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2015年6月4日 星期四

會跑會游還會自我消滅的MIT新微型自摺紙機器人! Miniature Origami Robot Self-folds, Walks, Swims, and Degrades

機器人最基本的組態就是支撐的硬結構,活動的軟關節還有驅動的馬達。以往這些元件需要用不同的材料跟電機結構來完成,最近MIT跟慕尼黑工業大學展示了一種新的可能性-用自組裝的摺紙技術加上磁場激發來做成小的機器人。主要的構造很簡單,PVC跟磁性材料被包覆在兩層以紙或PS組成的薄片中,其中在放置一塊小的釹鐵硼磁鐵,包覆的這兩層薄片先以雷射切割,所以留下了可以彎曲的溝槽做為關節。然後把這機器人放到加熱板上,一但加熱,PVC開始變形,因為所夾的薄片有不同的溝紋,所以就自己摺起來成不同形狀,其中硬的板狀結構跟軟的活動關節也都有了。

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會動的原因是因為有磁性材料層跟中心磁鐵兩個對磁場有反應的材料,所以當外加磁場時這兩種材料間的吸引力就會增加 (物理小知識: 磁場中磁性物質會頃向順著磁場排列且相吸),所以如果加上一個震盪的磁場,這小機器人就會開始抖動起來,如同振動馬達馬達一樣,所以只要整體結構有非對稱性,震動就會造成運動,就可以跑了!(實驗中使用15 Hz的磁場頻率,這跟整體材料的共振條件有關,也是就關節有綸軟跟質量的分布)
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實際操作上實驗中加了四組電磁鐵,所以也可以用磁場強與方向分布控制運動的方向,所以可以做到躲開障礙物這種運動。當然可以產生運動的結構,除了利用震動周期中摩擦力的不對稱來運動外,也有可能靠震動變形中流體阻力的不對稱性來游泳,所以這款磁激發的機器人也可以在水面運動。最後最後,因為材料特性,如果放在可以溶解的溶液中,就會分解了。 整個展示影片如下:


其實,同樣的加熱摺疊原理去年已經展示過了,如同下面的影片,只是去年的馬達是外加的振動馬達,今年變成磁鐵震動...



而振動機器人也是已經熟知的科學玩具,可以參看牙刷機器蟲的運動 ,自我摺疊的實驗在近年也很多,如自己折起來的薄膜! Plastic sheets perform auto-origami,或許下次有心的朋友花些巧思融合一些科學原理,也可以做出更好更厲害的機器人喔~ :D


國外報導參看
http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/origami-robot-folds-itself-up-does-cool-stuff-dissolves-into-nothing


2013年10月26日 星期六

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...  @_@





2013年4月5日 星期五

巨觀自組裝材料的設計! Skylar Tibbits: The emergence of "4D printing"

物體的構成在巨觀世界跟微觀世界有著完全不同的方法,在微觀的世界中,很多物質具有自組裝的能力,可以巧妙的利用物質間的交互作用力組成各種功能性的結構,而在巨觀的世界裡,除了由生物主導的自然界環境之外,幾乎所有的人造物體,都是需要經過設計加工的過程與人為細部的組裝來完成。但是這樣的限制是怎麼來的,有沒有可能利用自組裝方式來完成各種巨觀物體的外型與功能設計?

其實這樣的研究一直有科學家在進行,如介紹過的自己折起來的膜,在巨觀作用的分子魔鬼氈,或是記憶金屬等。但是如果要大規模的設計,就需要一套設計的哲學跟發展方式,這個演講介紹了一些利用物體作用力跟局部材料性質設計所引起的自組裝方式。希望可以利用程設化設計的方式,在材料性質與作用力設計上把微觀自組裝的方式引入巨觀的世界,利用像是振動或是水引起的物理性質變化,來組裝不同的材料。這樣個方式或許最後沒有辦法取代現在的工業製造模式,在是在某些方面,例如介紹過的利用折紙技術做成太空的太陽能板,所是利用氣球網狀結構來做血管支架等,在一些人力難及的地方或許可以有更多好的應用跟創新!


