lianghsun/Llama-3.2-Taiwan-3B
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如何應用機器人照顧高齡者?可分成生理、心理、社會心理 3 大科技類型 | 臺灣在 2018 年 3 月底已正式進入高齡社會，在八年內更將邁入超高齡社會。隨著少子化趨勢，子女照顧負擔加重，高齡者照顧成為各國高齡照護的發展重點之一。現今機器人技術可以如何陪伴與照顧高齡者，改善高齡者生活品質，同時解決照護人力供不應求的困境？熟稔人機互動、機器人系統技術領域的國立政治大學資訊管理學系副教授簡士鎰認為，目前針對高齡人士而設計的資訊科技，大致可以分為生理、心理及社會心理三種類型：第一為生理類，指的是透過科技量測與記錄血壓、心跳等生理數據，或是提供用藥、輔具使用、復健相關衛教資訊等。 第二為心理類，指的是具備陪伴、深化與朋友或家人間情感連結的科技，典型案例為日本用來預防老年失智、抑鬱症的神經邏輯治療機器人，它同時具有無線語音和視頻傳接的功能，能讓照顧者與遠方的朋友和家人進行溝通。 第三為社會心理類，則是指可以增加高齡人士社會參與或社群參與的科技，例如創建地方社群，深化長者和社區的連結，或是結合人工智慧，根據長者的網頁瀏覽紀錄或偏好，推播相應活動訊息，鼓勵長者走進社會。 若進一步聚焦機器人領域，目前仍以生理應用機器人為大宗，像最早推出的搬運機器人，可以協助照護者移動行動不便的長者，例如將長者從床上搬到輪椅上。之後開發出的復健衛教機器人，則可協助護理師完成工作，例如推播衛教資訊、教導復健活動等，倘若整合感測器或其他資訊系統，機器人還能執行更多任務。 至於心理應用相關的機器人，近十年來也有越來越多創新的應用方式可以與長者互動、聊天及玩遊戲，外形上也越來越擬真，例如有的機器人除了有視覺、聽覺、觸覺外，它的狀態還可以隨著白天黑夜的變化，有時充滿活力有時愛睏，模擬實際生物的生理反應，讓使用機器人的長者就像在養真的寵物。機器人應用設計 2 大重點：彈性與資安「無論哪一種類型的機器人應用，在設計時一定要注意兩大重點，一是具備足夠彈性，二是評估該應用是否會造成長者及其照顧者有侵犯隱私的疑慮，」簡士鎰說。由於高齡人士是個體化差異很明顯的族群，包括居住地區、年紀、退休時間等，都會影響其科技使用習慣與偏好，因此開發者應該從長者角度出發，才能符合其使用需求。 簡士鎰進一步分享過往在某社區共餐中心導入機器人應用的經驗，當時為了讓長者更快速學習，特別在機器人系統結合語音輸入、人臉辨識等功能，希望長者可以用更直覺的方式與機器人互動，但在實際應用後發現，不同長者使用的語言和說話速度差異很大，且每一個的使用姿勢也不同，有人坐著、站著或蹲著，必須加掛更多週邊設備，完備的客製化需求才能貼近不同長者的應用情境。 結合社群力量，加速推動機器人應用在應用推廣上，簡士鎰建議可以結合社區和社群的力量，建立長者的使用習慣。因為目前生產機器人的成本仍然偏高，無法像電視機一般普及，導致長者沒有太多與機器人互動的機會。因此，可以在社區活動中心或共餐中心設置機器人，再結合社工、志工或比較擅長使用科技的高齡同儕的力量，透過旁人的輔助與引導，幫助長者習慣與機器人互動。 面對少子化趨勢，高齡者及失能者的照顧將會是未來必須面對的議題，而機器人可以有效減輕這些高齡照顧者或照護人員的負擔，提升高齡者的生活品質，進而打造一個健康快樂的高齡社會。 |
用呼吸調節負面情緒!專訪中國醫藥大學醫學系許儷絹副教授談如何建立「正向身體經驗」 | 呼吸是維持生命的指標之一，也是調節情緒的重要途徑。中國醫藥大學醫學系許儷絹副教授在 111 年度開始投入「探討身體覺察、情緒處理與體現情緒間的關係」研究計畫，進行身體覺察的科學研究。許儷絹從自身學習瑜珈的經驗切入，發覺當注意力全部集中在身體上時，就能讓情緒和狀態變得更加穩定，因此她開始閱讀如何透過身體舒緩學生焦慮情緒的學術文獻，並在上課時帶領學生體驗「諧振式呼吸訓練」, 慢慢吸氣與吐氣，把呼吸頻率降低至一分鐘六次，將親身體會過的正向身體經驗帶給學生。「做完十分鐘的諧振式呼吸後，學生也發現在接下來我所教授的腦與情緒、溝通理論與技巧、病人關懷與實踐等課程，比較能沉靜下來聽老師在講些什麼，」許儷絹分享學生的回饋令她感到非常驚訝，在連續三個學期的課堂進行呼吸訓練後，她也觀察到學生的焦慮現象有顯著改善。「這個成果讓我相信，好像從身體找到可以幫助學生的方式，是一個對的向度，」許儷絹舉例，當一位學生來到心輔中心尋求幫助，輔導老師主要採取的都是先安慰、瞭解問題原因的認知行為取向方式，但是當學生思緒極為混亂時，常常會伴隨呼吸急促、聲淚俱下與焦躁不安等反應，在這種狀況下，其實比較難聽到輔導老師提供「該怎麼做」的建議，「因此我覺得，如果可以從身體下手，會是幫助學生很好的起點，」許儷絹說。透過身體讓不舒服的情緒停止許儷絹分享，有一次在課堂上，一位學生因為心情不好，所以特別詢問是否有快速舒緩負面情緒的方式。在對答之後，許儷絹發現這位學生平時很喜歡打球，但近日卻因情緒低落而中斷，所以她便建議這位學生保持過去的運動習慣，不要受到心情影響，原因是不舒服的情緒跟念頭，其實可以在運動的時候先停止，並透過運動加深呼吸量，進而達到放鬆身體、舒緩情緒的效果。不過許儷絹也強調，運動不一定會帶來絕對正向的身體經驗，因為如果是被他人強迫，或是進行太高壓的訓練，那麼運動所帶來的就不會是正向的情緒。除了運動之外，像是彈琴、畫畫、烹飪等活動，只要是出自「喜歡」而做的事情，都可以從中得到正向經驗，放鬆焦躁的內心。從小建立正向身體經驗的重要性就許儷絹的觀察，近年尋求心輔中心協助的學生數量顯著增加，她認為「身體經驗不足」就是造成此現象的主因之一。由於現代父母工作忙碌，小孩多半都待在教室、安親班等空間中，比較少有機會進行戶外活動。在爬不夠、玩不夠的狀態下，孩童出現感覺統合問題的比例也會增加，顯現身體活動和兒童成長狀態的高度相關。第二個原因是科技發達伴隨而來的聲光刺激，讓孩子花費許多時間在瀏覽網路資訊及影片，並在緊盯螢幕的過程中忽略眼睛酸澀、腳麻、肩頸緊繃、頭腦脹痛等身體現象。許多人會覺得觀賞網路影音是一種放鬆，但其實這些聲光刺激會造成頭腦不斷運轉、思緒無法停止，讓自己更難覺察身體狀況。許儷絹引述加拿大心理學家 Niva Piran 關於身體經驗的研究，認為每個人現在腦中的自我，都是由身體從小到大得到的經驗綜合而來。如果小時候獲得良好的身體經驗，那麼在面對新環境的時候就會更正面積極；相對地，如果一個人從小就被關在教室內，他的身體就會因為缺乏經驗而畏懼外在的變化。因此若能從小建立正向的身體經驗，這個正向身體經驗也會幫助每個人建立正向的自己。將注意力從網路轉移回自己的身體許儷絹在研究正向身體經驗的過程中，曾蒐集學生飲食態度問卷，進而發現很高比例的學生有飲食失調的問題。造成這個現象的原因，也和身體經驗不足與社群媒體盛行有關。許多人會因為在社群平台上看見身材姣好、外表精緻的人，進而自我檢討、產生自卑感。「大家變得非常重視外表，卻忽略自己的身體其實已經非常緊繃，忘記自己應該靜下來呼吸，」許儷絹提醒，當越來越多人只重視外表卻忽略要照顧自己的身體時，就更難得到正向的身體經驗。許儷絹認為對中小學生來說，比起坐在教室學習，更多身體與社交的活動，會為成長帶來幫助。對於因忙碌而身心緊繃的成年人，許儷絹則建議可以停下來十分鐘做呼吸練習、靜下來覺察自己的身體狀態，並透過這樣的練習把雜亂的思緒淨空後，再裝進新的資訊與想法就會比較容易。不論是透過呼吸、瑜珈、身心中軸練習或是正念覺察，只要是能夠停下手邊的事情，讓專注力能回到自身，都是獲得正向身體經驗的好方式。未來許儷絹也期待將自己所研究的身體訓練計畫拓展至學校輔導、臨床治療與醫病照護等領域，協助更多人找到調節情緒、獲得正向身體經驗的方式。 |
不只應用在遊戲!VR 技術還能結合 AI ,以 3 大效益優化自閉症兒童療程 | 在 2017 年，美國發出全球第一張數位療法的 FDA 認證許可，證實了數位科技在醫療上的成效與價值，也顯示運用軟體或數位裝置來治療疾病的數位療法，將成為醫療產業的新趨勢。而長期關注兒童數位醫療研究的國立中央大學資訊工程學系吳曉光教授，在國家科學及技術委員會計畫支持下，與光電、心理診療、腦科研究、小兒科、軟體開發等不同領域專家組成研究團隊，針對自閉症類群障礙 (ASD, Autism Spectrum Disorder) 發展出一套數位療法，希望自閉症兒童能夠獲得更好的治療，並加速臺灣數位療法的發展。吳曉光說明，「兒童自閉症數位療法」以評估治療患者的社交功能與注意力為主要目標，在軟體上使用團隊自行研發的 ASD 社交功能與注意力模組，以 VR 遊戲的方式，評估與訓練自閉症孩童的社交功能及注意力，在硬體上則結合 VR 頭盔、腦波偵測器、眼動儀、呼吸感測器等裝置，搜集自閉症孩童在遊戲時的反應，並搭配 AI 人工智慧進行數據分析，檢視自閉症孩童是否因為數位療法而增進了社交功能及注意力。「ASD 社交功能與注意力模組裡的 VR 遊戲，都是根據過往心理治療師與 ASD 孩童的互動模式而設計，在搬到虛擬世界後，不只可以省下醫療人力與師長填寫自閉症兒童評估問卷時間，還能記錄完整過程，減少人為主觀的判斷，」吳曉光強調。VR 應用在「兒童自閉症數位療法」的運作模式吳曉光進一步解釋數位療法的運作模式：先就評估面而言，傳統的自閉症評估是非常麻煩、耗時且相對主觀的過程，孩童不只要與心理治療師面談及進行檢測，還需要家長和學校老師填寫問卷，最後才能交由醫師進行綜合評估。而「兒童自閉症數位療法」設計了 VR 虛擬教室，在孩童與虛擬兒童互動的過程中，觀察其腦波反應、行為表現及眼動狀態並給予綜合評分，協助醫師或治療師判斷其是否具備自閉症特質。與傳統評估方式相比，「兒童自閉症數位療法」的效益有三點，首先是可以減少孩童等待檢測的時間，只要為每位孩童安排獨立空間，就可以多人同步進行檢測；再來是可以突破距離限制，即便是位於偏鄉的孩童也能遠距評估，不會受到治療師人力不足而影響療程；最後以數據來判斷孩童的行為表現與生理反應，相對於傳統心理治療師判斷結果較為客觀。再就治療面來看，當確認孩童為自閉症患者後，接下來就進入訓練階段，運用 8 個星期的時間進行社交軟體遊戲，例如丟接球、紙牌、堆積木等，系統會以示範、行為鏈結、口語及視覺提示等方式，引導孩童做出目標行為，進而訓練其社交功能與注意力。AI 結合多模感測技術，讓兒童自閉症治療更精準吳曉光強調，過往與兒童自閉症相關的數位療法研究，多半只蒐集孩童的某一項生理反應，較少有包括腦電、眼球軌跡追蹤、頭部轉動、肢體動作、瞳孔大小以及眨眼頻率等多模態神經感測技術的研究，也沒有對於所有指標進行總體建模分析，更不用說使用人工智慧相關的方法進行數據分析。因此，「兒童自閉症數位療法」突破了傳統限制，將感測器與 VR 裝置結合，同步採集大量的多模態神經感測數據，再透過分離並運算各式特徵 (feature) 的方式，探索對於分類 ASD 具有合適敏感度的生物指標，以驗證觀察到的結果，再結合 AI 數據分析，可以更客觀的與家長溝通孩童在各項指標的表現。「參與本次研究計畫的 ASD 患者，在社交功能與注意力上都有很明顯的改善，」吳曉光說，顯見數位療法對兒童自閉症治療的助益。因此，吳曉光團隊未來將持續尋找更多不同的合作夥伴，希望能延續研究結果，讓數位療法可以真正落地到醫療環境，不只展現臺灣發展數位醫療的能力，更希望幫助更多孩子獲得更精準而有效的治療。 |
