 主要想法是因為目前的手機像機的品質都相當好，如果能善用手機可以作為手邊很好的研究工具。其主要設計是利用雷射筆的鏡頭做為近拍鏡與利用螺絲調節的平台高低做為載物台來進行。



然而使用雷射筆鏡片的顯微鏡轉接台有著球面像差，放大倍率不大，照明不均勻與載物臺不穩定等缺點。 這些缺點如果能夠加以改進將會是很好的工具。因為這樣，所以scimage 設計了一款新的手機顯微鏡，主要改善了鏡頭與光源的設計，使用鏡片組做為鏡頭，加裝光擴散片改善照明均勻性與利用一些機械設計增加結構穩定性，使得成像品質能大幅改善。在外觀上也作了一些設計，讓攜帶與使用更方便。

因為這些改進，解析度與放大能力增加為原始設計的兩倍，也因為這些新的的設計使得顯微鏡用來可以看如血球細胞大小的物體，或是水族箱中的小微生物們，在應用層面上增加了很多可能性。經由科學影像的朋友們的贊助，首批製做了60多台，組件材料加工好後送到贊助的朋友手上，讓贊助製作的朋友自己完成整體的組裝，一來可以對小顯微鏡更熟悉，一來也可以DIY做出屬於自己的儀器！ 組好的成品圖如下，應該是非常有質感。（感謝Ｔina Lee 提供自己組裝好的成品圖）

                               成品圖　              

              與iPhone 合體使用                      

這台手機用的顯微鏡理論上的光學解析度為約1 um，不過目前沒有手機能發揮到這極限，所以目前解析度的好壞依照手機的畫素而定。以下影片是用手機看小蘋果螺寶寶的影片與看細胞切片的成果，應該已經非常足夠一般朋友使用，如果要看其他水中浮游的小生物們也非常足夠。

這是科學影像第一次製作儀器，雖然不是全新設計，不過相信所做的新設計讓這樣的裝置變得解析度更好，也更實用與方便攜帶，更種增強模組也會陸續添加 (註1，2) 希望能讓更多朋友自己看到有趣的微觀世界。之後如果有朋友也想索取這款顯微鏡，人數夠會再繼續製作，這台小顯微鏡的討論在FB "科學maker"社團裡進行，有興趣想使用的朋友歡迎先加入～
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如有需要請至科學maker 閱讀說明後等開放登記時登記。


註1: 偏光模組已完成，可變成數位偏光顯微鏡 請參照
用手機看見分子的結構排列: 手機變身數位偏光顯微鏡!
註2: 螢光模組已完成，可變成數位螢光顯微鏡 請參照
邁向科學研究的前線: 手機變身螢光顯微鏡!

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小蘋果螺寶寶們  Meng-Hsun Wang 提供~



外星世界!? 水族箱取出的水滴  Meng-Hsun Wang 提供~

蚜蟲~ Stéphane Liu提供 :) 

大鼠神經細胞切片

大鼠肝細胞切片

大鼠子宮肌肉細胞切片

成立網站的原點 ~沒有驚嘆號的標題 ...

科學影像當初成立的意義是希望把科學實驗與科學研究從研究機構與實驗室回到它更該生根的地方，就是每個人的心中與手上。所以一直以來介紹了很多有趣的研究，讓更多人實際看到實際的實驗與研究是怎麼進行的。除了介紹外，也一直有一個願望，希望能提供科學相關工具把可以屬於更多人的科學樂趣還給更多人，以各種方式介紹新知，提供工具來賦予人能力的方式，讓更多人有能力跟機會看到這神奇的世界。

回台灣在台大任職以後，學生，實驗室跟教學占去大部分時間與心力，網站的更新也越來越慢，知道以前的構想隨著年紀慢慢變大，如果不去進行就永遠沒有實現的一天，所以從這冬天開始，scimage會開始設計製作科學儀器，從比較通用簡單的開始，提供給有興趣的朋友使用。 因為不是營利，所以不會以定價與購買的方式提供，會是希望以贊助科學影像的儀器製作計畫的方式進行，以自由的方式贊助製作儀器的成本與未來儀器製作的計畫，金額不限，材料與製作成本以外的贊助，會當作是未來科學影像繼續製作儀器的資金，包含材料設備的購買跟推廣贈送。而贊助的朋友在合理的範圍內將贈送scimage所設計製作的儀器，視儀器難易度以事先組裝好或DIY的方式組裝起來。