2012年10月30日 星期二

幫蔬果穿上Gore-Tex: 保持新鮮的膜法! Stay-fresh film for fruits and vegetables

生鮮蔬果如果能夠長時間在常溫保鮮,會讓食品的供應流通更加順利,不管是颱風影響的供應起伏或是長距離的儲存運送損失都能加以減少,會對很多人有幫助。因為生鮮蔬果常常必須面對水份的蒸發與本身氧化代謝,如果能提供合適的保水與氣體交換環境,就可以大幅延長保存的期限。這影片介紹了如何使用特殊的包鮮膜來完成這樣的任務。這樣的膜主要的功用是利用疏水跟透氣的表面,一方面讓疏果的水氣難以蒸發,且難已凝結在膜的表面上,一方面讓包裝內的氧與二氧化碳能與外界交換,讓蔬果保持在較正常的環境。實驗中,葉菜類的保鮮兩三天,而柿子可以保存數個月。這膜的概念就像功能性衣服的概念一樣,人可以獲得更好的環境,當蔬果獲得更好的環境之後一些問題也能解決,或許更多的物品穿上和適的"衣服"也會讓這些物品獲得新的生命!


2012年4月6日 星期五

魔術般的變色材料-高分子蛋白石膜! polymer opal film

近年來的研究發現在自然界有很多的顏色是沒有色素參予的,像是金龜子甲殼,蝴蝶翅膀,鳥類的羽毛等。這些物體的色彩都是因為在微小的尺度上有有規則的結構排列,形成所謂的光子晶體,因為有規則性空間結構能反射特定波長的光,而產生顏色。自然界的蛋白石也是一種例子,藉由二氧化矽的小球排列,可以形成各種顏色班塊。下面影片中所介紹的是一種稱為高分子蛋白石膜 polymer opal film 的材質,其中有許多高分子的均勻顆粒有結構排列的固定在彈性體的內部,當受到外力拉扯時,顆粒間的距離就會改變,所以就會因為顆粒間距離的改變 (光子晶體的晶格大小改變) 而反射出不同的波長的光。


2012年4月1日 星期日

愚人節的科學猜謎- 魔術般的變色材料 !

四月一號走在路上不小心被一個影片砸到, 影片中有一個神奇的材料,只要有人一拉, 影片中材料的顏色就產生變化。顏色不是由所染的色料所決定的嗎? 為什麼這種情況會發生呢? 有興趣挑戰機制原理的朋友請把可能的機制跟這種東西的可能的製作方式回覆在下面,答案會在四月六號公布!


2012年3月12日 星期一

太空無重力水膜! Thin Film Physics in Space

水雖然在生活中很常見,但是關於水的性質卻還有很多很少被認識,像是水很黏跟水很有彈性,這兩件事情在一般生活中因為重力還有表面附著力,很難被真的感受到。雖然之前介紹過一些水珠的彈跳,但是常常只能在很小的尺度上或是超疏水的表面上發生。這影片是非常好的實驗影片,一位太空人在空閒時候在太空中做的一些水膜實驗。在地球上,因為重力的因素,沒有介面活性劑的泡泡一下子就會因為重力而破裂,但是在無重力下,單純的水就可以形成水膜。這樣的水膜比一般的肥皂膜厚,所以關於水一些有趣的性質就可以被好好觀察。 影片一開始介紹如何在太空做水膜,接著展示水膜的震動跟撈水珠遊戲,在遊戲中也發現水滴可以在水膜上彈跳。最後介紹在溫度梯度下水所產生的流動。一個重要的發現是水在特定情況下可以反著一般認識的 marangoni effect 而流動,或許這樣的觀察可以解決在一些情況下不能理解的水流運動!


2012年1月22日 星期日

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

2011年12月4日 星期日

彈性的通用導線! Worlds First Elastic Electric/Data/USB Cables - Roboden

所有的電子產品都脫離不了導線的使用,但是很多的場合固定的導線往往因為往復彎折而破損,或是產品本身需要活動延伸,多餘的導線長度會干擾機器本身,這時候如果有像橡皮筋一樣的導線就能改善使用方式,或是更符合需求。這影片介紹一家公司開發的彈性導線,主要是把螺旋狀的電線跟彈性體結合,像是小型的電話線封橡皮筋裡一樣,在讓導線有機械強度外也有很大的彈性範圍。 影片展示這樣的電線可以使用在隨身衣物的上,就像一般彈性衣服一樣貼身,這樣的導線也可以使用在機器人活動關節上或是很多有活動機構的機械上。在未來如果能更多樣化的設計彈性範圍,機械強度跟韌性的話,在不同的場合應該會創造新的應用方式!