探索宇宙黑洞研究成果以及「超巨質量黑洞」的成長機制! | 黑洞一般認為是廣義相對論的產物，但早在 18 世紀，英國的自然哲學家約翰・米歇爾 (John Michell) 和法國著名的數學家皮耶─西蒙・拉普拉斯 (Pierre - Simon Laplace) 就有提出類似的概念。想像我們拿一個排球往上拋，當我們愈用力排球就會飛愈高，儘管排球最後又會受到地球重力的吸引而掉落，但我們知道離地愈遠地球引力就愈小，因此如果向上拋排球的速度夠快，排球就有可能不再掉回地球表面，這個速度就是所謂的「脫離速度」。如果將排球換成一個天體，當天體的重力場大到使物體速度必須大於光速才能脫離，這時甚至連光都無法脫離這個天體，這個天體就無法被看到。從這種概念出發，約翰・米歇爾認為如果有一個直徑為太陽 500 倍、密度與太陽類似的天體，那麼這個天體將無法被看到，他稱這種天體為「暗星」, 如果將脫離速度用光速代替，就可以得到古典力學概念下暗星的半徑：R=2GM/c2。雖然這個半徑是出自古典力學的想法，但其結果卻與相對論中非旋轉的黑洞半徑一樣，另外約翰・米歇爾也提出可以利用周圍天體的運動來觀測暗星的概念，這與現代偵測黑洞的方法幾乎完全相同。古典暗星與現代黑洞雖然半徑一樣，但概念上卻有本質差異。現代黑洞的半徑並不代表一個實際表面，而只是一個空間界線，將黑洞半徑內外的空間分開。現代一些理論認為物質進入黑洞後，會直接往黑洞中心的奇點 (意即一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點) 前進，因此可能沒有物質停留在黑洞半徑處，而且外面物質一旦進入黑洞半徑範圍後，就無法再來到黑洞半徑之外。宇宙黑洞研究的發展進程約翰・米歇爾和皮耶─西蒙・拉普拉斯概念中的暗星都非常巨大，但在 20 世紀後，天文學家開始發現一些質量大約在數個或數十個太陽質量的黑洞。這些黑洞的來源，一般相信是大質量恆星 (超過 25 倍太陽質量) 演化的最終產物。這些大質量恆星在其演化末期成為超新星爆炸 (恆星死亡時所產生的劇烈爆炸現象), 讓恆星外殻向外爆炸，恆星核心則塌縮形成一個黑洞。這種數個太陽質量的黑洞密度非常大，半徑約有幾公里大小，因此在黑洞半徑外圍附近，會具有很強的潮汐力。一般日常生活中的生物或儀器都無法抵抗這強大的潮汐力，因此無法安全到達這種數個太陽質量的黑洞半徑附近，更遑論進入黑洞空間內部探測。另一方面，20 世紀電波天文學 (是指使用無線電波的波段記錄來自天體的輻射發展出的天文學) 的應用，則發現「電波類星體」。這些是非常高紅移 (Redshift, 意即距離非常遙遠) 的天體，這些天體雖然體積極小，卻具有強大的電波與其它波段輻射，像是一個約太陽系大小的天體，就可以放出比整個銀河系更強的輻射。從電波類星體被發現開始，就有許多天文學家猜測它們強大輻射的來源，就是來自內部一個超巨質量的黑洞，然而這些超巨質量黑洞的存在，要一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據。有趣的是，這些黑洞的大小與密度，很類似約翰・米歇爾和皮耶─西蒙・拉普拉斯概念的暗星。超巨質量黑洞擁有大質量的秘密這些超巨質量黑洞究竟如何產生？這是現代天文學一個重大問題。目前已知黑洞都是位在星系中心，像是銀河系中心就有一個質量約四百萬太陽質量的巨質量黑洞，但星系演化與其中心黑洞質量的關聯，目前仍不清楚。例如最近發現許多紅移大於 7 的類星體，但當時宇宙年齡不到 8 億年，大部份星系應該都在演化的初期，但其中心的黑洞質量卻估計有 10 億個太陽質量，讓人不禁好奇這些黑洞如何在這麼短的時間成長到這麼大的質量？雖然黑洞能吸引物質，但大部份物質都有角動量 (Angular momentum, 是指物體轉動時會擁有的一種物理量) 和動能，所以不容易被黑洞吸收，像是太陽雖對地球有引力，但即使太陽變成黑洞地球也不會掉到太陽裡。因此要讓黑洞持續成長，必須有不同質量的天體發生碰撞而損失角動量，進一步掉到黑洞附近；或是當星系合併時，星系的分子雲會與其它的原子雲及恆星碰撞，相對恆星和原子雲具有很大質量的分子雲，便會損失能量和角動量而掉到星系中心的黑洞附近。最近模擬研究顯示，這樣的機制可以讓黑洞在 2 到 3 億年就長到約 10 億個太陽質量，這也許是提供一個早期黑洞快速成長的方式。目前我們比較確定的是超巨質量黑洞與星系演化有關，但其關係為何尚待釐清，例如是先有黑洞才有星系？還是先有星系再形成黑洞？或是兩者同時產生？直到現在超巨質量黑洞的形成仍是一個未解之謎，也是一個值得天文學家持續探究的有趣題目。 |
加速推動 5G 新興應用發展!專訪國立陽明交通大學資訊工程學系林靖茹教授談「軟體定義網路」 | 隨著世界各國陸續進入 5G 商用階段，不只 5G 用戶數正快速成長，相關應用也如火如荼的發展。為了加速 5G 應用發展，打造一個高效率、低維運成本及穩定運作的 5G 基礎架構，成為電信科技研發者的目標，而軟體定義網路 (SDN, Software-defined networking) 則是實現此目標的關鍵之一。什麼是軟體定義網路？國立陽明交通大學資訊工程學系教授林靖茹表示，傳統的網路設備都是由硬體來決定功能，即網路設備在出廠時已被決定具備哪些功能，如果希望使用其他功能，就必須購買新的設備。而 SDN 則恰好相反，它以軟體來決定設備的功能，當使用者想擴充設備功能時，只要透過軟體調整即可，無須額外購買新設備，相對傳統硬體網路設備，更具彈性、維運成本更低。舉例來說，現今很多路由器都具備防火牆功能，在出廠前就已經設定好所能提供的安全監控服務及可以防禦的攻擊型態，但資安攻擊手法變化速度很快，一台五年前出廠的路由器勢必無法抵擋近兩年才出現的攻擊，此時企業可以運用 SDN 特性，將新型態攻擊的防禦方式寫至路由器管理軟體中，便能省下重新採購硬體設備的成本。除了彈性擴充硬體設備的功能，SDN 也能將網路設備化為一台小型電腦進行簡單運算，善用網路設備既有的運算資源，發展出更多網路加值服務，例如結合 AI 進行即監控，及早發現或抵擋潛在攻擊。SDN 在 5G 應用的三大助益「SDN 所具備可彈性調整的特色，使其成為 5G 甚至 6G 發展中，不可或缺的存在，」林靖茹說，SDN 之於 5G 所能帶來的三大效益，包括加速布建 5G 網路基礎架構、提高使用者體驗及推動 5G 新興應用發展。先就加速布建 5G 網路基礎架構來看，目前電信營運商在布建時，遇到最大的困難點在於，過往布建的電信設備有許多都還在服役中，這些設備不僅價格昂貴且數量龐大，倘若全部淘汰，會耗費過高的成本和時間，但透過 SDN 將 5G 技術規格寫入既有網路設備中，即可克服這些問題，達成無痛轉移、加快布建速度的目標。再就優化使用者體驗而言，透過 SDN 管理新舊網路設備，可以讓使用者對網速的體驗更好。林靖茹以新舊網路設備比喻為公司的新舊員工，而 SDN 就像新進管理者，在舊有員工產能不變的情況下，透過管理模式改變 (即利用 SDN 規劃與分配網路流量), 去提升公司效能 (即提高網路服務的效率和品質)。此外，SDN 也可結合 AI 技術進行資料預判，只要事先定義好需要優先傳輸的的封包或資料類型，當 AI 偵測到符合此定義的封包或資料時，就會優先傳輸，確保使用者有良好的體驗。關於推動 5G 新興應用發展，有別於過去 4G 網路主要服務對象為一般使用者，5G 所具備超高傳輸、廣大連結、超低延遲與超高可靠的特性，不只加速 AR/VR、自駕車、智慧交通、智慧製造、遠距醫療等應用的落地，更讓 5G 網路的服務對象變更加多元，除一般使用者，包括自駕車、衛星、物聯網設備等，都有可能成為 5G 網路的服務對象。但在快速發展同時，相對在管理上也必須順應調整，才能確保其網路存取的順暢度，而 SDN 可以彈性且快速調整網路管理原則，比起傳統網路設備更貼近 5G 應用的使用需求。隨著 5G 的發展，未來需要更多跨領域的合作，才能加速 5G 新應用的問世，因此，林靖茹建議，應用開發者不能只站在自己的角度思考，應整合各個不同領域的技術與觀點，讓 5G 應用更完善和貼近使用需求。同時她也期待日後能有更多機制加速促成不同產業的跨域合作，讓臺灣企業有機會藉著這波 5G 風潮，從硬體製造轉型 5G 應用服務供應商，讓全球都能看見臺灣的「軟」實力！ |
走到哪學到哪的時代來臨!專訪國立雲林科技大學技術及職業教育研究所吳婷婷教授談科技導入教育 | 現今人手一機的時代，人們習慣於網路上獲取各類資訊。隨新冠疫情的出現，當時的隔離政策使教學模式鉅變，加上設備提升，讓師生對於科技導入教學的接受度提高。近年來，政府也積極將資訊科技導入教育中，其中最廣為人知的便是「班班有網路、生生用平板」政策。「這項政策是基於『行動學習』的初衷，希望學生可以『走到哪，學到哪』, 打破以往書本和教室帶來的空間限制，透過實際體驗，深刻學習書中內容，」長期致力於研究資訊科技導入教育，倡導智慧學習系統與行動學習的國立雲林科技大學技術及職業教育研究所吳婷婷教授解釋。她指出，平板的使用不僅給予學生不同學習體驗、增加課程互動性，老師更可以透過學生學習軌跡的紀錄，以數據掌握學生學習狀況，進而做出教學上的調整。以數據掌握學生學習狀況的應用實例拿英文科目為例，老師可以透過學生在單字上停留的時間，或是翻閱次數，去掌握全班學生對於科目的理解程度，進而對需要加強的部分做教學調整。除了常見的自然、社會等學科外，科技導入教育的概念也可應用於體育、藝術等多元領域。要將科技導入教育，實際執行則需顧慮更多細節，包含相對應的配套措施及師資人員的培訓等。談及其中的困難點，吳婷婷表示有三大挑戰，分別是：硬體環境限制、班級經營問題、研究人員與第一線教育者的想法落差。面對這些挑戰，她也分享了不同相對應的解決方案。首先是硬體環境限制。吳婷婷以疫情前在高雄教學的研究為例，當地因為網路建設不良，導致平板的教學畫面出現延遲或是無法顯示的狀況，造成學生學習體驗不佳。但隨新冠疫情出現，隔離驅動遠距教學的普及，眾人投入更多資源優化整體硬體設備，也逐漸打破了既有的硬體環境限制。第二大挑戰為班級經營問題。「學生拿到平板通常會有兩種反應：一種是對於拿到新學習載具而過於興奮，將注意力都放在平板上，可能會忽略上課內容或是在平板上亂下載應用程式；另一種是對於新載具感到害怕，怕弄壞平板而小心翼翼，」吳婷婷強調，當使用新載具教學時，老師扮演重要的角色，除了針對不同學習環境設計相對應的教案，例如傳授給學生正確使用平板的觀念或是針對課程設計進行調整，還必須給予學生使用平板時的適當約束，比如學生在上課的連網限制。針對學生的狀況做出彈性調整，才能將平板學習發揮最大功效。最後一個挑戰為研究人員與第一線教育者的想法落差。吳婷婷笑說研究計畫在接觸教學現場後很常需要打掉重練，「研究人員因為脫離學校太久，有時候會把教學狀況想得過於美好，會覺得這些東西或是想法應該沒有問題；但是對於站在教學第一線的人來說，老師們才是每天在接觸學生的人，所以根據長年累積的教學經驗，馬上能看出計畫在執行上的困難。」吳婷婷認為計畫需歷經多次討論、實際演練和修改，以補足雙方的想像落差，使計畫更貼近老師和學生的需求。老師、學生、家長對科技導入教育的反應對於科技導入教育的想法，吳婷婷教授分享她對老師、學生、家長三方的觀察，她表示在疫情前，都市的師生和家長都對於科技導入教育的接受度高，僅有部分家長會針對 3C 用品的使用有健康疑慮；而對非都市區域來說，學生對科技導入教育接受度高，老師和家長態度剛好相反，老師會因為硬體設備不足或是認為科技導入教育的急迫性和必要性低，故接受度不高，家長則是因為工作繁忙而不會排斥校方的安排。在疫情之後，隨著政策規劃與設備提升，整體的師生、家長對於科技導入教育的接受度普遍提高。吳婷婷表示，目前研究計畫正在進行中，仍需持續觀察成效。但她相信，透過資訊科技的導入，延伸出不同的教學與學習方式，無論是幫助學生更有意識的學習，或是協助老師更好掌握學生的學習狀況做教學調整，都會對教育本身帶來正面影響。 |
通訊科技:信號魔法師–通訊系統的調變方式 | 早在二十世紀初期，類比式的廣播系統–調幅、調頻，由於傳播的範圍廣闊，逐漸成為人們生活中接收資訊的一種方式。一九四八年，雪農 (Claude E. Shannon) 發表了《通訊的數學理論》後，隨著時間演進，通訊系統與通訊理論逐漸發展成熟，也因此拓展了資訊傳遞的距離，改變人類生活模式。
直至今日，數位式通訊依照用途不同，有線、無線與通道特性，各式各樣的系統於焉誕生。雖然種類繁多，用途亦有所不同，但是萬變不離其宗，這些系統的使命，即在透過電磁波傳遞訊息。然而如何透過電磁波完成這樣的使命呢？答案就是調變！通訊系統的架構
對於整個通訊系統而言，輸入的信號可以是類比或數位的，將此信號先經過調變，再送入通道，而通道就是傳送端與接收端間的媒介。若是在有線的環境中，以光纖為例，信號透過發光二極體或雷射將光源射入光纖中，光纖便是通道。通常我們以機率模型模擬信號在通道中受到的干擾或衰減，因此只要知道通道的機率模型，便能以數學的方式模擬或分析信號在通道中的變化。經過通道，接收端將信號解調變，信號的傳遞便完成了。
調變與解調變
調變是將信號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的信號特性，把信號從一團混亂中解析出來。
至於轉換的方式有賴於振幅、相位與頻率等特性。因此，如何轉換信號，並且應用這些特性完成信號的傳輸，就是調變有趣的地方。
調變可區分為：基頻調變與帶通調變兩種。在帶通調變的系統中，將信號提升到一個較高的頻率 — 載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。換句話說，信號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準，若是基頻調變則不需要轉換位準，直接轉換波形即可傳送至通道。
基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了，為何還要使用帶通調變呢？因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸，如果每一種應用都把自己的信號直接往通道傳送，所接收到的信號便會混成一團，信號種類越繁多，能夠正確接收信號的機率就越低。所以，我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上，也就是所謂的頻率分工，達成共享通道的目的。
