把學習與技術直接導入腦的方式! Enhanced Training Through Neurostimulation

關於腦部的運作雖然還有很多未知，不過這抵擋不住人想直接跟腦溝通的欲望，以往的學習需要經由一次又一次的練習來讓腦產生特定的連接或運作模式，現在科學家已實驗發現，直接輸入已經訓練好的人的腦部運作模式可以增加學習的能力，實驗以模擬開飛機為例，在測試人員的頭上先戴上特製的感測與刺激的儀器，裡面包含了對頭部血液流量的變化，即時量測腦波EEG，並且利用導電膠把電極根頭皮接觸，導入電流(稱為Transcranial direct current stimulation (tDCS) )。

先收集好學會人的腦波，然後在實驗者身上一邊訓練的同時，一邊把學會人的腦坡經由tDCS輸入與利用EEG同時監測，這樣一來，發現了接受這樣直接刺激輔助學習的人，可以大幅增加學習效果，原本失敗率較高或操作不易的飛行操作可以較快學會。這技術暗示著即將要開啟了一扇很不可思議的門，用在好的地方可以協助腦部失去功能的的功能性回復，另一方面也有可能造成對人能力更多的人為控制，走向未知的未來。

海馬奇特的外型是如何發生的？ How the seahorse got its shape

是不是曾經對海馬這樣奇特的外型感到好奇呢？事實上，海馬與一種長條形的楊枝魚（pipefish，俗稱海龍）是演化上的近親，然而，是什麼樣的原因讓海馬演化出這樣捲曲的形態呢？科學家們從這兩種魚類在的掠食行為上的差異得到可能的解釋，科學家以高速攝影研究發現，這種兩魚捕食小蝦米時都是利用吸水的方式，邊抬頭邊吸水來將小蝦米吸食，而海馬在頭部附近的彎曲構造增長了可以捕食到獵物的範圍，也相對拉近視野範圍與捕食範圍，而彎曲的尾部讓海馬可以攀住海水中的物體，並以擬態的方式等待獵物出現，再發動「致命的一擊」；反觀楊枝魚，這些線形的魚類是徘徊在海水中尋找獵物的，因此大多數的捕食行為都是直接游向獵物，體態所影響的捕食範圍便不那麼重要，這些生態、行為的觀察或許提供了海馬出現這樣特殊行態的演化、天擇證據。

看著銀河前進的糞金龜! Dung beetles, survival is written in the stars

人會看著天空星座想像很多奇妙的事情，但是這樣的天空不是只有人看著，所有的動物也看著...最近研究發現原來看著天空銀河的還有努力滾動的糞金龜(Dung beetles)。研究發現糞金龜在滾自己得到的糞球的時候能維持走直線，雖然看似簡單的事情越很不合理，因為金龜身體一直滾來滾去，能保持直線移動幾乎是不可能的事情，是怎麼樣的平衡跟認知系統才能做到呢? 這麼祕密最近被發了-現原來關鍵出在天空的銀河! 雖然不一定能看見個別星球，不過銀河的這條天空的亮帶就是指引糞金龜直線移動的羅盤。研究人員發現原來糞金龜是看著銀河的走向來移動，在實驗室中也成功利用模擬的銀河投影來引導糞金龜的運動! 當然，這研究也說明了，即使在簡單的生物或是神經系統裡，生命還是有辦法把看星星來移動這樣優雅的事情寫入生命裡!

為什麼做夢? -生命的預演 Why do we dream?

每個人都有過不同的夢境，不管是好或不好的情感總會悄悄在夢裡某個時刻出現，那為什麼人會做夢呢? 這問題一直是科學的謎題，不過越來越多的證據說明夢是大腦為了生存而準備的某種預演，像是喚起需要處理的壓力情感，讓人可以再夢裡預習相似的壓力，思考面對的問題。不管是生存壓力或是情緒壓力，讓神經可以早點找到問題的答案。夢境過程中用到的神經一樣可以讓神經訓練學習，夢中練習新的建立的神經網路，讓學習的記憶可以固定下來。這樣的睡眠與夢機制也許是大腦慢慢發展出來一種讓生物能更適應環境的方式，所以在其它的生物上也可以發現作夢這件事情。一些研究也顯示夢境的組合是基於感情上的連接而不是邏輯的連接，所以常常能做不合邏輯的夢，即使很不合理，在夢的當下不覺得哪有問題。之前新聞也介紹過很多跟夢有關的研究報導，知道這些夢相關的科學研究，或許下次做噩夢的時候能讓更正面的看待經歷的夢跟要面對的問題!