2011年11月21日 星期一

橡皮筋熱引擎! Rubber Band Heat Engine

引擎是把熱轉成運動的一種裝置,除了傳統的氣體加熱膨脹以外,其實還有其他種方式,例如之前介紹過的熱泳粒子引擎,或是輻射計 Crookes radiometer。這影片是展示怎麼用橡皮筋做出熱引擎 (在費曼物理裡有提過這例子)。一般的橡皮筋是由糾結的高分子所組成的,當加熱時候因為各個分子段可以動的方式更多,所以就像纏的越複雜的線會越小一樣,加溫的高分子橡皮會因為纏的越複雜而收縮拉緊 (與一般的熱漲冷縮不同)。影片中的燈可以幫橡皮筋加熱,加熱後的橡皮筋因為收縮所以把那部份的邊緣往中間拉一點,這樣一來重心的位置就向沒有加熱的那邊偏移,一旦重心偏移發生,整體就受到一個力矩開始轉動。 雖然是簡單的原理,不過這樣簡單的設計就能把熱能轉成動能,或許有更多聰明的設計可以在不同的場合(太空或是微小化的元件)做為合適的熱能轉換裝置!


2011年11月2日 星期三

水下的魔法隱形斗篷! Underwater cloaking device creates mirage

最近幾年常常有隱形斗篷的科學報導,這類的物質利用特殊的材料空間結構讓光從這類物質的周圍通,所以等效上就是隱形。但是這類的物質常常只能在特殊的波段或是在很小的尺度上被實現,實際生活中可以蓋起來就隱形的材料還不存在。不過,其實自然界早就有類似的效應存在,也就是所謂的海市蜃樓。因為溫度所造成的空氣折射率差異讓光以曲線的方式進行,本來該被看到的東西看不到,而是看到遠方的幻影。同樣的原理現在也在大尺度的材料上實現了,利用奈米碳管纖維做成整片布狀的結構,放入水中後加以通電,因為奈管是導電的,所以會因通電而發熱,而碳管本身的疏水性質也讓碳管布跟水的熱傳效率不好, 所以在碳管布的周圍的液體產生了很大的溫度梯度。這些溫度梯度會改變周圍液體的折射率,所以如同海市蜃樓一樣,會讓經過的光發生偏折。這樣的材料只要挑好合適的照射角度,當溫度梯度一產生,把光被偏折後,原本在布上可以被看到的圖案就像隱形一樣消失了,實現了巨觀尺度上隱形的效果。雖然原理與構造都比超材料的原簡單的多,概念卻是一樣的。這樣的技術或許可以發展出新的隱形科技或控制光的應用!


2011年9月29日 星期四

分子馬達與氫離子的生物發電瀑布 ATP synthase!

生物使用ATP做為能量的貨幣,所以任何需要推動的生物化學反應幾乎都有ATP的參與。但是這樣的分子是怎麼樣源源不絕在生物體裡產生? 這問題很久以來一直困擾著科學家,一直要對最近完整的蛋白結晶與分子的動態量測才漸漸都完成,科學家才發現原來大自然一直以一種非常精密又節能的分子耦合運動來完成ATP的合成。下面的影片就是介紹這樣的過程,在細胞裡的葉綠素或是粒線體的內膜上都有跨膜所謂的ATP合成脢分子 (ATP synthase),這些分子的作用跟巨觀水力發電機非常像,都是藉著讓某種物質由高能往低能流的時候來擷取能量轉換成其他形式。 在生物體體,因為照光(葉綠體)或是氧化有機物質(粒腺體)會產生高能的電子,這些電子經由膜上的一連串電子傳遞鍊,一個一個把電子往更低能的分子丟,然後利用丟電子所產生的能量差把氫離子打到膜的一邊,這樣一來內膜的兩端就是氫離子的濃度差異,然後只要這些氫離子經由流過ATPase,通過設計好的管道(像是旋轉門) 就可以讓ATPase發生轉動,因為轉動會讓蛋白質變形,所以就像用捏的方式把一個個ATP分子給捏出來了。


2011年9月4日 星期日

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。

2011年8月26日 星期五

非平衡軟物質特集: 即將開始的台大課程- 軟物質導論

對科學教育的緣份除了在這網站介紹有趣的科學研究影片跟演講影片之外, 在下月開始即將要站上講台了, 其實會緊張, 本來第一次應該不要讓人知道最好, 等懂得教了在說. 不過這課程不是標準科目, 即使在台大開這麼多課也沒有定期開, 所以應該只有真的有興趣的朋友會來參加. 所以也不是真的擔心, 猜想對這種陌生的課名跟沒有人知道的內容, 選的人一定是有好的理由, 所以也期待著投入這次課程, 把自己眼中看到的科學故事整理說出來, 希望最後能引導出一段豐盛的學習過程, 讓自己跟一起學習的人都更記得這些有趣的故事.