廣播系統的調變
調幅與調頻是日常生活中最容易接觸到的廣播系統，使用的方式極其簡單，但是如何將聲音傳到我們的收音機？調幅是廣播系統採用的一種調變方式，屬於類比調變，在無線的環境下，使用的頻段為 540K 赫茲到 1,600K 赫茲。調幅廣播波長約在 200 到 600 公尺的範圍，屬於中波。除了調幅廣播應用了調幅的調變技術之外，在 3M 到 30M 赫茲高頻中的國際短波廣播，甚至比調頻廣播更高頻率的 116M 到 136M 赫茲飛航通訊，所使用的調變方式也都是調幅。
調幅就是調變振幅，具振幅變化的特性，屬於帶通調變，我們在使用收音機的時候，把載波頻率提升到 540K 赫茲至 1,600K 赫茲之間，調到某電台的動作，就是移動所要接收的載波頻率。
而信號是如何轉換的呢？信號原本是聲音，因此先將聲音轉換為電信號，形成有正有負的信號，調幅要先把信號全部提升為零以上的值，再將頻率提高至載波頻率，就產生了一個調幅的信號。在接收端，解調變只需要將信號通過波封檢測器或者低通濾波器，即可得出解調的信號。
調頻也是廣播系統採用的調變方式，亦屬於類比調變，使用的頻段為 88M 赫茲到 108M 赫茲。相較於調幅，調頻的頻段較高，波長較短。調頻在 28M 赫茲到 30M 赫茲間的調變方式，也應用在太空、人造衛星通訊方面。
簡單地說，調頻是將信號的強弱轉換成頻率的變化，因此，只需要判斷信號頻率的快慢，就可以解調收到的信號。
還有一種類比式的調變–調相，與調頻的產生方式約略相同，兩者最大的差異為前者信號對應的是相位，惟調相在實際應用上並不多見。
脈波調變
脈波調變信號的波形是長方形的，也就是在傳輸一個脈波的時間內，振幅不隨時間改變。脈波調變可分為類比式與數位式兩類。
脈波調變如同前述的類比式調變，針對振幅、頻率與相位三個特性，分別為脈波振幅調變、脈波寬度調變與脈波位置調變。不同的是，脈波調變可直接使用基頻調變。類比式脈波調變採用一對一的對應方式，先將輸入信號加以取樣，信號的振幅轉換為脈波的振幅、寬度與位置，接收端則依照接收脈波的振幅、寬度與位置解調。在光纖通訊中，脈波位置調變是一種經常採用的調變方法。
脈波符碼調變是數位式脈波調變中的一種調變方式，應用最廣。早期的通信，大部分是採用連續型類比信號來傳輸，但由於電腦及網路的蓬勃發展，以脈波方式直接在電腦中處理資料較為簡單與方便，脈波符碼調變乃應運而生。
脈波符碼調變，須先透過取樣，取得與原信號振幅成正比的脈波，即脈波振幅調變信號，再將此脈波的振幅區分為 N 個位階，被分到哪個位階就有其對應的位元組合，得到了相對應的位元即可透過纜線傳輸。在接收端，先將接收信號 k 個位元一組轉換成振幅，再解調回原始類比信號。由於脈波符碼調變信號屬於數位信號，對雜訊的抵抗力高，且可作分時多工的多重通訊，更可透過重覆器，在一段長距離傳輸後重整數位信號。因此，目前長距離電話語音通訊，大都採用脈波符碼調變方式傳輸。
數位調變
如果信號是連續的，譬如說將聲音轉換成的電信號，所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式；如果信號是數位的，也就是 0 與 1 的信號，調變方式將會不同於以往。以下我們為讀者介紹一些 數位信號的調變方式，同時討論的「輸入信號」都是數位的信號，也就是各種 0 與 1 的對應方式。
開關閘
開關鍵將 0 對應到 0,1 對應到 Acos (2πfct), 其中 A 是一個預設的振幅，cos (2πfct) 是餘弦函數，fc 是載波頻率。因此，發射端只需要一個震盪器，與一個開關閘。振幅移鍵的信號沒有完全的利用振幅的特性，使得 0 與 1 對應信號的差異不夠大，因此效能表現並不優秀，應用的機會也較少。
頻率移鍵
二位元頻率移鍵將 0 對應到 Acos (2πfct),1 對應到 Acos (2π(fc+Δf) t),Δf 是一段頻率的間隔，不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。如果與振幅移鍵相互比較，假設傳輸的平均能量相等，兩者有相同的效能，但若以波峰能量相等衡量，二位元頻率移鍵有較好的效能。其缺點是頻寬的使用不具效率，效能也沒有突出的表現。
相位移鍵
二位元相位移鍵將 0 對應到 Asin (2πfct+θ),1 對應到 Asin (2πfct-θ), 其中 sin (2πfct) 是正弦函數，θ 是一個預設的相位，當 θ 為 90° 與 270° 時，會有最低的錯誤率，也稱做雙相位移鍵。假設信號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊，最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣，再判斷信號的正負，便得出解調的信號。大多在無線通訊系統。
經歷了一個世紀多的演進，人類對於通訊的想望帶動了調變、編碼的深度研究。每當夢想延伸，伴隨而來的便是新的考驗，在克服問題的過程中，許多新的想法、突破，如同雨後春筍般地浮現。這些研究的成果實現了曾經出現在腦海、電影中的幻想，日新月異的通訊系統將更加提升人類生活和工作上的效率。 |
板塊怎麼動?同位素和變質岩告訴你! | 板塊運動怎麼知？臺灣人用「地動」來講地震，不但適切、達意，更生動地描述了地球表面板塊運動的活躍性。的確，自從地球形成以來，我們生活的岩石圈板塊，即無時無刻不在漂移，只是速度相當緩慢，如果不是發生地震，一般人可能無法察覺它的活躍性罷了！而在有限的地球表面空間內板塊的運動，必然造成不同板塊間的碰撞、隱沒或錯移，結果就形成了我們所熟知的山脈、裂谷與海溝等多采多姿的地形地貌，也帶來了深具毀滅性的火山爆發與地震等大家耳熟能詳的地質現象。
或許您會問：臺灣的地震是不是會停止？何時開始的？或更深入地問起相關問題，如臺灣島是如何形成的？臺灣島是在上升還是下陷？回答這些問題，首先必須先了解板塊運動的速度、影響的空間範圍與作用的時間等。而這些問題的答案，事實上都可以在岩層中找到蛛絲馬跡。
地球科學家即透過對岩層中的化石、岩石或礦物紀錄的解讀，推斷出岩層生成後的時空演化。例如，在板塊碰撞或隱沒作用過程中，常將下伏板塊內的岩層深埋至地底深部。由於地球內部溫度與壓力結構關係，越往地底深部溫度越高，壓力也越大。因此，岩石即會因深埋而產生變質作用，岩石內的組成礦物因而轉變成另一群穩定於高溫、高壓的礦物相，形成所謂的變質岩。隨著板塊碰撞，隱沒作用的構造運動，部分高溫、高壓的變質岩會被帶至地表。
地球表面由不同大小的板塊組成，板塊的漂移造成碰撞、隱沒或錯移，形成了地球豐富的地貌。(圖 / USGS,wikipedia, 中譯者不詳)
一九五○至一九八○年間，岩石學家利用高溫、高壓實驗與熱力學理論，推導出各種狀況下應有的穩定礦物群。因而，藉由高溫、高壓礦物相或礦物群的出現，我們可以理解板塊隱沒或碰撞過程中，岩層曾被深埋產生變質作用的深度。截至目前為止，從地球表面露出的變質岩被深埋的紀錄，顯示在板塊碰撞過程中，可以被埋至一百公里以上的深度。
然而，利用礦物相平衡反應關係所得的資料，只能提供我們發生深埋變質作用時片斷的空間分布，仍無法了解速率與途徑。如要運用此類靜態資料探討板塊運動狀態，就實用性而言，仍十分有限。
一九八○年代以後，為解決此類問題，近代岩石學研究乃結合精密的微分析技術與反應速率等相關理論，配合定年學方法，發展出所謂變質溫度 - 壓力 - 時間途徑的研究方法，進一步探討板塊運動過程中，岩層遷移的時空演化途徑。就研究形態來說，是從了解靜態紀錄為主的傳統變質岩石學研究，發展為探討板塊運動動態途徑的研究。
地球的時鐘：同位素定年分析
要探討板塊運動過程的速度等問題，「時間」這個參數是絕對需要的。例如，在探討地震發生的頻率、板塊漂移的速度、全球氣候變遷的速率、地殼變形、山脈抬升與盆地下陷等有趣的地球科學問題時，就非得考慮「時間」的參數不可。在地球科學界，研究「時間」這個參數的學問，稱之為定年學。
估計「時間」這個參數的方法有許多種，舉凡一切不可逆反應的結果，都可以當作定年的依據。例如，生物演化的「不可逆」過程，使得我們可以利用生物化石的紀錄，決定地層沈積的先後次序，進而建立起相對的地質年代。然而，此種利用化石所建立的時間序列 (或稱地質年代), 只能提供相對年代，對研究速率或絕對年代而言，仍嫌不夠。
一九○○年代，放射性同位素的發現，開啟了利用同位素定年學研究工作的大門。其基本原理在於利用不穩定同位素會發生衰變作用，由於這些衰變反應都發生在原子核內，且其反應的活化能都比一般化學反應來得高。
因此，同位素的衰變反應不易受到環境因素的影響。也就是說，衰變作用的反應速率可被視為定值。故只要精確地量測礦物岩石內衰變前後的同位素含量，配合衰變速率值 (衰變常數), 即可藉以推估岩石礦物生成的年代。
隨著科技的進步與分析儀器的精進，陸續發現了許多放射性同位素，而各同位素含量與衰變常數等也陸續提出，因此建立起各種同位素定年的方法。
一九七○年代以前，常用的同位素定年方法，例如鈾 - 鉛法、鉀 - 氬法、銣 - 鍶法與碳十四法等，基本上都已發展得相當完備。近年來，更出現鈹 - 鋰法、氯三十六法等可供分析沈積物與地下水年代的方法。
由於越來越多資料的出現，人們發現依據定年分析所量測出來的數據，具有許多規律性，不但可以作為年代參數資料，也提供了許多「時間」參數以外的訊息。
例如，利用同位素分析一塊岩石標本內各種礦物的年代，常發現其年代值隨礦物的不同及同位素的不同而不同。主要原因是元素在礦物岩石形成以後會產生擴散作用，不同的元素在不同礦物岩石內的擴散情形並不相同，有些很容易產生擴散流失，導致能記錄的年代就比較年輕；而不容易產生擴散作用的同位素系統，就會因此呈現相對年老的紀錄。
擴散作用的產生也會隨著溫度的增高而加速，更是擴散系統大小與溫度變化率的函數。換言之，同位素能封存於礦物岩石內，必須有它的所謂封存溫度。一般來說，不容易產生擴散的同位素系統，其封存溫度應該比容易產生擴散的同位素系統來得高。因此，如果能配合擴散理論的計算，定年分析不但能提供年代，更可提供封存溫度的資料。也就是說，如果能結合擴散理論與同位素定年分析，就可以得到礦物或岩石在形成後的冷卻曲線，或冷卻歷史。
同位素定年與擴散理論示意圖 (圖 / 科技大觀園編輯團隊)
就一般情況而言，岩石與礦物形成後，如果一直被深埋於地底深部的某處，由於地球內部溫度結構關係，應該一直維持在某一個溫度範圍內。因此，岩石礦物發生冷卻的情形，只有地殼變動抬升地表的狀況下才會發生。
換言之，如果地溫梯度為已知的狀況下，上述定年分析所得的冷卻曲線資料，應可進一步換算為岩層抬升的速度。當然，如果單選擇一種同位素系統進行區域性系統定年分析，也可以了解板塊變形與移動的情形。近來，臺灣的定年學家利用碳十四定年系統分析斷層的活動歷史與頻率，所依據的即是定年分析資料。
變質岩的妙用：一窺過去岩層深度
類似於同位素的擴散現象，組成礦物的其他元素在高溫下也會產生擴散現象。雖然鍵結於結晶中的一般離子，其擴散現象可能不明顯，但某些礦物卻能完整記錄一般元素的擴散情形。假如能結合相關的擴散模式計算，礦物內元素的分布也可以顯示礦物生成後的溫度歷史。另一方面，一些擴散情形不明顯的礦物，也可以利用礦物環帶成分，推導出各環帶生長過程中的平衡溫度 - 壓力情形。
例如，石榴子石即常呈現生長環帶，其化學成分常呈環帶分布。假設這些離子均屬不易產生擴散的情形，則環帶的成分變化應該可反映各生長環帶的平衡狀態。而石榴子石的生長，可以在不同溫壓條件下進行。
因此，石榴子石的生長環帶，應代表著板塊在隱沒、碰撞過程中環境溫壓的連續反應。利用熱力學定律，石榴子石由內向外的環帶分布，可推導出其平衡溫度 - 壓力。換句話說，石榴子石的生長環帶常可提供岩層的溫度 - 壓力過程。
美國自然科學博物館展出的鈣鋁榴石 (Grossular), 為石榴子石的一種。(圖 / Alkivar,wikipedia)
一般而言，地球內部環境壓力的來源，主要是來自上覆地殼物質的重壓。因此，藉由重力計算，上述所得的壓力值，應該是代表著岩層的埋藏深度。過去二十年間，岩石學家已成功地利用石榴子石的生長環帶，推估出世界主要山脈內岩層過去的深埋與抬升的溫度 - 深度途徑。
兩招分析板塊運動：定年分析與變質岩
誠如上述，定年分析可提供岩層生成後的溫度 - 時間演化歷史，而變質岩石學分析則提供了岩層過去所歷經的溫度 - 深度途徑。這兩類資料的結合，即可了解岩層在過去的歷史中所經歷的時空途徑，也就是板塊運動的演化過程。