另外同的的神經過程也會發生動物身上喔 :)



“白日夢”不白做 研究發現有助鞏固記憶
如何馴服你的噩夢
研究：發呆恍神 讓人更聰明
專家稱睡眠可為記憶預留空間
美科學家稱記錄夢境有望變成現實

仿生軟機器人! Soft robot

雖然生物使用很多種方式運動，但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物, 使用關節,支架跟驅動器來達成運動，但是有一類的生物，像是軟體動物， 是利用軟組織本身的變形來做運動，沒關節跟骨骼，這類運動卻很少被應在機器人身上，現在研究人員利用類似的想法做出了下面這軟的爬行機器人-



主要的原理很簡單，先利用立體印表機設計出模子，模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙，然後用矽膠去翻模，就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖，在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序，就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。 這樣的軟機器人的設計成本不高，因為整體沒有關節根支架的分別，製造上也容易，或許在未來像是跟人體互動的接觸或是需要柔和方式的運動時可以派上用場!

學術文獻

猴子的禪定- 神經回饋的動物模型! Neurofeedback and sensorimotor rhythm in momkrys

在很久以前人就已經發現經由監測某些本來自身不能感覺的生理訊號，人有能力影響調節一些本來不能控制行為，像是神經緊張或是腸胃的蠕動等。這樣的方式叫做生理回饋(biofeedback)，目前已經被用在臨床的治療上。同樣的概念，如果可以監測自己的神經訊號然後接著控制神經訊號，這樣所達成的回饋就叫做神經回饋(neurofeedback)，目前有開始用於治療像是過動症或是憂鬱症等問題。但是在神經回饋的治療，因為影響的因素很多，所以確定的療效還一直有爭議。 這影片介紹的研究是利用對猴子的制約來讓猴子學會神經回饋。利用電極監測猴子的腦電圖electroencephalogram (EEG) 訊號，當腦波可以發出12-15Hz的訊號時 (這頻率的訊號稱為 sensorimotor rhythm (SMR, 12-15 Hz)與禪定時人發出的腦波頻率類似) 就給猴子棉花糖吃。 經由這樣的回饋，實驗的猴子就學會了讓自己的腦波可以保持在類似禪定的狀態，這時候的猴子看起來又專注又安詳。 這個研究的價值是發展一個沒有人為干擾的動物實驗體系，一些像是安慰劑效應或是人為言語互動烤能造成影響可以被排除。或許以後有更多關於神經回饋有用的資訊可以在動物的實驗上得到更好的回答!


學術文獻

蜂鳥麼喝水? The hummingbird tongue is a fluid trap, not a capillary tube

動物需要喝水, 不過在不同生物有不同的方式, 之前有介紹過貓用舌頭的挑水凌空喝就是一個很特別的例子. 這影片展示了蜂鳥如何利用特殊的液體陷阱來吸食花蜜. 不同於一般喝水, 吸食花蜜必須深入某個管道才能接觸液體, 以往的假設是以為蜂鳥的舌頭就如同毛細管一樣, 讓液體經由表面張力進入舌頭. 但是最近的研究發現, 其實蜂鳥的舌頭有非常巧妙的設計, 舌頭分成兩半開岔, 上面各有有主要的支撐跟薄膜, 像是竹竿掛了可以捕捉水的網.

當舌頭伸出之後, 舌頭會旋轉張開網, 然後把水補進去網裡, 然後因為表面張力這張補水的網會自動封閉起來, 最後就可以輕鬆把水帶走. 這樣的設計是第一次發現而且補水的過程像是利用表面張力來組裝薄膜, 不需要耗能. 這樣的裝置以後或許可以引導出新的控制液體的方式!


學術文獻

人造海鷗! Ultra-realistic bionic bird

如果看過海鷗的飛翔, 一定會為了牠們可以輕易的在空中停留飛翔讚嘆. 那樣的飛行幾乎不費力. 現在有公司把海鷗的飛行能力帶到人造的鳥類機器人上了. 利用仿海鷗外型跟傳動方式, 在飛行的時候能後像海鷗一樣改變翅膀的取向, 讓氣流產生非對稱性的流動,也加上利用大的尾翼來穩定控方向, 同時因為大的活動翅膀, 也更能利用周圍的氣流來滑行. 這樣栩栩如生的人造海鷗模擬生物的航空設計, 因為更能利用氣流跟自然演化出的流線設計, 或許有一天可以發揮更多傳統固定機翅跟螺旋槳所達不到的效率.