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軟物質是泛指物質間作用力小, 結構型態與功能會受熱擾動影響的物質, 例如膠體粒子, 高分子, 蛋白質與液晶分子等。了解這類物的特性不僅能加深對生物分子的了解,也有助於發展生物檢測技術與功能性軟物質材料的應用。課程以授課,實例與討論交替進行。

修習課程對象:
生物或物理工程背景,希望了解生物分子與軟物質相關原理與應用議題的大學部學生或研究生。

課程目標
這門課程由熱擾動, 膠體粒子, 高分子等的基礎的原理介紹開始, 在介紹完基礎物理機制以後,以材料應用上與生物上的實例來說明這些原理怎麼應用到多樣的軟物質上,希望經由結合理論與實際實驗系統來培養對軟物質整體的認識。 詳細的內容可分為:

1. 軟物質簡介
2. 布朗運動與熱擾動
3. 膠體系統的平衡性質
4. 膠體系統的動態反應
5. 光子晶體與蛋白質結晶
6. 高分子模型
7. 生物高分子與單分子生物物理
8. 高分子溶液
9. 膠體-高分子系統
10. 非對稱材料與自組裝
11. 細胞膜彈性
12. 軟物質的泳動
13. 固液介面

課程要求
預修:普通物理或普通生物
適度參與討論並完成一有興趣的專題報告

參考書目
Soft Condensed Matter,Jones (2002)
Soft Condensed Matter Physics in Molecular and Cell Biology, Taylor & Francis, (2006)
Polymer Solutions: An Introduction to Physical Properties, John Wiley & Sons, (2002)
Fragile Objects: Soft Matter, Hard Science, and the Thrill of Discovery, Pierre-Gilles de Gennes (1996) 中譯: 固、特、異的軟物質 (天下文化, 1999)

2011年8月20日 星期六

非平衡軟物質特集: 什麼是軟物質

因為很多朋友詢問什麼是軟物質與非平衡軟物質, 想想其實雖然介紹分類裡的軟凝態物質的影片已經就介紹了非常多, 可以什麼是軟物質並沒有介紹過, 所以特地寫這篇介紹. 因為是本身的研究領域, 所以或許意見強一些, 真的有興趣的朋友請多看看相關研究 :)

軟物質研究是一們比較新的整合性領域, 一般來說軟物質是泛指物質間作用力小, 結構型態與功能會受熱擾動影響的物質, 例如膠體粒子, 高分子, 蛋白質與液晶分子等. 這們學科的發展基礎是這些看似不同的物質, 其實有一貫的性質與了解方式(相對於多樣化的化學性質), 因為某些作用力跟物理機制, 讓所有的軟物質都分享了共通的特性, 一但這類的特性被了解後, 就可以應用到各種看似不同的軟物質上. 所以軟物質研究除了物理本身的科學問題外, 了解這類物的特性也能加深對生物細胞與分子的了解, 可以了解關於生物分子與生物細胞的物理語言, 在應用上也就能幫助發展生物檢測技術或是發展新的材料的應用等等. 另一方面因為了解軟物質的作用常常會應用到軟物質的自組裝或是微觀結構的控制上, 所以很多現在發展的奈米技術裡其實也都是軟物質物理的一部分. 最下面的資訊是一本對軟物質研究有興趣的人很可以看的書的簡介跟目錄,

固、特、異的軟物質 (天下文化, 1999)
Fragile Objects: Soft Matter, Hard Science, and the Thrill of Discovery, Pierre-Gilles de Gennes (1996)

因為這是本身的研究領與, 也許比較偏愛些, 才想做這特集介紹一些小世界的故事, 希望更多有好奇心的朋友可以認識這真的很特別的領域, 因為總有驚喜跟有趣的科學等著, 也真的跟生活還有很多重要的科學問題相關. 這學期也會在台大開一門軟物質的課, 希望能把這些有趣又實用的研究帶給更多人認識. 或許教完會有更多好的故事可以說 :)

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引用自 博客來 http://www.books.com.tw/exep/prod/booksfile.php?item=0010071756
"
固、特、異的軟物質 (天下文化, 1999)

你知道嗎?固特異先生如何讓橡膠樹汁成為汽車輪胎?消防隊的水柱如何突破極限,拯救高樓的火災?為什麼埃及書記官要在中國墨汁裡加入阿拉伯膠?七彩繽紛的肥皂泡泡竟然也有生、老、病、死!?諾貝爾物理獎得主熱納將以說故事的方式,帶領讀者探尋奇妙的軟物質世界,並激發年輕朋友們的科學熱情與實驗精神,更為青年學子打開一道通往科學研究的大門!