以阿爾卑斯山地區變質帶的抬升冷卻歷史為例，阿爾卑斯山上的岩石在二千萬年前曾經是位處於地底約二十七公里深處，隨著造山運動，以每年大於二釐米的速度抬升到地表。這些資訊都是從礦物的定年與化學成分資料，配合相關熱力學與動力學原理解析所得。換句話說，造山運動的過程，可以由微細的礦物顆粒解析出來。
由於板塊運動的速度十分緩慢，緩慢到絕大部分生活在地球上的人類，可能一輩子都無法感受到它的活動性。但如果能藉由上述變質岩石學與定年學方法，有系統地分析各岩層的過去時空演化途徑，則整個板塊運動與相互作用碰撞、隱沒或錯移的方式與演化，就可以一目了然地完全呈現出來，具體顯現「見微知著」的研究工作本質。當了解了這一點，即使是生活在沒有明顯地震活動的地區，也可以明白「地動」的意義，體會大地的活躍性。 |
想要治療癌症、預防疾病,精準醫療是萬靈丹嗎? | 目前在醫學界，「精準醫療」(Precision Medicine) 風潮正夯。但精準醫療真的是治療癌症、預防疾病的萬靈丹嗎？國外學者對此提出不少質疑。知名學術期刊《科學》刊載哈佛學者投書，文章指出，精準醫療建立在一連串的假設，當生物標記、檢測與藥物研發過程任一個環節出錯，便會導致巨額研究資源浪費，患者就醫權益也大受影響。
傳統醫療 療效發揮不到 60%
傳統醫療多講究「標準療程」, 患者治療用藥、療程大同小異。美國統計出這類傳統治療方式發揮療效機率不到百分之六十。目前基因體學蓬勃發展，「精準醫療」不只挑戰傳統藥物治療方式，也讓醫界、藥界更了解為何某些藥物只對特定族群有反應。精準醫療擁護者更希望透過精準醫療為患者量身打造治療計畫，以提升治療反應率。
根據台灣醫學會資料，「精準醫療」是根據腫瘤基因型、個人基因表現、個人健康狀況，以及臨床資料等資訊，量身打造、選擇最適合患者的療程、藥物，或根據這些資訊擬定預防策略，透過這種治療方式，希望讓藥物發揮最大效果，並讓藥物副作用風險降至最低。
菸草可用於製作流感疫苗
精準醫療 研究品質良莠不齊
然而，國外學者質疑，現今許多生物標記以開放科學模式進行，讓參與門檻大幅降低，在提出假設方式、實驗方式沒有一定標準的情況下，研究品質良莠不齊，研究可信度自然大打折扣。
以 2004 年美國食物藥品管理署核准的爾必得舒注射液 (Cetuximab) 為例，這種藥物主要提供給轉移性大腸直腸癌「表皮生長因子受體」呈陽性 (EGFR-positive) 的患者使用，許多健康保險給付將 EGFR 陰性患者排除。後續研究卻發現，此項藥物對 EGFR 呈陰性的病人同樣有效，這表示這款藥物與 EGFR 之間並沒有生物標記、藥物反應率關聯性，這結果不只造成金錢浪費，也讓許多原本可以接受治療的病人，因不符合給付條件而無法用藥。
精準醫療建立在一連串的假設上，當生物標記、檢測與藥物任一個環節出錯，將會導致巨額研究資源的浪費。(圖 / 撰稿團隊提供)
精準醫療研究 需有一致規範
生物標記檢驗標準不一的問題則在乳癌基因 HER2 檢測過程浮出檯面。這些檢驗多以檢視細胞表面特定蛋白有無為目標，但不同實驗室對陽性、陰性判斷臨界值卻沒有統一標準。另外，國外 33 份研究以肺癌標靶「核苷酸切除修複交叉互補組基因蛋白 1」(ERCC1) 為重點，但因診斷方式、測量方法的許多差異，導致結果出現歧異。以上兩個例子都顯示，相關研究若沒有一致的規範、評估機制，便會大幅增加臨床應用的難度。
在今年，美國國家醫學院生物標記、精確醫療相關委員會所發表的文章中，列出十項規範，釐清政府與法人單位的權責，以及衛政、藥檢、保險、臨床與研究機構等相關規範，透過這些規範，希望讓患者不至淪為「不準醫療」的犠牲品。
台灣精準醫療發展腳步遲緩 需更多整合以利進展
台灣生物產業發展協會理事長李鍾熙理事長接受媒體訪問時表示，在精準醫療領域當中，從基因檢測、基因定序，到臨床應用，往往需要投資大量人力。台灣精準醫療發展上，腳步有點遲緩。舉例來說，像台灣人體生物資料庫 (Taiwan Biobank) 與健保資料可以相互比對，但目前兩個資料庫沒有連結，這些都需要政府進行跨部會、跨領域整合，才能有所進展。
責任編輯：呂宗學 |
傷心的歌越聽越悲傷? | 傷心的人聽悲傷的慢歌會更傷心嗎？當你在結束繁忙的工作或是在功課告一段落，想要用音樂來放鬆一下時，你會選擇欣賞那一種音樂呢？是古典、搖滾、爵士、巴薩諾瓦 (Bossa Nova), 或者像民謠一類輕鬆的曲調呢？不過，有時選擇小調般安靜或悲傷的曲子，也是不錯的選擇。
當你在欣賞悲傷的音樂時，其實並不全是為了感受悲傷而選擇這樣的音樂，其實被歸類為悲傷的音樂，和聽了該音樂實際上會感到悲傷是兩回事。日本理化學研究所的研究團隊，以科學實驗的方式進行了這個有趣的研究。
首先，研究人員從俄國作曲家葛令卡的小夜曲中擷取一些段落，這些段落通常會被認為是帶有悲傷情感的小調樂曲，把這些樂段編寫成 30 秒長的曲子。然後，將這段音樂播放給 18 歲到 46 歲的 44 位受試者聆聽，其中男性占 19 位，而女性則有 25 位。
並收集了像「悲傷」、「被憐惜」、「興奮」、或「被震懾」等 62 個形容詞，而這些形容詞所涵蓋的感情強度分佈則為 0 到 4 級，再請受試者判斷「這首曲子一般來說是屬於那一類的音樂呢？」、「這首曲子實際上會引發你什麼樣的感受？」等幾個問題，並針對這 62 個語句的回答當中，歸結出其中共通性較強的幾個要素。發現有「悲傷」、「激昂」、「羅曼蒂克」、「興奮」等 4 種因素被歸納出來。同時也發現到，人們在聽了悲傷的音樂之後，並不一定會產生「這首曲子令人感到悲傷」的實際體驗，反而對樂曲會有一股超越羅曼蒂克的情感。由此可知，悲傷的音樂本身，並不像一般所認為的那樣悲傷，實際上，聽眾是以自己對羅曼蒂克的體驗來認定是這是不是羅曼蒂克的音樂。因為聆聽者自己本身，以適當的悲傷為基礎，雖然是在欣賞悲傷的曲調，卻反而帶來了愉快的感覺。
以往認為悲傷音樂會讓人有不舒服、不愉快的印象，但在本次實驗的結果中，對人類感情組成的方式產生了一個新的觀點，並透過該研究提出一種可能，指出音樂能夠引發相異情感的理由，是因為人們很可能是經由「代理性感情」的存在，來觸動不同的情感。也就是說，當我們在聽音樂的時候，因為聽眾本身並不是處在直接受到危急的迫害狀態，而是處在安全的狀況之中，從悲傷的音樂中，代理性的體會悲傷，在放鬆的情況下，感受悲傷情感中的浪漫情懷，獲得正面情緒。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
責任編輯：陳藹然 | 國立臺灣大學科學教育發展中心 |
二○○一年生物化學與觸媒化學的重大發現 | 美國化學學會所發行的《化學與化工新聞》周刊 (Chemical and Engineering News, C&EN) 選擇了由 2001 年 1 月到 11 月化學相關領域的重要成果做為一年來化學發展的里程碑，並刊登於該刊 2001 年 12 月 10 號的專文中。本刊以該文為本，加上適當註解和國內的讀者共享。本期，我們將談談生物化學與觸媒化學這兩個領域的重大發現。讀者可從該專文中查詢到本文中所提的各項重大發現之深度閱讀資料。
生物化學方面
2001 年在生物化學、生物技術與分子生物學上具關鍵性的發展包括：能幫助藥物進入細胞的分子載運體、具有非天然胺基酸的蛋白質、具無限親和力的抗體─配位體對、發現以往不知道的抗體新功能、耐鹽性植物的培育、一個重要藥物與酵素間的作用機制，以及在醣類化學與結構生物化學方面的一系列研究。
細胞膜是由磷脂質分子所構成的雙層膜狀物，脂質部分是疏水性的，而含磷的部分因具極性，所以是親水性的。而細胞膜就有如三明治一般，面對細胞內與細胞外的部分是親水性，但細胞膜的中間則為疏水性。這種特性造成一般稍大的分子均不容易穿越細胞膜，無法自由進出。這樣雖形成一種物理性的屏障，但也造成一些藥物無法順利進入細胞內而發揮作用。
藥物要在生物體中發揮功效，必須具有足夠的極性才能溶解在生物體液中，但也需具有一定的非極性以便穿越細胞膜。2000 年 12 月在夏威夷舉行的太平洋化學會議，史丹佛大學的化學教授在初步的研究報告中，宣稱發展出一種分子載運體，係由精胺酸或類精胺酸組成的寡聚合體。在常態時有些藥物無法或很難進入細胞中，但當它與此分子載運體結合後，便可迅速且有效地被細胞所吸收。該研究團隊將此技術應用於如環孢素 A 與紫杉醇等藥物上。現在科學家們可進一步採用此分子載運體，把原來不易進入細胞而被埋沒的一些候選藥物發掘出來，並進行臨床發展上的研究。
上述的環孢素 A 是由瑞士山德士 (Sandoz) 藥廠自挪威一處高原土壤中之菌類所萃取出來的，1983 年 9 月由美國聯邦食品藥物管理局 (FDA) 核准上市，它能抑制人體免疫系統，防止器官移植引起的排斥現象，提高器官移植的成功率，這種菌素的發現是 20 世紀醫學的里程碑。而抗癌藥物紫杉醇是由北美洲的短葉紫杉樹皮內所萃取出來的，對治療卵巢癌及乳癌具優異功效，對肺癌與黑色素瘤亦有療效。
科學家們對非天然存在的胺基酸突變很有興趣，因為它們在設計新型蛋白質甚至新生命形式的研究上深具潛力。截至目前，在蛋白質中嵌入非天然胺基酸有兩種主要方法，第一種為停止密碼抑制法，即以化學方式合成轉運核糖核酸 (tRNA), 可攜帶非天然胺基酸，並且能辨認停止密碼。在蛋白質的生物合成 (或稱轉譯) 過程中，當此修飾過的 tRNA 遇到停止密碼時，即會將所攜帶之非天然胺基酸插入。第二種為營養缺陷型微生物法，由於此型微生物無法自行合成某種特定的胺基酸，故此法係將結構與此特定胺基酸相似的非天然胺基酸加入此微生物的培養基中，在該微生物的蛋白質中即可利用此種類似物而形成含非天然胺基酸的蛋白質。今年兩個不同的研究小組分別發展出一些改進的方法，可以創造出含有非天然胺基酸的蛋白質。
前述的第一種方法是由美國研究小組所提出，而該種特殊的 tRNA 很難以化學方式合成，今年他們改用經基因修飾後的細菌來代為合成 tRNA, 可以免除早先需以化學方法合成非天然胺基酸的 tRNA 的困難。
前述的第二種方法是由美國與法國的研究人員所報告的，他們利用一種突變的酵素，誆使細菌將蛋白質中的一些天然纈胺酸單體以非天然的纈胺酸類似物取代之，目前雖然非天然胺基酸的取代率僅達 24%, 但他們正朝向百分之百取代率的方向努力。此種方法可能製造出含新型多胜為基質的生物材料。
鳥素與生物素之間具有高親和力的結合作用，此種具選擇性的結合屬於非共價鍵形式，它們的結合常數為 1014, 科學家常利用此種特性來辨識或標定不同形式細胞上的分子。而加州大學戴維斯校區的研究人員及《生物結合化學》雜誌 (Bioconjugate Chemistry) 的主編將具有互補性的反應性官能基，以分子生物技術方式嵌入抗體與其對應的配位體之特定區域，發展出無限親和力的系統。該系統為一種新式的抗體─配位體，其間的結合屬於共價鍵形式，因此是不可逆的，且兩者之間的親和力為無限大。此新方法之應用範圍較鳥素─生物素的方法更為廣泛，並可能發展出新方法來發現做為特定細胞的影像或治療用途的標的作用物，與不同形式的指示性分子。
抗體的作用類似一種標籤，當它與致病原上的抗原結合後，可將致病原標示出來，使免疫系統更易於辨認進而加以摧毀。除了上述已知的功能外，一合作小組也發現，抗體亦能催化水與單重態氧的作用而形成過氧化氫。研究人員推測，抗體能藉此清除單重態氧而保護細胞不致受其毒害，抗體能產生高反應性的過氧化氫則代表它可藉此直接殺死致病原，抗體的這一項功能是先前所不為人知的。另外，一般空氣中的氧氣處於基態，屬於三重態，它的分子軌域中之未成對電子的自旋方向相同；而處於激發態的氧分子，屬於單重態，其未成對電子的自旋方向相反。
一般說來，當植物暴露在高濃度的鹽分中會脫水而死亡。但是加州大學戴維斯校區與多倫多大學的研究人員創造出經過基因工程修飾後的番茄株，能以海水 (200 mM) 灌溉，並產出外觀健康又好吃的果實。因為研究人員利用基因工程技術讓這種植物製造高量的離子往返轉運蛋白質，此種蛋白質可將多餘的鹽分排除，因此它們並不介意鹽水。若將這些鹽分耐受性延伸至其他種類的作物上，將可為缺乏淡水或含高鹽分土壤國家的農業帶來生機。美國康乃狄克大學的研究團隊也利用基因工程的技術來促進芥草對鹽分與乾旱的耐受性，此種技術可使人類更有效地運用日益枯竭的水資源。
抗癌的天然產物愛克田納西汀 - 743 是一種產自加勒比海海鞘的複雜化合物。在 1986 年首度由美國伊利諾大學奧本那香檳校區的化學教授純化出來。其化學結構在 1992 年確定，並於 1996 年由哈佛大學的化學教授完成其全合成。