開始的第一個項目是手機數位顯微鏡。第一批即將送出給scimage在facebook的朋友們，希望這是一個正確的開始，也期待收到了朋友都能利用這小裝置看到更多與有趣的小世界。

如果首次順利也沒有後續問題，將會提供機會給所有科學影像的讀者們，敬請期待~

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手機顯微鏡/手機光譜儀 科學Maker社群參展換獎活動 ! Maker Faire Taipei 5/7-5/8 


第13次製作預定登記 5/7 開始進行，如有需要請至科學maker 閱讀說明後登記。

超音波懸浮的咖啡即溶-水滴的舞空術! Ultasound levitate and mix floating drops of liquid

把物體或是人懸浮在空中一直是讓人嚮往科學技術，為了對抗重力，其實已經有一些不同的技術被開發出來，可以是利用光，利用磁場，或是利用空氣的壓力。其中聲波做為一種空氣的行進疏密波，可以在空間中創造出隨時間變化的氣壓場，所以如果把聲波"停下來"就可以造成局部穩定的壓力場，可以對物體進行操作或是懸浮。而停下來的方式最簡單就是利用一個額外的反射面讓聲波產生駐波。不過一般駐波只能產生一個軸線上穩定的平衡區域，為了可以動態控制駐波在空間中的節點位置，所以研究人員開始把很多超音波組合在一起，這樣一來就可以利用控制每個聲源的強度跟相對相位來產生可移動的穩定壓力場。

當把水珠跟一些有趣的東西，例如咖啡粉跟鹽巴放入這系統時，科學的 moment of truth 就開始上演了! 下面的影片中展示了當兩顆水滴凝空結合時會會發生的動態，因為水滴的結合而產生的振動可以明顯的看出來，這跟之前介紹過的跳起來的水滴是一樣的現象。當水滴結合之後，如果大小變得太大，表面張力拉不住水滴在壓力場下所受的力，就可以看到水滴" 噴水而死 "的壯烈畫面。如果結合的式咖啡或是鹽巴，平常看不到的浸潤跟融解現象也都可以在高速攝影下清楚展示。 這類的技術或有一天也可以把人懸浮起來，沒有什麼科學上的原理說不行，不過在那麼大的壓力場下，人也必須要考慮怎麼樣才不會噴血而...  @_@

袖套上的籃球教練! Futuristic sleeve helps you play perfect basketball

偷偷練習射籃應該是很多愛打籃球朋友的共同記憶，除了一次一次練習手感以外現在又有了新的工具:把投籃的教練裝載手臂上! 影片中介紹一種特殊的袖套，上面內建有加速規，可以偵測手臂與手腕的運動，所以投球的速度跟軌跡可以由袖套所收集的數據加以估計，然後即時用聲音或是光來給與運動員回饋。當然這樣的工具離能全面幫助籃球程度還很遠，不過以往的運動分析都是在運動資料以攝影機或是局部的感測器擷取之後，事後再慢慢分析運動員的姿勢來改正。這樣的新工具開啟了一種新的可能性，如配合上更多元完整的動作偵測分析與環境條件，或許將來有一天只要裝上特定的運動服裝，就可以自動學習，看見查克拉的流動，慢慢精通各種運動的竅門。

男人的浪漫- 自己接垃圾的垃圾桶! Smart Trash Can moves autonomously to catch your trash

比賽垃圾投籃相信是每個人成長的必經過程，不過通常垃圾桶都設計不良，不是角度不對就是開口太小，讓人難以丟到，也不會自己接。現在因為技術發展，自己會接垃圾的垃圾桶已經出現了! 利用微軟的kinect系統，可以即時的在空間中定位出人的位置以及丟垃圾的方像速度與垃圾的飛行位置，加上適當的程式計算，就可以知到垃圾桶該移動去哪才會接到垃圾。為了開發這樣的系統，發明者還研發出了一種傳動方式，可以利用一個軸的旋轉與輪子的滾動，快速改變垃圾桶的運動方向跟位置。雖然目前的命中率有限，也不能真的丟太快，不過照著技術發展，如果有心，這樣的困難應該很快就會被克服。怎麼丟都丟得進去的垃圾桶應該已經不遠了! (有點搞笑的介紹:P 其實很不錯的發明，如果用在災害防止或是無人照顧上，可能有意想不到的功能!)