本書作者熱納在得到諾貝爾物理獎之後,經常受邀到各地中學演講,他是個說故事大王,他的演講總是場場爆滿,講題包括介紹他自己的軟物質研究主題、個人研究生涯的轉變歷程、一般科學家的工作以及科學對近代文明的影響。

全書筆調活潑生動,洋溢著青春校園的熱情;內容深入淺出、旁徵博引,充滿了科學大師的理性智慧;再搭配簡明可愛的插畫,更顯平易近人。是一本足以激發年輕人科學熱情與創造力的好書。

目錄
* 導讀 軟物質—新世紀跨學科的前沿科學 歐陽鐘燦
* 序 學校的故事 熱納
* 第一部 軟物質
o 第一章 印第安靴與固特異先生
o 第二章 義大利麵
o 第三章 無管虹吸與跑得太快的船
o 第四章 埃及書記官、阿拉伯膠和中國墨汁
o 第五章 液晶與魚群
o 第六章 鴨子羽毛和清潔劑
o 第七章 肥皂泡與泡沫
o 第八章 脆弱的物體
* 第二部 研究
o 第一章 當個專業研究的科學家
o 第二章 發現
o 第三章 正當的科學
o 第四章 大環境
* 第三部 教育
o 第一章 教育建言
o 第二章 數學帝國主義
o 第三章 一點新鮮空氣
o 第四章 嶄新的旗幟

2011年8月19日 星期五

非平衡軟物質特集: 世界最小的熱引擎

工業革命是從對熱與動力的關係開始, 因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能, 於是熱機開始推動了各種機器, 把人從勞力中解放, 才讓人類的社會進入了一個新的時代. 傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮, 把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用. 但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方, 不是只有像引擎那樣的設計才能做到. 其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動, 當這樣的效應以微觀層次來看的時候, 只有一個粒子放在流體裡, 溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進, 就會看到所謂的熱泳動現象- 粒子會在溫度梯度中運動 - 這個過程同樣是由熱流來產生機械能.

利用這樣的原理, 影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球, 大小只有萬分之一公分. 因為照射光之後, 鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱 (就像陽光下金屬會很燙一樣), 所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動, 粒子自己則往沒有鍍金的方向跑. 利用這種效應, 只要把兩顆這樣的粒子接在一起, 就變成了一個小旋轉引擎, 只要一照光就不停的旋轉. 影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動, 而被固定住的小馬達 (有一半黑黑的粒子) 也因為布朗運動而不停的前後擺. 當一照光之後, 固定的粒子開始旋轉, 因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開, 這實驗證實了這樣的效應存在, 只要好好設計也有很大的效果. 這研究雖然設計簡單, 但卻是貨真價實的熱引擎, 或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來. 其實在自然界的生物中, 各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動, 或許是細胞骨骼的變動,或許是酵素的催化震動. 也許過不了多久, 熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了!

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 - 非平衡軟物質 目錄


2011年8月10日 星期三

非平衡軟物質特集:細胞骨骼的動態運動

不只生物個體有骨骼, 在細胞的層次也有各種分子支架來支撐細胞的外型, 也就是所謂的細胞骨骼(cytoskeleton). 不同於一般的支架, 這些細胞骨骼不僅有被動的支撐, 這些分子的組裝動態也直接關係到細胞的運動. 之前有介紹過吃掉煙麴黴孢子的白血球跟角膜細胞的爬行這兩個很有趣的影片, 都是利用這種細胞骨骼的動態變化來達成的. 但是因為細胞骨骼分子都太小, 所以一般的顯微鏡看不出到底發生了什麼事情. 用電子顯微鏡可以看到的, 可是只能看到死的... 所以分子螢光顯微術又派上用場了!