在研究了將近十年後，終於確認了愛克田納西汀 - 743 的作用機制，它會與細胞中的 DNA 受損─修復系統作用，進而開發出愛克田納西汀類似物，其臨床實驗已經進行到第二階段。初步的實驗數據顯示，此藥對於肉瘤 (骨癌或結締組織癌)、乳癌、肺癌、與卵巢癌可能極具療效。美國國家癌症研究所的研究人員闡述此藥物一種史無前例的作用機制，發現它具有降低細胞中核酸剪裁─修復系統的能力。美國亞利桑納大學的研究人員也得到類似的發現。愛克田納西汀 - 743 會與 DNA 淺溝中富含鳥嘌呤的區域結合，因而中斷了核酸剪裁─修復系統的作用。該系統是負責將 DNA 在複製過程中所產生的錯誤予以切除並修正，對於細胞正常的複製非常重要。若此系統的能力降低，則有可能造成細胞無法進行正確的 DNA 複製，因而可以阻斷癌細胞的分裂。
美國的研究人員利用高解析的 X 光單晶繞射儀、定點導向突變、核磁共振光譜、與動力學研究等技術，首先揭示了醛醇縮酶是如何經由形成席夫鹼而進行醛醇縮合反應的完整機構。此外，該團隊利用蛋白質工程所獲得經修飾過的醛醇縮酶，做為新奇化合物的合成應用。
研究顯示，在醛醇縮酶的活化中心，水分子是如何調控抓取席夫鹼上的甲基質子，而形成烯胺中間物，以及顯示質子任意混合過程是如何促進反應的進行。
在新疫苗的研發過程中，所需要的各種動物試驗與臨床試驗是相當繁瑣複雜的。一般疫苗都將一種抗原連接於一連接分子上，該連接分子的安全性需通過測試；當使用多種單一抗原疫苗時，其各個不同抗原的連接分子，亦得一一測試。若能開發出一種疫苗，使用單一連接分子接上多種抗原，則不但可減少接種次數，更能縮短繁複的測試工作。
一項由美國研究人員所進行有關醣類的研究中，發展出一種先進的合成方法，可在同一分子上連結多種醣類抗原，即以醣類為基質的抗原區域連結至胺基酸上，再利用胺基酸耦合反應形成一種結合性疫苗。此項工作能得知免疫系統是如何辨識出多抗原並產生反應，亦可獲致新式抗病原物與抗癌疫苗。此次所採用的醣類抗原不僅出現在多種癌細胞的表面，且至今尚未分離出來，因此採用化學合成是唯一可提供其來源的實際方法。2000 年，他們合成了第一個具有多種醣類抗原的單一連接分子，而今年則正朝向含有五或六種抗原的單一連接分子努力。
有些天然物，包括抗生素及抗癌藥物，是由配醣體與天然醣類結合而成，研究者將非天然醣類與配醣體結合，以便研究其有用的新性質。目前利用有機全合成與組合式生物合成這兩種技術可達到此目的，但是均有其局限性。美國的學者發展出一種叫做「醣類隨機化」(glycorandomization) 的技術，使得製造這種含非天然醣類的天然物變得更快且更方便。即以蛋白質工程技術，將醣類活化酵素改良，使之由僅能活化天然醣類，改變為能活化非天然醣類，以便接到有機分子上。初步的結果顯示，它們利用來自細菌生合成途徑的兩種改良過的酵素，已可合成出接有非天然醣類的天然物分子資料庫 。
多醣類一向被認為扮演著重要的生物角色。它不但構成了生物結構的一部分，如植物的纖維素、動物的黏液、細胞基質等，也是一般醣蛋白質，尤其是膜蛋白質的結合物，可以做為抗原。此外，多醣類也與腫瘤的散布、學習與記憶，以及其他的細胞過程息息相關。每種多醣類都是經由多種酵素代謝合成而來，但是，它們詳細的功能卻不易研究。因為很難藉著調控處理多醣類酵素群的表現來關閉多醣類的製造，卻不會同時影響這些酵素所調控的其他生物步驟。美國加州大學柏克萊校區的研究人員藉著提供替代的化學方法，將一多醣類的代謝途徑予以中斷，解決了這項難題。研究者可利用一多醣類代謝途徑中的一個受質的類似物，來干擾此多醣類的生物合成。此項研究讓我們對多醣類的功能、新型抗癌製劑、與多醣類之生物合成的新型代謝抑制劑獲致更多的了解。
綠色植物在地球上扮演著生產者的角色，它們藉著葉綠體進行光合作用，可以把陽光的能量轉為生長所需的葡萄糖，維繫著地球上的生命。葉綠體中的光合作用系統是一種極複雜又龐大的分子，其結構一直是結構生物化學家的極大挑戰。
在歷經十年以上的努力後，德國一個包括生物化學家、物理學家與晶體學家的研究小組確定了光合作用系統 (一) 的高解析度晶格的三維結構，它是進行光合作用時，發生最初數個步驟所在的兩種蛋白質複合體中的一種。截至目前為止，如此大且附著在胞膜上的錯合物之結構被確認過的並不多。這個含三單元體的光合系統中，每個單元體包含了 12 種蛋白質次單元，並附帶著 96 個葉綠體和超過 30 個其他的輔因子。其構造相當奇特，例如，在葉綠體分子的中心具有一鎂離子，它是光合系統中最先接受電子的，此鎂離子並與鄰近的甲硫胺酸中的硫形成配位，這是非常少見的。這種特殊的葉綠體在自然界中是最強的還原劑，何以如此，無人知曉，很可能跟此含硫的配位基有關。它的結構可幫助研究人員了解這複合體是如何收集太陽能，在內部將其傳送，然後利用電子傳遞反應轉變成幾乎推動著地球上所有生命的化學能。
靜電間的作用在許多細胞的運作上扮演著相當重要的角色，例如在神經元中神經衝動的傳導。因此，若能提供大型分子的電荷密度分布圖，將對了解許多生物性分子的結構穩定度、運動、結合作用、機制提供極有價值的信息。一般傳統電荷密度分布圖的計算過程相當費時，分子愈大所需的時間就愈多。在一項結構研究中，一個合作團隊發展出一種電腦計算技術，能建立生物分子結構中的電荷密度分布模式，此分子結構要比任何以往可完成的都還要大。一般靜電模型僅適用於含有五萬個原子以內的構造，但是新的「平行式聚焦」法 (parallel focusing) 可用於比對巨分子、超分子複合體與具有超過一百萬個原子以上的細胞胞器中的電荷密度分布。簡單地說，平行式聚焦的概念就是將要解算的問題分成數個較小的部分，每個部分可用平行式處理，也就是同時使用多個電腦處理器來運算。因此，在一個多處理器超級電腦的運算下，可將運算速度提高 350 倍。
在生物體的蛋白質中約有三分之一含金屬蛋白質，其中許多金屬蛋白質的主要催化中心含有金屬鋅。由於含鋅離子之蛋白質不吸收紫外光─可見光，又因它無不成對的電子，也無法利用電子順磁共振光譜研究，它對核磁共振儀的靈敏度又很低，因此不易用核磁共振技術進行研究。但是對於可以生成結晶的金屬蛋白質而言，是可以用 X 光單晶繞射儀來研究它的結構，不過可獲得結晶的金屬蛋白質卻不多。所以到目前為止，我們仍無法知道在生物系統中，這種重要、具催化功能的金屬到底發生了甚麼反應。以前研究金屬鋅蛋白質時，一般都需要利用替代性探針策略，就是用鈷或鎘取代鋅，因為它們較為容易以光譜學來研究，卻不見得能正確無誤地代表鋅的特性。美國研究人員研發出一種便於觀察金屬蛋白質的含鋅中心的核磁共振技術，將一金屬蛋白質冷卻至近乎絕對零度 (接近攝氏零下 273 度), 如此可增強其對核磁共振的靈敏度，然後利用一種新型探針藉自旋─回聲步驟直接來分析位於鋅位置上的構造與其鍵結。此技術不但可用來探討含鋅的金屬蛋白質，對於含銅與含鐵的金屬蛋白質亦可適用。
觸媒化學方面
化學反應是否容易進行，是由其需越過的活化能高低來決定。而觸媒的功能就是可以降低反應的活化能，進而促使反應更容易進行，這是一般傳統上對觸媒的要求。今天我們對它的要求更高，希望能發展出更具有選擇性的觸媒，成就更具專一性的反應；或是能夠不需在溶劑中即可催化的反應；甚至於不但可以加速化學反應，進而可將原先對環境或人體有毒害的副產物轉化成無害的物質，對地球的環保有所助益。發展新型觸媒與催化技術一直是化學研究的重點。2001 年的重要發展包括：以微陣列為基礎的鏡像選擇性之測量、一種以空氣將有機化合物氧化的可溶性觸媒、能產生水為其副產物的「環保」觸媒。2001 年諾貝爾化學獎也與開發不對稱合成觸媒有關。
過去以高效篩選方式來發掘分子庫中具有鏡像選擇性潛力的觸媒，一直受限於缺乏快速且方便的鏡像選擇性鑑定技術。哈佛大學研究人員發明了一種能夠快速測量觸媒之鏡像選擇性的微陣列方法，可同時決定出幾千個化合物的鏡像選擇性。其即將手性官能基先分別以接觸式的印表機點在玻片上，再以共價鍵方式把待測的鏡像異構物附著於該手性官能基上。然後在每一點加入可和待測鏡像異構物反應之手性螢光探針試劑。其中，綠色的螢光探針試劑是用來偵測一種鏡像異構物，而紅色之螢光探針試劑則用來偵測另一種鏡像異構物。這兩種探針試劑與待測之鏡像異構物的反應速率不同，該過程稱為動力拆解。最後以雷射掃描器來測量玻片上各點之螢光，從各點上所得的螢光值可推算出該鏡像異構物之鏡像超值，而由紅色與綠色螢光之光點比率可決定出該產物之絕對組態。這裡所稱的鏡像超值，是兩個鏡像異構物之間的百分比差。而絕對組態是用來表示手性中心四面體結構的真正立體位向。
美國愛默立大學教授發現一種可溶性的觸媒，是一種三價的金錯合物，結構中含有兩個氯及一個硝酸根配位基，可在室溫下利用空氣中的氧來氧化硫醚形成亞。傳統的可溶性觸媒需在較高溫時方具活性，而此新觸媒僅需在室溫下即可作用，且其反應速率要比傳統的可溶性觸媒快上數十倍。它可摻入化妝品、塗敷物或紡織品中，做為觸媒來氧化空氣中的污染物。亦可摻入士兵所用的皮膚乳膏中，將造成皮膚起泡潰爛的芥子氣 (一種硫醚化合物 (ClCH2CH2) 2S) 氧化而達到解毒的功效。
造紙工業將木材中的木質素去除以形成紙漿的過程中所產生的廢水，往往含有毒的多氯芳香化合物，因此，發展更環保的方法是當務之急。美國農業部森林產品實驗室與愛默立大學的研究人員發現一種較環保且穩定的觸媒，可望應用到紙漿的製程上。該製程所採用的觸媒在水中是穩定的，是由五個多氧金屬化物離子所組成，可利用水中的氧選擇性地氧化有機受質。此系統可望用於發展造紙業中將木材去木質化的最初步驟且不產生廢液。
有兩個研究小組分別在氧化有機化合物的鐵觸媒上有所進展，這些鐵觸媒具環保性與較低毒性，且用過氧化氫做為氧化劑。其中一個小組是哈佛大學教授所發展出的一種新觸媒，可將烯類轉成內消旋性的環氧化物並具高轉換率，其特點是他們所採用的鐵觸媒不太會造成過氧化氫的分解，這是過去使用鐵觸媒時的潛在問題。美國明尼蘇達大學的研究小組則發明一種可將烯類進行雙羥化的鏡像選擇性觸媒。以反式辛二烯為例，該觸媒會促進 2,3 - 辛二醇的生成，其產率為 38%, 其鏡像超值為 82%(表示生成兩種鏡像異構物，其比率為 91 比 9)。這樣的結果，對鐵觸媒而言已經是相當驚人，何況仍有許多改善空間。這兩研究小組的觸媒，均由乙二胺衍生出的配位基配位到鐵離子製備而成。其特點是配位基不貴又容易製造，以過氧化氫做為氧化劑，其副產品為對環境無害的水。
所謂拜爾─偉利格 (Baeyer-Villiger) 反應是將酮氧化成酯或內酯的反應，一般而言均用過氧羧酸做為氧化劑，因此除產物外，反應也會產生等量的羧酸副產物。若能開發出以過氧化氫為氧化劑的拜爾 - 偉利格反應，其副產品為對環境無害的水，將會是有經濟價值且符合環保的製程。西班牙維藍西亞高分子科技大學研究人員發展出一種能加速拜爾─偉利格反應且對環境無害的觸媒，可廣泛地用在將酮類氧化成內酯或酯的工業上，形成內酯的反應亦具有超高的位置選擇性。他們所發明的沸石─錫觸媒是利用過氧化氫做為氧化劑，因而僅會產生對環境無害的水為其副產品。
不對稱合成的研究是要開發出如何才能得到高光學純度或單一鏡像異構物的技術。2001 年的諾貝爾化學獎，頒給在不對稱合成領域中，開發手性觸媒的三個學者，分別是美國蒙山托公司退休研究員諾爾斯 (William S. Knowles) 與日本名古屋大學的化學教授野依良治 (Ryoji Noyori), 他們兩人由於研究不對稱氫化的催化反應之重要貢獻而合得一半獎金。另外，美國斯奎布斯研究所化學教授夏普列斯 (K. Barry Sharpless) 則在研究不對稱氧化的催化反應上具有卓著的貢獻而得到另外一半的獎金 (約 47 萬 5,000 美元)。瑞典皇家科學院宣稱他們三位都發現了在製造單一鏡像異構物的手性觸媒而共享此項大獎。此項發現對學術研究、新型藥物與材料的發展上已帶來新的衝擊，並可應用在藥物與其他具生物活性化合物的工業合成上。有趣的是，野依良治、夏普列斯與法國南巴黎大學的卡港 (Henri B. Kagan) 三人在 2001 年共同得到以色列的伍爾夫獎，該獎項 2001 年亦表揚在不對稱合成化學領域有傑出貢獻者。野依良治與夏普列斯同時得到這兩項國際大獎，但諾爾斯與卡港則僅各得其中一個獎項。 |
自主學習 快樂而投入 | 傳統華人社會普遍認為老師的嚴管勤教，是資質相近的學生會在學業投入與成就表現上有很大差異的原因。然而也有人認為，外加壓力的鞭策雖然短時間可得到明顯的效果，但也會讓學生把讀書視為一件苦差事，一旦畢業之後外力消失，就不會再主動學習，這在當今強調終生學習的社會中並不理想。
政治大學師資培育中心施淑慎教授的研究支持了後者的想法。她在西方文獻中找到相關理論，證實教學環境中若能支持學生發展自主性、培養學生的內在動機，可對學生的學習產生正向效益。
然而跨文化的探討中也有學者質疑，這可能是因為西方文化重視自主性、強調個人主義。這個理論在重視集體主義、以服從長輩為尚的東方社會中恐怕未必適用。尤其華人社會以儒家文化為中心，強調家族價值與家庭凝聚力，重視人與人之間的相依互賴，甚至鼓勵犧牲小我完成大我，因此缺少自主性的氛圍，自我的概念無法充分發揮。