互相救援的螞蟻 ! Ants engaging in rescue behaviors

螞蟻是一種高度社會化的昆蟲, 一般已經知道牠們是利用氣味的化學訊號來交流溝通, 但是這樣的氣味訊號能傳達多少訊息跟多複雜的活動都還正在研究. 這個影片是研究人員把一隻螞蟻稍微黏在尼龍板上, 然後用沙子掩埋起來. 接著放入同群跟不同群的螞蟻下去, 看看會怎麼樣. 研究人員發現, 螞蟻間會互相援救! 會先慢慢把困住的螞蟻挖出來, 然後把被粘住的部分咬開...但是研究發現只有同個蟻后生出來的會互相幫忙! 如果受困的是同種但是不同族群的螞蟻救援活動並不會發生. 經研這樣複雜的活動跟選擇性行為, 研究人員發現螞蟻氣味能傳遞的訊息真的非常豐富, 一方面知道道誰該被救, 該怎麼救, 一方面還有互相辨識親緣的機制!

相關學術文獻

手槍蝦的閃光音爆槍! Pistol Shrimp sonic weapon

產生光有很多種方式, 不過在生物上大約就是螢光跟磷光, 一般常見像是燃燒利用電漿離子發光的機會幾乎沒有. 不過這樣的現象在幾年前被一種特殊的生物打破了, 他就是手槍蝦. 他的補食方式是利用先施力在螯的彈性組織上儲存彈力, 然後一下子放出,讓螯口閉合, 在這同時可以射出一條水柱. 在流體中, 當速度很快的時候, 局部的壓力就會變小, 因為壓力變小, 局部就會有氣泡因為壓力太小而被引發出來(稱為空穴化). 這樣被引發出來的氣泡很不穩定, 當流速下降以後就會塌陷. 因為表面張力所造成的壓力差反比於氣泡的半徑, 所以當縮的越小的時候表面張力帶來的壓力反而越大, 所以氣泡被不斷的加速壓縮. 這種加速的方式就如同音爆一樣. 最後因為氣泡縮小的太快, 對裡面的氣體進行絕熱壓縮, 讓裡面的氣體溫度升高到數千度, 直接變成電漿發生電離. 然後就發出光了. 當然這樣的光不是這蝦子的目的, 氣泡的坍縮音爆才是. 這種音爆可以震昏他的獵物, 然後就可以拖回家了. 這些物理知識也許蝦子不懂, 不過自然卻已經教會他如何使用, 在他身上演化出一種人想像不到的閃光音爆槍!

鯊魚跟魚群的生存之舞-逃命波! School of Fish

很多動物都會有集團運動的行為, 像是常看到的鴿子飛行或是在水族館可以看到的整群魚一起游泳. 這些複雜的運動似乎把個別的個體連接成一個整體的群體. 以往人們不知道動物是如何達到這樣過程. 目前一個被接受的說法是只要遵守一些簡單的規則, 像是個體運動只跟周圍的鄰近的其他個體有關, 想跟周圍個體保持同方向以及保持大約固定的距離. 這樣一來群體的動態就會自己產生,不需要有特定的指揮規劃. 當然生物有這樣的行為應該有演化上的意義, 現在推測這樣的聚集運動在面對補食者的時候有一些特別的用處, 其中之一就知道什麼時候該逃命-只要看著別人的反應就知道有捕食者來了. 該逃跑的訊息會在整體運動的族群裡經由群體運動規則來傳遞, 而這樣的傳度速度使得各別的個體可以很快的反應逃跑, 即使個體沒有看到補食者. 當然這樣的過程就會產生很特殊波動. 這影片是數隻鯊魚要補食整個魚群的的影片. 影片中可以看到當鯊魚進入魚群之後, 鯊魚的周圍的魚會很快的躲開空出區域, 所有的魚都知道什麼時候該躲開. 這樣的過程也同樣可以在老鷹要補食鳥類的時候被觀察到. 這種另類的群體運動訊息傳遞, 似乎是很多動物都有演化出來的保命方式之一.

2010 物理類 Scimage獎最佳影片:蜥蜴水上飄! Jesus Christ Lizard

傳說中只要跑的夠快, 是可以在水上行走的. 當然所有人都失敗了, 不過這種可以在水上跑的動物是真的存在的. 這影片是一種叫做蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)或是被稱為稱為是“耶穌蜥蜴”(Jesus Christ lizard)在水上行走的影片. 因為水的性質跟速度很有關係, 在很高速的時候, 水的表面類似彈性的反應可以對外加的物體產生很大的反作用力 (所以跳水不慎是會真的受傷的). 這種蜥蜴再快速奔跑的時候, 因為腳的構造, 可以把空氣跟腳一起踏入液體, 產生夠大的作用力, 雖然最後腳仍會入水, 不過另一隻腳又快速提供支撐力來抽出入水的腳. 就這樣變成真的在水上跑步. 有人計算過, 只要跑的夠快, 人也可以, 只是速度要是目前人類極限的三倍才行. 不過同樣的原理已經開始有研究人員想用來設計可以在水面行走的機器人.