高感度的新型感光器:像素前的微分光器! Double the brightness in low light photos with Panasonic's new color filtering technology

彩色相機一直以來感光的極限都受限於因為要彩色成像，需要有不同的感測區塊加上濾片來測不同顏色的光，所以每個像素上的光很多都被浪費了。以往的一個解決方式是利用分光鏡把不同波長的光投影到不同的CCD上，所以有所謂三CCD的攝影機。但是這樣的解決方案成本太高，無法普及。現在有公司開發出放在像素前的小分光器，可以把不同顏色的光導向不同的畫素，這樣一來就沒有因未使用濾鏡而被浪費的光，也可以整合進目前的感光元件設計。這種小分光器的設計是利用光在小結構傳播時有波動的特性，所以不同波長的光的傳播對尺度很敏感，只要經過仔細的光學運算就可以設計出讓不同的光走不同路徑的微分光器。實際的裝置有設計出紅色跟藍色的分光器，可以把紅色跟藍色的光分到周圍的像素，也開發出了新的光學計算軟體。這樣的新型感測器或許有一天就會用在新的相機上，讓相機有更高的感光度跟夜拍的能力!

看見腦的連結! Diffusion Tensor Imaging (DTI) and high definition fiber tracking (HDFT)

大腦是一個複雜的器官，由外層皮層(灰質,細胞本體)跟內部的白質(神經連接)所組合，以往腦所做研究很大一部分是研究腦的皮層，觀察研究各種腦波與腦的活動，了解哪部分的腦區所掌管的工作工跟功能，但是對於神經相互間的連接，也就是白質的結構，所知甚少。近一兩年的影像技術開始可以讓人看清楚腦裡面的神經是如何連接，所利用的技術是用核磁共振造影(MRI)來觀測水分子在白質區域內的擴散行為，稱做Diffusion Tensor Imagin(DTI)。主要的原理是水分子的擴散會改變水分子在磁場下的排列整齊度，進而減弱收到MRI的訊號，所以只要加上不同的磁場激發設計，就可以找出水分子在不同方向的擴散能力的不同，如此一來，如果水是存在神經纖維裡，裡面的水因為細胞膜的局限會有特定的方向容易擴散，所以就可以利用這種方式把水的擴散能力資訊轉成神經纖維的空間連結資訊。下面的影片介紹了目前能達到的效果，影片中在腦瘤周圍的神經纖為都可以被清楚的看出。這樣的技術一方面可以擴展對大腦的了解，一方面也可以在神經外科手術或是神經修復治療上提供更完整的資訊，讓醫生們擁有正確的地圖去完成對腦的手術或治療!

單一相機的高速3D影像！ Measuring objects in 3D using only a camera and projector

三維的立體影像重在很多地方都有應用，像是模型的重建，物體大小或是物體表面量測等。各種的非接觸的方法雖然都已經發展很久，但是這些方法常常要依賴特殊的構造（雷射光點，多台攝影機等）常常不能高速的捕捉立體動態。這影片介紹一種方式，利用投影機投影出有結構的圖案，再利用高速攝影機拍攝下來。投影出的圖形在不同曲度的表面上會產生變形，而這些變形就可以提供利用三角量測測距方法的基準，然後經由分析影像計算出每一點的距離。這樣的方式只需要一台投影機與一台攝影機，大幅減少了裝置上的難度。如果使用了高速攝影機，理論上就可以得到用超高速的立體影像，這在科學研究上有非常大的幫助，另外，同樣的方法也可以把圖型投影在顯微鏡下的物體上，這樣就同樣可以做出可以量測微小起伏的裝置!（類似的技術可以參考結構照明）

真正的3D顯示技術: 脈衝雷射的電漿舞台! 'True 3D' Display Using Laser Plasma Technology

雖然有很多種不同的3D顯示技術，但是這些技術都有使用空間上的限制，只能用某些方式讓人以為空間中的某些點有發出影像光。不過實際上要在任意空間發光的技術是存在的，就是利用很強的脈衝雷射把空氣擊穿打成電漿，然後電漿就可以發光或散射光，這樣一來就只要動態控制雷射的聚焦位置，就可以把任意的空間都當作是雷射的螢幕。但是這樣的技術需要強度夠大的脈衝雷射以及很快的掃描機構，以往並沒有這樣的顯示器。下面的影片介紹這種理論上做得到可是實際上非常昂貴的顯示技術目前的成品。展示內容雖然是在箱子內，不過後面也有展示在開放空間中的效果，效果還蠻讓人驚艷的(但需要更大的雷射)，這樣的顯示技術或許不會有實用的一天，但是相同的技術，把脈衝雷射的能向快速注射到空間中的任意點，可以用在微加工與立體紀錄等技術上，以及生醫的檢測上，或許以後科技會給這樣的技術更多應用的空間 !