為了驗證這理論在台灣教學環境中的適切性，施教授針對國中生以問卷調查的方式蒐集資料。結果顯示雖然台灣社會中大部分的孩子願意順服師長的期望與意見，但是研究發現如果在教學中老師能以自主支持來激發學生內在動機，則對學生的學習行為和情感投入有正向的影響。
施教授的研究有項特點：她不以學業成績表現為唯一的標準，而是同時考量學生的行為投入與情感投入。她認為理想的學習是讓學生樂在其中，而非僅達到學業成就上所設定的單一指標。研究結果發現學生如果是出於自己的興趣，就可以在學習過程中體驗較多正向的情感；但是如果是外在其他因素所激勵出來的，則學生即使在行為上看似高度投入，但是情感上仍然缺乏正向的表現。
施教授根據這些研究而對教育工作者提出建議：既然學生因外在條件激勵下過於功利的盤算，而較難體會到學習本身的樂趣，為了讓學生能在離開學校後仍願意自動接觸新知，則在教學的過程中應該鼓勵學生的主動性。
在介紹相關理論的時候，施老師會強調該理論的基本假設，其中提到人與生俱來就有某些基本需求 (自主性的需求、追求能力表現的需求、和他人聯繫的需求), 這些基本需求如果能滿足，就會有比較適切的正面發展歷程，甚至可把外在的約束內化為自己的動機。
因為個人有追求自主性的需求和追求能力表現的需求，所以根本不需要老師強加，學生本身就會想做事、想從事活動。既然如此，對老師而言就該提供學生選擇的機會，尊重學生的觀點，不要用強制的方式，而是要把其中的道理原委解釋明白，讓學生能在有選擇與有自己想法的情況下，甘心樂意地從事學習活動。這些點滴的累積就會形成一種情境氛圍，潛移默化地培養學生擁有適應性的動機型態。
最後施教授還強調，雖然研究結果和目前教改提倡的理想很接近，但是教改所強調的快樂學習，容易讓學生以為輕輕鬆鬆就可學會一切東西，而忽略學習其實是要下功夫、花時間的。這樣的迷思容易讓學習流於表淺，這是需要教育工作者深思的地方。 |
一八八二年四月二十六日,達爾文入葬倫敦西敏寺 | 一八八二年四月十九日 (星期三) 下午四點，達爾文逝世。
且不談達爾文劃時代的科學成就，他的一生光是從終點來看，也極為圓滿，可說福壽全歸。人生七十古來稀，他卻能過完 73 歲生日。大限接近時，達爾文自己明白，家人也都有心理準備，彌留時刻有妻子兒女孫輩陪在身邊，他走得了無牽掛。此外，半年前他出版的《論蚯蚓與壤土》(1881 年), 幾個星期就賣出了幾千本，證明他並未昏瞶，創造力老而彌堅。
要說達爾文有什麼遺憾的話，絕不是在生前，可能是在身後吧。他沒有如願葬在生前選好的墓地，就是他住了 40 年的唐鎮 (Downe; 距倫敦 25 公里) 教區墓地–他摯愛的長女安妮 (1841-1851), 與情誼深厚的哥哥依拉士摩 (1804-1881) 都在那裡長眠，他的妻子 (表姊) 艾瑪 (1808-1896) 將來也打算埋骨於斯。他最後葬在英國國教的倫敦西敏寺。於私於公，這都是個十分矛盾的結局。
達爾文自認為是個「不可知論」者，對宗教仍有虔敬之心，但對基督教傳統早有定見。他在寫給家人看的自傳中說:「要知道聖經經文的意思很清楚：不信的人都要受永恆的懲罰，那就包括我父親、哥哥，還有幾乎所有我最好的朋友了。」
他會希望葬在西敏寺裡嗎？另一方面，生物演變論自 18 世紀末起，就公認是個與教會敵對的異端學說。達爾文隻手將過去半個多世紀以來的生物演變論改造成堅實的科學，使人類的自然根源更為顯豁，無神論者更加振振有辭、肆無忌憚 (難怪馬克斯的女婿對達爾文親善極了)。教會怎麼會讓達爾文堂而皇之地進駐呢？這兩個問題都涉及 19 世紀的科學在英國的社會地位。英文裡 scientist (科學家) 這個字，是 19 世紀 30 年代才製造出來的，當時只有富而有閒的紳士階層，才有從事知識活動的本錢。scientist 直到十九世紀中葉才逐漸流通，表示英國的科學家開始有機會成為以「科學」賺錢養家的「職業人」。
達爾文的葬禮其實凸顯的是職業科學家的地位。
職業科學家
達爾文不是職業科學家，他仍然是個傳統型的紳士科學家，一生從未領過薪水，絕無仰事俯蓄之憂，富而好禮，自費研究。他想出以「天擇」(自然選擇) 概念解釋生物演化的理論後，花了 20 年辛勤研究，直到 50 歲才出版《物種原始論》(1859 年), 史稱「達爾文革命」。不過，這本改變歷史的書只是個研究「摘要」。他隨後出版的書，可說全是《物種原始論》的註解。達爾文的專注投入當然是職業科學家的典範，可是我們若不了解職業科學家在當時的處境，逕自譽為典範，未免不食人間煙火。因此，專門在公開場合為達爾文演化論辯護的赫胥黎，特別值得我們注意。
赫胥黎 (Huxley, 1825-1895) 比達爾文小 16 歲，是 19 世紀英國第一批職業科學家的代表。他沒有受過正式教育，在醫院做過學徒，第一份正式職業就是上皇家海軍「響尾蛇號」擔任助理醫師，薪水每季 37 鎊。那時一架顯微鏡就要 13 鎊–超過他一個月的薪水。
赫胥黎隨「響尾蛇號」赴紐幾內亞、澳洲、紐西蘭測量海岸，費時 4 年。他在船上努力研究 (例如海鞘), 寫成論文寄回倫敦發表。因此他 1850 年回國時，已有聲名，不到一年就成為皇家學會會員。但是，這個榮譽卻給他帶來了困擾，因為當選會員後就必須繳交年費 14 鎊–超過他一個月的薪水。
皇家學會會員的身分並沒有給他帶來什麼好處，他找不到職業科學家的職位 (教學 / 研究), 只能靠打零工過活，例如在博物館整理標本或者翻譯。他雖然繼續研究在海上帶回來的標本，可是報告完成後卻沒有錢出版。他一直撐到 1854 年才時來運轉，在政府的礦務學校擔任教授，並在幾個公私機構講課，正式成為科學傳道人。這一年他的收入超過 500 鎊，終於可以將澳洲的未婚妻接來結婚了。(可是根本不用做事的達爾文，這一年的收入是 4,603 鎊)。
學術政治
歐洲的傳統社會講究的是門第與階級，知識活動本來就是上流社會的使命與裝飾。職業科學家出現後，為了與知識玩家競爭，不得不以精湛的學術、嚴謹的紀律證明自己的價值。為學術而學術的學術人逐漸成為知識社群的骨幹後，門第、家世反而成為裝飾了。同時，謹守學術紀律有時還是最好的自保策略。
演化論從 19 世紀初以來，就是社會底層激進份子的革命工具，達爾文對這一點十分清楚。因此，刻意謹守學術分寸，知之為知之，不知為不知。赫胥黎發明「不可知論」也出自同樣的考慮。他們反對特定的教義，但絕不因而無限上綱、激情演出，質疑宗教情操。他們都對「無神論者」的恭維敬而遠之。
達爾文的死訊傳出後，他的同志、戰友–新興的科學傳道人–立刻四處奔走，他們對戰略目標有高度的共識：將達爾文送入西敏寺，凸顯科學的地位。他們的策略很簡單：訴諸愛國情操，將達爾文比擬成牛頓。想來達爾文本人對這兩點都不會有異議。
最後呈送西敏寺教長的陳情書，由自由派國會議員拉博克 (John Lubbock, 1834-1913; 達爾文的鄰居、銀行家、科學家) 出馬，赴下議院徵求連署，很快就有 20 位議員簽名，可見新興科學人的勢力。西敏寺中也有人支持職業科學家的呼籲。這一點也不令人意外，因為教會一向是基督教世界中的學術堡壘。後來俗世學術機構興起，教會中的學術傳道人也扮演了重要的角色。達爾文當年在劍橋大學受益最多的良師植物學教授韓斯洛 (John Henslow, 1796-1861), 其實本職是英國國教的牧師，而不是大學教授。
達爾文的葬禮中，女王、首相，甚至達爾文夫人都沒有出席，更彰顯了科學的主角地位。達爾文的下葬地點，離牛頓只有幾步之遙。到場的英國科學界大老，以及美國、俄國、歐洲各國代表，都是為了他的科學成就而來的。
科學與宗教
科學與宗教的關係，在《物種原始論》之後一直處於緊張狀態，是不爭的事實。在達爾文入葬後第二天，倫敦艦隊街上的一家鐘表公司就發函給馬丁銀行，結束公司的帳戶，理由是公司負責人出席了達爾文的葬禮，等於支持達爾文的異端學說。這封信的結尾是這麼寫的:「最後審判日就要到了，到時候大火會降臨大地。誰說的才是真理，是上帝？還是達爾文？那時候我們就知道了。」這封信讓人覺得有趣的地方，反而是提醒我們：西方的科學與宗教若非同出一源，大概也不會這麼勢同水火了。
【科學史上的這個月】 |
蟹狀星雲與超新星爆炸 | 人人都愛看節慶中的煙火，砰然一聲煙花四射，絢爛光華瞬間在夜空中綻放，短暫的光之舞曲，令人驚豔、讚嘆、留戀。在浩瀚的星空中，也有如煙花一般瞬間燦爛四射、光芒耀眼令人驚豔的超新星爆炸事件。超新星，星空中的超級煙火秀，是重質量恆星死亡前的璀璨，是獵星人最渴望的獵物。只要在銀河系統中發現超新星，立即成為全球矚目的對象；例如 1987 年在大麥哲倫星系中發現的超新星 1987A, 就使得所有地面望遠鏡與太空望遠鏡，只要能夠看見超新星 1987A 的，都暫時終止原先的任務轉而對準這顆超新星。
日本與美國一些彗星狩獵者，早在 1980 年代就覺得搜尋彗星已經不再具有挑戰性，轉而搜尋超新星。只是，絕大多數發現的超新星都屬於遙遠的星系，再怎麼光輝燦爛，在數百萬光年至數億光年的遙遠距離外，看來也只不過是個小光點。而太陽又位於銀河系內塵埃密布的盤面上，無法穿透雲塵看到遙遠的星光，因此只能被動地等待附近的超新星爆炸事件。
在望遠鏡發明以前，歷史上有三顆最著名的超新星：1054 年發生在天關 (今金牛座) 的中國超新星，1572 年發生在仙后座的第谷超新星，以及刻卜勒在 1604 年發現，位於蛇夫座的刻卜勒超新星。再來便是轟動全世界的超新星 1987A, 於 1987 年 2 月被發現位於大麥哲倫星系中。大麥哲倫星系是我們銀河系的衛星系之一，距離只有 17 萬光年，從天文學的觀點來看，1987A 近得就像在隔壁的房間一樣。
發生於 1054 年的中國超新星，在中國古書上稱為「天關客星」。中國古代常將許多異常的天象紀錄稱為「客星」, 表示天上原來沒有這顆星，突然出現一陣子又消失了，像做客一樣，所以稱為客星。經過考證，發現其中有些客星是彗星，但有些確是超新星。
天關客星
《宋史會要》分別在 1054 年與 1056 年詳細記載了天關客星發生與消逝的經過。先是「至和元年五月 (1054 年 7 月 4 日) 楊惟德言：伏睹客星出，見其星上微有光彩黃色。謹案皇帝掌握占云:『客星不犯畢，明盛者，主國有大賢。』乞付史館，容百官稱賀」。兩年後的四月，同一書記載:「客星歿，客去之兆也，守天關，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日」。
中國星野中的「天關」大約位於金牛座牛角尖附近；「畢」為二十八星宿之一，位於金牛座頭部。「守天關」表示停留在天關，沒有移動，明顯表示不是彗星。最亮時比金星還亮，光芒亮到連續 23 個白天都可以看見，一共出現 653 天才消失。由天關客星的亮度、變暗過程的描述，都符合超新星的情形。
宋朝天官楊惟德將天關客星做為占卜之用，認為客星不在「畢宿」出現，表示國有偉大賢能的君主。客星消逝後，便成為陳年往事，埋沒在浩瀚的典籍之中。
蟹狀星雲發現史
滿天星斗中，如果有任何明顯的異常現象，很容易引起注意。伽利略在 1609 年將自製的望遠鏡對著天空，觀察月亮、金星...... 之後，開啟了一扇通往宇宙深處的天窗。天文學家競相製作更大、更好的望遠鏡，來觀察種種天象。很快地，許多人注意到星空中除了星星以外，還有許多模糊、像雲一般的天體，稱為「星雲」。
英國人畢斐斯 (John Bevis, 1695-1771) 在 1731 年第一次注意到金牛座牛角尖附近有一個黯淡的星雲。隨後，法國業餘天文家梅西爾 (Charles Messier, 1730-1817) 在 1758 年 9 月 12 日晚上搜尋彗星時，也發現同一星雲。他原先以為是彗星，但失望地發現它動都不動。這使得梅西爾開始製作一份星雲目錄，免得誤認這些星雲為彗星而空歡喜一場。梅西爾在 1764 年出版的星雲目錄中，將金牛座發現的星雲編為第一號，因此稱為「梅西爾一號」, 簡稱 M1。
此後，許多天文學家如柏德 (Johann E. Bode, 1747-1826)、赫瑟爾父子 (William Herschel, 1738-1822 and John Herschel, 1837-1921) 都觀察過這個星雲。其中，羅斯爵士 (Lord Rosse, 1840-1908) 用當時最大的 36 吋反射鏡，在 1844 年觀測並描繪 M1, 發現它有許多絲狀體，看起來像蟹腳。羅斯爵士在 1848 年出版的一份天文目錄上用了「蟹狀星雲」的字眼，便一直沿用到現在。
蟹狀星雲在膨脹中
兩百多年來，蟹狀星雲一直是天文學家最喜愛研究與觀測的對象之一，只要有任何新技術，都會用來觀察蟹狀星雲。例如，天文攝影、電波望遠鏡、光譜、X 光天文衛星、哈伯太空望遠 鏡......, 都在最初階段就用來觀測蟹狀星雲。