方法是先把一種會跟細胞骨骼結合的蛋白利用基因改造的方式加上一段螢光綠蛋白GFP, 送回要研究的細胞中, 這樣一來, 當有細胞骨骼形成的時候, 這些蛋白會馬上附著上去, 在藍光激發下發出綠光. 但是問題又來了...細胞是一個立體的結構, 有太多的螢光訊號會互相干擾, 所以用一般的螢光顯微鏡去看, 就只會看到一團綠光, 什麼細微的結構的看不到. 影片裡的實驗裝置是利用一道藍光雷射所自行架設的全反射顯微鏡, 把激發的藍光用超過臨界角的角度射入, 所以藍光的激發範圍只有表面的一小層 (消逝波, 可以想像是藍光在全反射時接近表面的漏光). 這樣一來, 只有表面的螢光蛋白可以被激發到. 接著把會爬的基因改造黏菌放入, 就可以欣賞到的即時的細胞骨骼運動狀態了. 影片中一根一根的光還有在細胞邊界不停產生的"腳"就是這些螢光分子所還原的一類細胞骨骼的動態 (F-actin). 影片是即時的影片, 可以看到在一個會運動的細胞中, 分子的組裝就是這麼動態! 這樣基因改造GFP技巧跟光學技巧可以被用在很多研究, 讓以往只能用推測的分子動態即時的顯示出來. 不僅對科學有用,也可以用來觀測很多不同分子對外界刺激或是跟各種藥物的結合與反應.

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 - 非平衡軟物質 目錄


2011年8月7日 星期日

非平衡軟物質特集: 看見單條DNA與鎖鏈

物質由原子與分子所組成的概念是近代科學最重要的發展之一, 但是因為分子尺度的大小遠小於光學解晰度, 希望能看到單個分子的運動在二十年前還是奢侈的夢想. 近幾年因為螢光顯微技術的發展, 目前幾乎可以對任何生物分子進行標定, 可以在螢光顯微鏡下看到所標定分子的運動, 也因為這樣, 觀測單分子運動就變成一種新的研究方式, 用來得到一些量測巨觀整體性質所得不到的資訊.

DNA是生命最重要的分子, 由長鏈的核酸分子構成, 雖然DNA的結構資訊已經可以從結晶結構得到, 但是如果能看到單條DNA怎麼運動, 怎麼對外力有所反應(例如流體的剪切力或是電場等)不僅得能到關於DNA分子的資訊, 也可以協助例如發展分離DNA等實際的應用. 下面的影片是一個特殊的嘗試, 希望能看清楚DNA是怎麼運動的.

有一類的螢光染劑在跟DNA分子結合的時候才會發出強烈的螢光, 所以只要在DNA溶液裡加入一點這種染劑, 不需要額外的分離洗淨染劑程序就可以看到DNA分子的螢光影像. 一般的DNA影像因為DNA處在3維的空間, 並不容易觀測, 一些研究人員利用很小的空間來侷限DNA在一個平面或是小通道來研究DNA的動態. 不過那樣的實驗因為要設計容器, 所以並不容易. 在影片中DNA都在一個表面上, 表面有用某些化學處理讓表面帶有正電荷, 因為DNA帶有負電荷, 所以只要表面電荷的強度控制的好, 就可以讓DNA類似附著在表面上可以又還可以活動. 利用這種方式DNA的動態就可以清楚的展示出來. 影片中可以看到DNA分子雖然長, 可是不像繩子而是像鎖鏈一樣. 每一段之間都異常柔軟好像可以獨立運動那樣. 因為水分子的隨機撞擊, DNA這種高分子的布朗運動就變成了這種模樣.

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 - 非平衡軟物質 目錄


2011年6月10日 星期五

跳起來的水珠! Jumping Water Droplets

一般的水滴在表面的時候因為表面潤濕的關係, 跟表面的接觸角很小, 常常都是像個半圓形貼在表面上, 一些水珠的動態也因為這種液滴表面的吸附而沒有辦法觀察. 最近因為奈米技術的發展, 可以製造出所謂的超疏水表面, 在這樣的表面上因為有很多空氣的間隙, 水滴幾乎不跟表面吸附, 所以水滴會有大的接觸角, 可以形成完整圓形的水珠. 因為這樣的技術發展, 水滴的動態開始可以在靜止的平面上被研究. 之前科學家在超疏水的表面發現了一個很有趣的現象: 當兩個小水珠融在一起的時後, 融合的水珠會高高的跳起! 現在的物理解釋似乎是當水珠融合的時候表面能降低 (水滴的曲率越大, 表面能越高), 釋放出來的能量轉成整體水珠的震盪而讓水珠跳起. 這現象之前一直沒有被發現到, 雖然很多人都在研究超疏水的表面. 因為這樣的現象只發生在很小的水珠(mm)還有很快的時間尺度上(微秒), 需要高速攝影機配合顯微鏡才容易捕捉到彈跳的瞬間. 很有趣的影片喔!

相關學術文獻

2011年5月27日 星期五

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!


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