輕便精神壓力探測器與壓力荷爾蒙! Compact Stress Meter

當人體處在緊急的情況下， 身體可以分泌腎上腺素來提高人體的反應能力， 用來應付環境的危機，但是現在生活的形態下, 你也有壓力我也有壓力幾乎變成了生活的常態，那些原本用來協助人體反應的壓力荷爾蒙的過度釋放，就變成了健康的危害因子。 如果人可以即時監測自己的精神壓力程度，就可以適時採取運動或是其他疏壓的方式來讓身體保持平衡。但是即時的神經狀態監測非常困難，血液中的荷爾蒙檢測也不容易，這影片介紹了利用紅外線的反射來偵測手指上血管的血流量，裝置非常輕便，也可以就裝在滑鼠上。 這是量測方式可行示因為壓力賀爾蒙可以引起血管的收縮，所以末端循環的血流量可以部分反應壓粒荷爾蒙的量。 目前這樣的方式量測的結果目前與賀爾蒙量測有70%的相關性，雖然不很準，不過卻提供了一種簡便的方式讓人可以即時偵測可能的精神壓力，如果未來配合其他的感測方式，或許可以在更多場合提供給人正確的生理資訊，讓人可以做好更好的健康管理。

水貼紙隨身電子儀器! Tattoo could monitor your health

軟性電子材料因為可以被彎曲摺疊，所以被認為可以廣泛的應用在電子紙或是衣服式可穿戴電子產品上。但是除了這些，其實還有很多種可能的應用方式。這影片介紹利用水貼紙的方式，經由水來溶化高分子包附覆的元件與基質的黏著而改黏於另一基質，把軟性的電子元件晶片貼附在人的身上，這樣一來像是血壓的監測或是血糖的量測等，這些目前需要固定在某個地方量測生理數據都可以藉由這樣的軟性電子元件配合無線模組直接讀取傳送。當不需要的時候也可以輕易移除。目前這樣的設計可以固定附著在身體上兩天，經由不同的黏附物質這樣的時間應該可以依照應用來控制。可以想像的是在未來可以輕易的監視身體不同位置生理條件，像是受傷復原與否，肌肉骨骼的情況，運動的情況，甚至更複雜的疾病訊號等，這種對生理的即時間監控能力會讓很多醫療的方式有革新的可能。期待有很多可能的應用都可以經由這樣的方式來達成。

被音樂感動的生物晶片! Music moves microfluidic drops

微流體生物晶片被很多人認為是未來醫療檢測或是生物技術的發展趨勢之一, 很多工程上的技術也用來設計不同的生物晶片, 譬如用電驅動的 (之前介紹過的DNA液滴晶片), 壓力驅動的, 超音波驅動的(流場抓細胞)等等. 但是複雜的設計往往限制了實際上的應用. 另一方面, 很多朋友都知道不同水高度的試管因為共振的關係會對不同的聲音有反應, 只要達到共振條件就會把聲音放大, 原理跟所有共振腔的樂器一樣. 現在研究人員利用這樣的原理開始讓生物晶片也可以聽得懂音樂來工作. 首先研究人員設計的不同的共振腔, 然在共振腔後面接上單方向的氣流通過結構( rectifier 如下圖), 然後每個共振腔再接上不同的微流道.

這樣一來, 只要用喇叭發出特定的頻率的聲音, 特定的共振腔就會把聲音的振幅壓力放大, 經過單方向的結構後就會產生單方向的壓力, 這樣的壓力就可以用來堆動在不同管道的水滴的運動. 所以這樣設計出來的晶片上的液體運動就不再需要外加的幫浦來推動, 只要用喇叭放音樂就可以工作了! 下面的影片展示出很多可能的液體操作都可以藉由這樣的方式來達成.