第一張蟹狀星雲的照片是在 1892 年攝得，而史力佛 (Vesto Slipher, 1875-1969) 在 1913 至 1915 年拍攝蟹狀星雲的光譜，發現其中的譜線分裂成兩條，顯示星雲中有一部分靠近我們，有一部分遠離我們。顯然的，整個星雲在膨脹中，面向我們的部分在靠近中，背向我們的部分在遠離中。
在 1921 年，各地的天文學家對蟹狀星雲有不同的發現。其中羅威爾天文臺 (Lowell Observatory) 的藍姆藍德 (C. O. Lampland, 1873-1951) 使用口徑 42 吋 (85 公分) 的反射鏡拍攝到一些非常好的照片，他注意到星雲中某些單獨的區塊在移動與變化著。美國威爾遜山天文臺的杜坎 (J. C. Duncan, 1882-1967) 比對兩張相隔十一年六個月的照片，發現蟹狀星雲以每年零點二角秒的角速率在膨脹著。隆馬克 (Knut Lundmark, 1889-1958) 注意到蟹狀星雲的位置，與中國 1054 年天關客星的位置相符合。
如果蟹狀星雲一直以相同的速度膨脹，則應推算至 1054 年左右開始膨脹；若是考慮到膨脹速度會減緩，則回溯的時間會比 1054 年還要早。但是依據多位天文學家的測量與計算，蟹狀星雲的起點比 1054 年晚了一百年左右。例如，巴德 (Walter Baade, 1893-1960) 在 1942 年經過比較精確的比對分析，反推蟹狀星雲是在 1180 年爆炸的，他隨後又修正為在 1140 年左右爆炸。這顯示蟹狀星雲中的物質膨脹有被加速的情形，才會在比較短的時間內膨脹成目前的大小。顯然地，必須依據更多年代的數據，才能找出蟹狀星雲膨脹的模式。
蟹狀星雲、波霎與中子星
第二次世界大戰結束後，電波天文學興起。澳洲積極發展電波天文學，波頓 (John Bolton) 與史丹利 (Gordon J. Stanley, 1922-2001) 在 1947 年捕捉到金牛座有一個強電波源，稱為金牛座 A, 他們認為金牛座 A 電波源是蟹狀星雲發出來的。
當無線電脈動星 (簡稱波霎) 在 1967 年被休許 (Antony Hewish) 與他的研究生喬瑟玲。貝爾 (Jocelyn Bell) 發現後，電波天文學家使用位於波多黎各口徑三百公尺的巨大電波望遠鏡，在 1968 年 11 月 9 日偵測到蟹狀星雲中有一個無線電脈動星，每 0.033085 秒脈動一次，即每秒鐘脈動 33 次。兩個月後，在 1969 年 1 月 15 日發現它也是一個可見光脈動星，因此被用變星的命名方式稱為金牛座 CM 星 (CM Tau)。
天文學家早在 1930 年代就提出中子星的理論，但被視為純粹是理論上的產物而非實際上的物體，所以沒有引起太大的注意。直到波霎的發現，中子星理論才被用來解釋波霎的現象。依據天文物理的計算，一個質量比太陽大三倍以上的恆星，在其演化末期可能經由超新星爆炸，將恆星本身炸碎四散，而中心物質則被擠壓成密度極大、直徑約為數十餘公里的天體，其主要成分幾乎都是中子，所以稱為中子星。
中子星很小，自轉速率很快，慢的約數秒轉一圈，快的一秒鐘可以轉數十圈以上。溜冰選手在定點轉動時，兩手伸張時轉得比較慢，當瞬間將兩手縮回抱著自己或往頭的上方併攏時，轉速瞬間加快。同樣的情形也發生在中子星上，當超新星爆炸時，一個體積為太陽體積一百萬倍以上的龐大超巨星，縮成一個直徑數十公里的中子星，自轉速率被加快數百萬倍以上。
天文學家認為蟹狀星雲中的波霎，是一個直徑 10 公里、快速自轉的中子星，每秒鐘轉 33 圈。在可見光波段，它是一顆 16 星等的暗星，其絕對星等大約是 4.5, 比太陽亮一點。用可見光、紅外線、X 光、無線電波，甚至珈瑪射線，都觀測到脈動的現象，表示它是一個年輕的中子星。隨著時光消逝，中子星一直消耗能量，自轉的速率會逐漸減慢，首先珈瑪射線的脈動現象會消失，再來是可見光的脈動停止，最後只剩下電波脈動。經過約一百萬年以後，脈動現象會隨著自轉太慢而不復見，就成為一個沒有「波霎」現象的中子星。
中子星的性質與一般恆星不同，光是體積小、密度大這件事就顯得非比尋常。中子星的質量約為太陽的兩、三倍，但體積卻比太陽小了一兆倍左右，也就是說密度比太陽大了一兆倍左右。用一個小湯匙舀水，水重大約一克，而舀一小湯匙中子星的物質重約數千噸。如果將一小湯匙的中子星物質放在天秤的一邊，另一邊必須放上一艘「鐵達尼號」之類的郵輪才能平衡。
另外，一般恆星發光發熱是由中心區的核融合反應提供光與熱，而中子星並沒有核融合反應，只是靠著形成時的高溫散發輻射，以及帶電粒子在強大磁場下所發出的輻射。中子星擁有強大的磁場，磁場強度高達數百萬高斯以上。以地球做為比較，地球表面平均磁場強度約為半高斯，而一般屬於文具與玩具類的磁鐵約有數十高斯。
物理學家早就知道帶電粒子有加速運動，就一定會發出輻射，而且加速越大，輻射能量越高。加速能量最低的發出無線電波，能量高些則發出可見光，更高的則發出 X 光，甚至珈瑪射線。雪可夫斯基 (Iosif Samuilovich Shklovsky, 1916-1985) 在 1953 年提出同步加速輻射的理論，是說在磁場中運動的電子，會繞著磁力線運動，並且隨著磁場強度的增強而加速，發出輻射。由於同步輻射具有偏極性，因此很容易辨認。使用偏光鏡可以輕易地確定光源是否具有偏極性，而且可以量出偏極化的方向。這種同步輻射與一般因為溫度高低所發出的輻射不同，所以又常稱為「非熱輻射」。依據觀測，蟹狀星雲所發出的電波、可見光、X 光...... 都具有偏極性。
許多人都知道指南針所指的北極，並不是地理北極而是磁北極，也就是說，地球的磁北極與地理北極並不重疊，磁北極隨著地球自轉繞著地理北極轉。同樣的情形也發生在中子星上，中子星的磁北極與地理北極並不重疊，中子星的磁北極也隨著中子星的自轉而快速地繞著地理北極轉。在中子星南北兩個磁極區域的磁場最強，所以由極區發出很強的輻射。如果中子星的自轉軸角度傾斜適當，則當中子的磁極區對著我們時，可以觀察到由磁極區發出的輻射；而中子的磁極區轉到背面時，就看不見由磁極區發出的輻射了，這就形成了類似燈塔或警示燈一閃一閃的脈動效果。天文學家相信，波霎便是快速自轉的中子星所發出來的電波脈動。
到目前為止，哈伯太空望遠鏡是人類製作光學品質最精良的望遠鏡，是高科技產物下的藝術精品。哈伯太空望遠鏡在 1990 年進入環繞地球的軌道後，不負眾望傳回許多令人驚艷的影像。在 1996 年拍攝的蟹狀星雲影像中，顯示蟹狀星雲中環繞「波霎」的區域，產生了往外傳播的波動，而且傳播速度高達光速的一半。另外，也觀察到在兩極沿著自轉軸外移的噴流，在這噴流的尾端還可以看到震波高速掃過周圍物質累積成的弓形波形。
蟹狀星雲與 X 光
由於地球大氣吸收了對人體有害的 X 光，來自太空的 X 光在高空四十多公里處就被吸收殆盡，因此無法在地面上進行 X 光波段的天文觀測。早期的 X 光偵測儀是載在探空火箭上，升入大氣對流層以上的高空去偵測太空中的 X 光源，其解析度並不高，無法確定 X 光源的精確位置。
金牛座是黃道十二星座之一，月球軌道大致與黃道相近，月亮大約每隔十年會有幾個月的時間經過蟹狀星雲。美國海軍研究實驗室 (US Naval Research Laboratory, NRL) 的佛萊德曼 (Herbert Friedman) 及其研究群，利用月球經過蟹狀星雲的機會，在 1964 年藉載有 X 光偵測器的探空火箭進行觀測，確定蟹狀星雲會發出 X 光，並且清楚顯示 X 光並不是局限在其中一個點源上，而是整個蟹狀星雲都發出 X 光。這是第一個被確認的太陽系外的 X 光源。計算顯示，蟹狀星雲在 X 光波段所發出的能量，是太陽所有輻射總能量的一千倍。
哥白尼 X 光天文衛星在 1974 年 10 月 7 日利用月球經過蟹狀星雲的機會，證實整個蟹狀星雲大致均勻地發出 X 光，也顯示蟹狀星雲發出 X 光範圍的中心與波霎並不重疊。同時，利用探空火箭也觀測到同樣的現象。這種情形顯示，電子被強大磁場同步加速的過程遍及整個星雲，並不是只限於在波霎附近。而且，強大的磁場能夠將帶電的游離氣體加速，就說明了星雲膨脹加速的原因。
錢德拉 (Chandra) 是目前解析度最高的 X 光太空望遠鏡，解析度小於一角秒，相當於分辨在一公里外的一元硬幣大小。所拍攝的蟹狀星雲影像整體呈現模糊狀的鐘型，波霎周圍呈現明顯的環狀，內環直徑大約是一光年。而一道噴流狀構造延著垂直環狀的方向由波霎處噴出。
蟹狀星雲距離我們約 6,300 光年，直徑大約是 10 光年。總亮度大約是 8.4 星等，因此很容易看見它。比較各波段所拍攝到的蟹狀星雲影像，顯示 X 光範圍最小，無線電波範圍最大。錢德拉 X 光所拍攝的影像大約是可見光星雲的 40%, 但是可見光影像大小只有無線電波影像的 80%。
中國宋朝在 1054 年第一次觀測到天關客星，歐洲在 18 世紀注意到蟹狀星雲，到了 20 世紀初期發現蟹狀星雲在膨脹中，而蟹狀星雲中的波霎約在三十多年前被發現，上下歷時一千年，並且伴隨著電波望遠鏡、X 光望遠鏡、光譜...... 等技術的進展，才見識到蟹狀星雲的各種面貌。同時，也伴隨著同步加速輻射、中子星、重質量恆星演化等理論的發展，才將天關客星、蟹狀星雲、超新星與波霎等串聯起來，也才對超新星與蟹狀星雲的本質有具體的認識與了解。重現了重質量恆星演化末期的情節，了解經由超新星爆炸後，產生中子星與波霎的機制，以及殘骸膨脹的各種性質。
蟹狀星雲事件顯示天文觀測與紀錄的重要性、天文學傳承與開創新局的關聯，以及理論與技術相互激盪所產生的波瀾。正是這種多元與創意的環境，才認識到原先個別獨立研究的事件不過是重質量恆星在演化末期的一連串過程：蟹狀星雲、中子星、波霎、同步加速輻射......, 有如一顆顆晶瑩剔透的珍珠，天文學家匯集所有「珍珠」後抽絲剝繭，整合成一串「貫穿全局」的珍珠項鍊。
附錄
角度的單位是度、分、秒。一度有 60 分，一分有 60 秒。為了與時間單位的時分秒區別，天文學家把角度的分與秒稱為「角分」與「角秒」。
偏光鏡是一種濾鏡，只讓某一偏極化的光線通過。偏光鏡有許多實用性，例如玻璃反光具有偏光性，因此要從玻璃櫥窗外拍攝櫥窗內的景物，在鏡頭前面加上偏光鏡，旋轉到適當的角度，便能消除櫥窗玻璃的反射光，而清楚拍攝到玻璃櫥窗內的景色。大氣中的分子、綠草、雪地也反射陽光，因此戶外攝影時，也常用偏光鏡來消除反射的陽光，可以使藍天更藍、綠草更綠。而滑雪者所戴的太陽眼鏡也常是用偏光鏡所製成，可以減弱雪地的反光而比較不刺眼；偏光鏡所製成的太陽眼鏡也可以做為一般太陽眼鏡使用。如果使用兩片偏光鏡，轉動使彼此的偏光性質互成 90 度，則會將光線全都濾掉成為一片黑暗。
相關網站
http://www.seds.org/billa/twn/n1952x.html
http://seds.lpl.arizona.edu/messier/m/m001.html
http://sirtf.caltech.edu/Education/Messier/m1.html |
新一代電腦與通訊網路科技:放另類風箏–翱翔於無線通訊網路的天空 | 控制另類風箏的工具
在無線通訊領域中，我們可以用光或無線電波來當做傳輸的媒介。其中利用光做為傳輸媒介的技術，主要包括紅外線與雷射的使用；而利用無線電波做為傳輸媒介的技術，最主要包括微波的使用、展頻及多工存取等技術。以下即針對上述幾項技術的特性略做說明。
紅外線 (infrared, IR) 經常使用於家電設備與筆記型電腦中，做為遙控或資料傳輸之用。因為紅外線是光的一種，具備直進的特性，也就是兩個通訊的端點必須彼此看得到對方，才能將訊號傳遞到對方。由於光無法穿透非透明物體，所以中間也不能有任何阻隔物。近年來新開發的散射式紅外線傳輸，就可以運用散射的原理，克服直進的限制；如此一來，通訊的雙方只要處於同一個密閉的空間 (如房間或辦公室) 內，便可傳輸訊號。另外，全方向紅外線則利用架設基地臺的方式，提供基地臺四周的工作站以定向的方式與基地臺連接。
雷射通訊就是利用光束能量集中的方式，將訊號射出，最主要是採用發光二極體 (LED) 或半導體雷射。由於雷射不易散射的特性，除了攜帶訊號的能力強外，也增加連線的距離，使通訊的兩個端點可以在比紅外線可及的距離更遠的環境下傳輸資料。因此，適合於點對點間的無線網路。
微波通訊：我們知道電波的頻率與波長成反比，頻率愈高者其波長愈小，它在空氣中傳輸時距離可以愈遠，由於波長短的關係，所以稱作微波。而窄頻微波傳送，是利用特定之高頻短波長的電波傳送，提供遠距離無線連接的點對點間訊號的傳輸；但是，微波通訊的兩端點也必須在相互看得見的方式下進行通訊。因此，我們時常聽到所謂的微波中繼站，便是藉由架設地面高塔的方式，來克服因地球天然屏障或是建築物所形成的阻隔，讓兩點在高空互相看得到對方。此外，因為我們使用特定的窄頻，可以將頻段限制在非常狹窄的範圍內，所以能夠防止不同通訊頻道間的相互干擾。