海豚的超強肌力! doplin power

每每看到影片中大型的魚類或是海豚在水中的泳姿,幾乎就像是在水裡的砲彈一樣,例如海豚的時速可以達30公里以上. 以往科學家不了解為什麼海豚可以游的這麼快, 因為根據計算海豚的肌力負擔不起那個大的推動力. 之前有發展出利用分析氣泡的動態來評估游泳選手姿勢好壞的方式. 方法是在水中注入很多氣泡, 當水有流動的時候只要追蹤這些氣泡就可以知道詳細的流場, 然後就可以計算出游泳物體對流體施的力.利用同樣的方式, 科學家現在也可找出海豚對周圍液體所施加的力, 結果發現海豚肌肉的力量比以往知道大的多, 最大可以施加上百公斤力而人類最好的游泳選手大約只有30多公斤的力. 影片中色彩代表了流場的速度, 藍色代表流動的快的區域而箭頭代表流向.

幼稚還是優勢-猩猩打帶跑! Hit-and-run in gorilla play

在小朋友身上常常會看見打來打去的打鬧, 誰先打誰一下, 誰就要討回來. 這是一種小孩子的遊戲還是有某種演化上理由呢? 這是研究人員研究大猩猩的互動所發現的打帶跑的遊戲模式, 當一隻打了對方一下之後, 接下來的動作就是打的那隻趕快跑(而不是被打的跑), 然後被打的那隻就會追上去打回來, 然後再逃跑. 研究人員分析這是一種動物對待不平等的方式, 希望在互動的程序上取得自己的優勢地位(打人的那個). 這樣的行為就如同在人類身上那樣.

學術文獻

生物群流體-螞蟻大軍! Ants mimic liquids

個別的生物的運動模式要由每種不同生物的構成來研究, 可是當一群生物聚在一起的時候, 他們的行為就會變的比較有一般性, 甚至可以看作一種特別的流體. 一個簡單的例子就是捷運站的人群流動, 當人群夠多又都想走的時候, 就會跟某些對流一樣, 即使沒有外在的引導標示,也會自種分邊移動(流動). 在自然界, 昆蟲的族群在某些場合下會有很高密度的個體聚集在一起, 所以科學家為了想知道這些群體的動態, 就人為的把很多螞蟻推在一起, 看看整體會怎麼運動. 結果發現螞蟻的某些型為可是被視為某種螞蟻流體, 如果一群螞蟻放在水上, 群體會慢慢的散開擴張找邊緣, 就如同點在水裡的墨水. 如果把一群螞蟻倒在障礙物上, 也會看到類似黏性流體的流動. 然後如果把螞蟻群像到蜂蜜一樣, 由漏斗往下倒也可以看到類似流動跟塌陷的情況. 其實流體是一種抽象的模式, 這樣的模式從星系的行成, 地層的活動到玻璃還是真的由分子組成的液體都可以適用. 如果懂其中的一個過程, 常常也可以同時幫助懂其他過程喔!

海耶克跟凱因斯的人群實驗! Fear the Boom and Bust -Hayek vs. Keynes

經濟學討論人群互動的成因跟結果, 不過因為術語跟歷史的分析背景讓主要的故事都變的不能理解或是常常只能看到片面的討論. 以外星人不了解人類動機的眼光來看, 對整體人類而言, 就如同所有的生物一樣, 人能產生對本身生存有價值的事情有兩類, 一類是對外界資源消耗利用, 另一類是經由人類的互動來產生人類需要的東西. 因為金錢是主要人交換互動時所使用的介質,所以關於金錢有很多討論. 影片裡, 以凱因斯的眼光, 只要把金錢注入這互動體系, 就會讓人跟人之間的互動增加, 讓人類所需要的東西經由互動而生產出來. 不管這樣的注入是以什麼樣的名義, 政府投資也好, 舉債也好甚至戰爭也好. 金錢只是人類互動所需的代幣, 重點是讓整體互動增加, 社會才能經由互動來產生價值. 以海耶克的眼光, 好的金錢流動能幫助人的互動產生正面的價值,不好的金錢流動, 只會把人的互動引導到沒有價值的事情上. 如果讓政府可以任意藉由任何方式來控制金錢的注入, 只會讓很多不合理的互動經由這樣的過程產生, 把人互動的因為引導到錯誤的方向而使能產生價值降低, 即使互動的量增加. 另外,就算金錢的量可以人為操作, 可是人類依賴的資源不會因為這樣就增加, 不合理的資本結構除了對人類的互動是浪費, 也會破壞對天然資源的合理使用. 兩種觀點其實是一個故事的兩面. 其實關於資源的利用跟群體的互動. 人類跟其他生物族群都面臨同樣的問題. 只是這樣的故事在人類身上被更多東西所掩蓋了.