學術文獻

自製煙圈螺旋空氣炮! Giant Smoke Rings

空氣炮是小叮噹大長篇不可或缺的道具, 但是現實上怎麼做空氣炮? 做出來的又會是什麼效果? 下面這介紹的影片滿足了大家的想像- 只要在大的垃圾桶開口的一邊利用拉緊的塑膠膜封緊作為鼓膜, 另一邊底部開一個略小的口就完成了. 這樣設計的原理是因為人力很難快速地推動空氣 所以利用類似打鼓讓鼓膜震動的方式來做為快速擊發的裝置, 被擊發的空氣在通過底部比較小的口的時候又會再被加速一次. 一次大的震動可以擊發一團空氣, 雖然沒有殺傷力, 不過可以用來打飛一些小東西. 這種裝置另一個特別的特徵是如果加上煙來觀察方便看到擊發的"子彈"的模樣, 可以看到子彈的結構是一個螺旋氣團. 造成這樣一團空氣變成螺旋的原理是因為空氣團在運動的時候中心受的阻力小(因為周圍的分子大家一起動), 而空氣團邊緣的阻力大, 所以中間動的比較快, 周圍動的慢, 周圍的空氣在落後之後又因為中心空氣運動快速移動所造成的空隙被捲到中間. 示意圖如下:

                                         
                           引用: http://amasci.com/wing/smrg4.gif

其實都是很簡單的原理..不過看起來卻是出乎意料的好玩, 有機會一起來做這種玩具給大小朋友一起玩吧 :D

紅外彩色夜視攝影! Color Night Vision Camera

夜視功能不管在軍事用途, 保全用途或是生態研究上都是很好的工具, 其中一類的夜視功能是經由發射不可見的紅外光, 再經由對紅外線敏感的偵測器接收反射的紅外光強度來辨識物體. 但是利用這種方式的夜視功能常常只能表現亮度的深淺, 如同單色的攝影機. 而在真正的視覺辨識上, 顏色這重要的辨識資訊無法被傳達. 一般看到的物體顏色, 是由物體表面對不同波長的光的吸收跟反射來決定, 同樣的概念也可以用在紅外線照明上-不同顏色的物體對紅外線的波段也有不同程度的反射與吸收. 所以只要分析反射的紅外光的強度跟波長頻譜就有可能去反算物體表面的顏色, 所以可以利用紅外線照明給出物體的彩色資訊. 這樣的技術可以幫助在黑暗的環境中辨識不同的物體, 應該會在生態研究上, 或其他傳統用的到夜試功能的場合發揮作用.

代謝對比放射性乳癌偵測- 微小化固態元件的功用! Deborah Rhodes: A tool that finds 3x more breast tumors

乳癌的早期發現跟生存率非常有關, 如果能在1cm以下發現有九成的存活率, 但是如果到了兩三公分,只剩下大約一半的存活率. 現在的偵測一般除了觸摸檢測外, 就是利用超音波或是X-ray. 但是這些檢測技術都難以正確判斷腫瘤的發生, 尤其是在早期的時候. 以乳房x光為例, 只有不到1/4 的機會能被發現. 其中一個很重要的原因就是x 光是利用電子密度來判別組織, 但是在乳房有緻密的乳腺組織, 這些組織在x光下常常不容易跟腫瘤做判別. 只有在女性年長以後這些組織可能減少讓x光檢測的正確性增加. 這演講介紹了一種新的偵測方式, 一方面利用特定的標定的放射性分子容易被腫瘤細胞吸收, 這樣一來腫瘤的組織跟一般的細胞組織的對比就大大的增加. 然後是革新放射線的偵測元件, 利用微小化的固態偵測...進入演講

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.

讓細胞坐電牢! Force field gadget becomes a prison cell for cells

一般的細胞在培養的時候會漸漸的改變細胞周圍的環境, 因為環境一直在變, 所以如果想清楚的知道某種藥物對細胞的影響並不容易. 現在開始有一些對單個細胞的操作方式, 例如用雷射光鉗抓住細胞, 來研究單顆細胞的動態. 這影片是介紹怎麼利用電場來把細胞關起來. 細胞跟細胞周圍的培養液流體都是介電質, 都可以被電場極化, 在合適的條件下, 細胞會被電極排斥, 往低電場密度的地方聚集, 這時稱為負介電泳. 影片中只要加上交流電場, 細胞就會被黑色的電極排斥. 所以利用這種原理可以在微流體中把細胞擋住讓細胞不流動. 也可以利用四個電極把細胞關在中間. 因為電場也會帶動電滲流, 所以周圍的流體會一直流動讓環境恆定. 研究人員宣稱這樣可以作為良好的細胞-藥物偵測平台. 不過實際上有很多問題待克服.