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怎麼欺騙口渴的蝙蝠! How to confuse thirsty bats

對動物來說利用周圍的資源跟食物是生活最重要的事, 也利用各種器官跟神經來完成這樣的任務. 蝙蝠利用回聲來對周圍的環境定位跟尋找食物,但是牠們是怎麼找到水來喝的呢? 科學家相信這也是利用超音波來達成. 水面相較於其他物體的表面平坦很多, 也就是說這種表面對聲波的反射特性跟其他的表面都不同. 一般的表面除了反射以外, 有很大部分被散射或是吸收. 可是當一個聲波源到側向到達接近水面的時候, 垂直的聲波被反射回來, 側向的聲波則反射到另一個方向. 蝙蝠只要能分辨這種特性就可以找到水. 壞心的科學家利用了金屬來測試這樣的假說. 因為金屬也是平滑的表面, 也有同樣的反射特性. 影片中可以看到口渴的蝙蝠就真的這麼要去喝金屬表面. 因為這種特性不需要學習, 科學家聲稱這是蝙蝠天生的能力是在神經系統裡就設計好要這樣找水喝的. 這樣找水的天生神經線路是第一次在哺乳類發現.
學術文獻

吸血鬼烏賊的變身! Vampire Squid

除了一般知道的烏賊以外, 在深海有一種特別的活化石烏賊稱為吸血鬼烏賊 Vampire Squid , 牠們在300萬年前已經出現. 不同於一般的烏賊, 這種烏賊的觸手之間有皮膜相連, 當遇到敵人的時候, 可以把皮膜外翻, 整個身體躲到膜的內側, 就像吸血鬼把自己用斗篷包起來一樣. 影片是潛水艇在水下大約一公里的地方所拍到的影片. 烏賊身體是紅色的可是眼睛在燈光反射下會發出藍光. 頭部有像是翅膀的鰭狀構造, 八個觸手上有很長的刺狀突起.

紅眼樹蛙的抖動溝通! Rumble In The Jungle

在動物身上不難發現用聲音作為溝通訊號的例子, 從昆蟲, 鳥類到海豚跟人類都是. 但是在發展出特定的發聲器官之前, 或是在音頻之外, 動物也利用類似的過程在溝通嗎? 聲音是一種機械波, 也就是說其實不用發聲, 用搖的也可以發出. 這影片介紹研究人員利用紅外線觀察, 發現紅眼樹蛙在野外有抖動的行為. 樹蛙會抓著樹枝以12赫茲的頻率抖動. 這種行為被發現是用來警告其他樹蛙這是我的地盤的動作. 搖的越利害的常常就是這地盤的勝利者. 研究還發現, 樹蛙只會搖12Hz的抖動, 但是也只會認這樣頻率的抖動, 不會對任意的噪聲震動有反應, 也就是說這也是一種類似特定聲音訊號傳遞的機制. 其實越來越多研究發現利用震動溝通在動物界是常被利用的機制. 影片的後半有蛇去吃正在孵化的呢蝌蚪, 然後蝌蚪感知震動, 趕快逃出蛇口的過程.

嬰兒的跳舞本能! Tiny Dancers

之前介紹過舞動鸚樂那隻可愛的鸚鵡雪球. 那時候有朋友在討論到底旋律跟跳舞是不是一種生物的本能或是經過訓練的反應. 這次介紹的影片是利用嬰兒來研究. 實驗的過程很簡單, 就是讓120個嬰兒寶寶聽不同的音樂, 然後利用對肢體的運動影像追蹤, 看看他們聽音樂的反應. 結果是幾乎對不同種類的音樂, 寶寶聽到以後都會自己跟著旋律動起來. 即使沒有經過任何教導, 這種身體的運動會自動跟周圍的節奏合在一起. 當然因為嬰兒對身體的控制還不是很完全, 所以會有些拍子跟不上. 這樣的研究支持跟著旋律運動, 也就是跳舞, 是一種本能. 研究還發現, 這樣跟著音樂律動的寶寶會笑的更開心. 有寶寶的朋友請實驗一下吧 :D