展頻的技術源自軍方，這是因為展頻技術具有抵抗干擾、不易被偵測以及可靠傳輸的特性，吻合軍事通訊的需求。一般窄頻的作法容易受到同頻率的其他通訊來源所干擾，導致通訊不良的現象。而展頻是利用將訊息展開到一個較寬頻帶的技術，再以此寬頻來攜帶訊號；當遇到雜訊或其他訊號來源的干擾時，由於這些干擾源所涵蓋的頻帶寬沒有展頻技術那麼寬，所以干擾源不會完全覆蓋所有的頻帶，展頻訊號依然可以順利傳遞。
多工存取：通訊是指在某一時間點時，利用某一個頻率來傳某一個數碼。因此，若想將多個訊號源一起進行通訊，那就必須適當地管理每一個訊號源傳輸的時間、頻率或是數碼，於是便發展出分時多工存取、分頻多工存取與分碼多工存取的技術。
所謂分時多工存取，是利用不同訊號源在不同時間點傳輸的方式來避免互相干擾。至於分頻多工存取，則是將不同訊號源分配到不同頻率上進行傳輸，干擾的狀況便可消除。至於分碼多工存取則是展頻技術的一種，透過不同訊號源乘以互相正交的不同假亂碼 (orthogonal pseudo-noise codes) 的方式來避免彼此的干擾；所以，即使兩個訊號源在同一時間點傳出同一個訊號，這兩個訊號經過不同的假亂碼編碼後，彼此已不會干擾。
無線的網路系統
無線網路依其所涵蓋的地理面積大小，大致上可區分為無線個人網路、無線區域網路及行動廣域網路三大類。無線個人網路涵蓋面積約為方圓 10 公尺的範圍，最主要的目的是將個人所能擁有的各種電子設備，透過無線個人網路互相連接。無線區域網路則是適用於辦公室、大樓、甚至校園的區域，提供使用者一個無線上網的途徑。至於行動廣域網路，所涵蓋的範圍通常普及一個城市、一個國家，甚至跨國的地球村。
無線個人網路 藍芽 (Bluetooth) 是一種短程無線電科技，可以串聯通信、資訊等產品的可攜式終端機，讓各產品彼此能自由傳送寬頻訊息的新技術。藍芽名稱的由來是紀念在西元十世紀，一位統一挪威和丹麥的維京國王哈瑞德。布雷坦 (Harald Blatand), 這位國王的稱號由丹麥文翻譯成英文恰好是「Bluetooth」。因為參與技術開發的組織，希望這項新技術能在一個標準下，整合所有的電子通訊產品，所以就以此字「Bluetooth」作為該項技術的命名。臺灣業者為了強調這個技術及應用尚在萌芽的階段，遂將 Bluetooth 譯為「藍芽」。
藍芽的概念誕生於一九九四年，是由電信大廠易利信公司的無線通訊部門所研發出來的。當初這項計畫，主要是為了提供手機和各種電子設備之間，一套低功率、低成本的傳輸方式，目的則是為了移除行動電話、耳機、電腦等設備之間的複雜線路。
藍芽是以小型化的基頻模組晶片，裝置在終端器中，使用無線電傳輸的一種技術。它可以在一定範圍內的不同設備間，作短距離的訊號傳遞 (10 公分到 100 公尺), 而且不具方向性，加上成本便宜，因此被視為是未來幾年內各類數位產品間最佳的無線溝通技術。
藍芽具有以下的特點：通信模組小、安裝容易、耗電低，可搭載於各式各樣的機器上；完全數位信號，聲音、影像、數據都可傳送；可實施一對一或是一對多機器間的雙向送、收信；不需連接線及複雜的網路設定，無線數位網路的架設非常容易。
藍芽的技術規格包括使用二十四億赫茲 (2.4 GHz) 頻帶 (2,402 MHz ~ 2,480 MHz)、相鄰兩頻道間隔為一百萬赫茲 (1 MHz = 106 Hz)、總頻道數為 79 頻道、一秒可傳出一百萬個符號位元、最大傳送速率約為每秒 720 千位元 (Kbps); 而其傳送距離則在標準半徑約 10 公尺，最大半徑約 100 公尺的範圍。而且數個使用藍芽的設備可以形成一個分網路，在一個分網路中，必定有一個設備擔任主節點 (Master), 而其他的設備則為奴節點 (Slaves)。此外，數個分網路可以互相連接成一個擴張網路。
一九九八年五月由英特爾 (Intel)、易利信 (Ericsson)、諾基亞 (Nokia)、國際商務機器 (IBM) 及東芝 (Toshiba) 組成一個藍芽特殊利益小組 (Special Interest Group,SIG), 來發展與制訂藍芽之短距離射頻、無線連接技術的技術標準。到一九九九年六月，SIG 共有 751 個會員，包括康柏 (Compaq)、戴爾 (Dell)、摩托羅拉 (Motorola)、3Com、惠普 (HP)、朗訊 (Lucent)、德州儀器 (TI) 等世界性通訊、資訊、電子廠商紛紛響應，SIG 小組成員們並同意制定一套免權利金的標準，來降低藍芽技術的成本，使藍芽能快速普及。一九九九年，臺灣也成立了無線通訊聯盟，積極參與藍芽相關產品的開發計畫，目前已有多家廠商加入，包括宏碁、神通、英業達、廣達、仁寶、華碩、 明碁、致伸、華邦、工研院電通所及資策會等公司及單位。
藍芽是一種最新的開放式無線通訊標準，能夠讓桌上型與筆記型電腦、個人數位助理 (PDA)、行動電話、印表機、掃描機、數位相機、甚至家電用品，以無線方式進行短距離連接的最新技術。這種技術使用了全球適用的二十四億赫茲 (2.4 GHz) 公開頻道，以確保能在世界各地通行無阻。
藍芽的應用大約可涵蓋三個領域：(1) 取代纜線：提供所有行動裝置的無線傳輸功能，如語音傳輸的免持式聽筒、數位傳輸的周邊設備，或是指令傳輸的控制設備等。(2) 個人隨意網路：建構一個隨時隨地提供網路通訊的環境，以分享網路內其他電腦的資源。(3) 網路存取裝置：透過有線網路或網際網路 (Internet) 的存取，讓使用者以無線方式存取網路上所有的資源，以提供更廣泛的網路傳輸應用。
藍芽可以使影片或科幻小說的場景逐一實現，舉例來說，透過藍芽可以讓筆記型電腦不需用電纜線就可與行動電話連接，這樣就可以用行動電話上網或接收電子郵件，同時在行動電話周圍 l0 公尺以內的各種數位電子產品 (例如數位相機) 都可同時連線。因此，當你在把資料或相片存入手機時，桌上的電腦也會同時自動更新資料；或是當你回到家時，家裡的鎖可以用無線的方式自動打開，迎接你回家，房間及走廊的燈會自動打開，家裡的空調也會開到預先設定的溫度。總之，透過藍芽無線技術，我們將可以在任何時間、任何地點，很容易、很簡單、很迅速地取得我們想得到的資料。
藍芽的未來藍圖跟電影的科幻片有些類似，消費者能躺在床上，透過藍芽遙控家裡所有的電子產品 (包括家庭保全系統、電話、電腦、電器周邊設備、印表機等), 等於隨時隨地可以管理、傳輸及儲存訊息。
除此之外，藍芽也可以裝在公司、汽車、公共場所 (機場或旅館等) 進行訊息傳輸，因此，以往出差時趴在牆角找接線孔的企業人士可以鬆一口氣了。有了整合家用電話、筆記型電腦、個人數位助理、行動電話，甚至衛星系統於一身的藍芽技術，無線的網路生活不再是夢想了。
無線區域網路 無線區域網路顧名思義就是利用無線電波做為資料傳導的媒介。它利用無線電波的技術，取代舊式的雙絞線所構成的區域網路，就應用層面來講，它與有線網路的用途相似，兩者最大不同的地方是傳輸資料的媒介不同。
與其說無線區域網路將用來取代有線區域網路，倒不如說無線區域網路是用來彌補有線區域網路的不足，以達到網路延伸的目的。通常在以下的情形中可以考慮無線區域網路的架設：有線區域網路架設受地理環境的限制、針對無固定工作場所的使用者 (如業務員或生產線上的監督員)、或是做為有線區域網路的備用系統等。由此可見無線區域網路與有線區域網路間的互補性。
一九八五年，美國聯邦通訊委員會決定開放兩個 ISM 頻帶 (industrial scientific medical bands), 即 2.4 ~ 2.483 GHz 與 5.725 ~ 5.875 GHz 兩個頻帶，提供給工業界、科學界、與醫學界做為實驗、開發產品及研究發展之用。上述三個行業利用此 ISM 頻帶收發訊號，是不必申請執照，也不需先經有關單位的許可便可進行。這一決策不僅滿足了當時對通訊頻帶日益增加的需求，對於無線網路發展更有著重要的影響。
到了九○年代初，使用 ISM 頻帶的通訊產品紛紛出現在市場上，為了使各種競爭的產品之間能夠互通，標準的制訂就成了重要的工作。由國際電機電子工程師協會 (IEEE) 於一九九七年公告的 IEEE 802.11 規格，如今已成為無線區域網路的公認標準。
一九九七年制定的 IEEE 802.11 無線區域網路標準，可說是無線網路技術發展的一個里程碑。IEEE 802.11 標準除了介紹無線區域網路的優點及各種不同效能外，也使得各種不同廠牌的無線產品可以互連。IEEE 802.11 標準的制定，使無線區域網路在各種有移動需要的環境中被廣泛接受。二○○○年八月，IEEE 802.11 標準修訂後更臻完善，並成為電機電子工程師協會和國際認證標準組織 (ISO) 的一個聯合標準。
IEEE 802.11b 的技術主要是應用在高速的無線網路上，其傳輸速率為 11 Mbps, 使用距離可達 150 公尺左右，它與只是為了連接周邊設備的藍芽技術不同。雖然藍芽技術也具有網路連接功能，但傳輸速率大約只有 1 Mbps, 且距離約 10 公尺左右；因此，對於長距離、高資料量的檔案傳輸及網路應用的環境來說，就需要靠 IEEE 802.11b 的技術才能勝任了。由於 IEEE 802.11b 訊號穿透力強、傳輸距離長，所以是大型企業或辦公室最好的選擇。
IEEE 802.11 的標準也規定軟體架構應符合那些功能才能滿足整個系統的需求，主要是要求收發站具備正確收送資料的能力，另外，也考慮到傳送資料的安全性。其整體的服務包括身分確認服務、隱密性服務、連結服務、取消連結服務、分送服務、整合服務與重連結服務。
對於無線網路中傳送資料的安全性與可靠性，IEEE 802.11b 也做了相關的規定，以確保資料的安全與隱密。無線網路以電磁波做為資料傳輸的媒介，本來就比較不安全，隱密性也較低，對於不法人士的入侵竊取，相對上防備也較不易。但除了透過射頻通訊調變方法，可防止資料被竊外，再加上資料加密功能 (64 或 128 bits) 的防護，安全措施已是相當周全。在 IEEE 802.11b 的標準規格中，還有一項稱為有線安全等級協定的資料加密方式，本身透過網路位址轉換功能，形成天然的防火牆，以提供一個無線網路存取的安全機制。
因為建構無線區域網路不必申請執照，也不需要特別的技術，再加上建構成本合理，所以可以在公眾場所鋪設所謂「熱門場所」來提供無線區域網路服務。目前亞洲地區公眾無線區域網路的發展，逐步邁向成長期。熱門場所的數量日益增加，在香港、新加坡、日本等地，許多公眾場所已開始透過無線區域網路提供顧客無線寬頻上網的服務，日本電信通訊公司更宣稱將在全日本布建無線 IEEE 802.11b 基地臺。
二○○○年十二月根據國際市場調查估計，全球無線區域網路的市場值達到 13.44 億美元，比起一九九九年大幅成長了 115%, 而估計二○○一與二○○二年也分別有 54% 與 48% 的市場成長率。全球無線區域網路市場在二○○○年大幅成長的主要原因有兩點：第一是 IEEE 802.11b 產品開始普及，傳輸速率由前一代 IEEE 802.11 產品的 2 Mbps 提昇至 11 Mbps; 第二是產品的單價大幅下滑，例如無線網路卡的平均售價由一九九九年的 282 美元降到二○○○年的 188 美元。在產品性能提升及價格日趨合理的情況下，市場需求量呈現倍數的增加，使得二○○○年之後的無線區域網路市場呈現前所未有的榮景。
就目前的市場現況而言，IEEE 802.11b 規格是市場上的當紅產品，預計在未來兩年內，無線區域網路的主要產品將以使用射頻通訊調變的 IEEE 802.11b 規格的製品為主，並可望能維持兩年的高度成長榮景。至於下一代利用 5 GHz 頻帶、使用正交分頻調變、傳輸速率更高 (54 Mbps) 的 IEEE 802.11a、高速無線區域網路等技術之產品的市場，估計在二○○二年後會逐漸興起。 |
無線通訊及網際網路:一個想法改變世界–網際網路的誕生與發展 | 全球網路示意圖
什麼是網際網路？簡單地說，網際網路就是將全球各地的電腦連接起來，藉由某些電腦提供資訊，而讓其他電腦可以讀取資訊。說網際網路是人類史上最偉大的發明之一，應是毋庸置疑的。
早在一九四五年，美國麻省理工學院副校長布希 (Vannevar Bush) 在一篇名為〈我們可以這麼想〉(As we may think) 的文章中提出：人類有一天會發明出名為 mexmex 的機器，它可以儲存人類需要的所有知識，當需要時，就可以從這臺機器取得。布希的這個構想，啟發了很多人，也經由許多人不斷地努力，再加上技術上的演進，才造就了今天蓬勃發展的網路社會。
現今網路使用日趨普及，對商業界、學術界，甚至個人等彼此間資訊的交流提供了快捷的服務。網際網路時代已經是不可逆轉的潮流，而且網路還繼續以驚人的速度改變著全世界。因為網際網路，人與人溝通的方式改變了，工作的方式也改變了，使我們遨遊於網路世界時，更顯得天涯若比鄰。
話說從頭
一九五七年，蘇聯發射了人類第一枚人造衛星史波尼克，時值冷戰時期，美蘇正如火如荼地展開軍備競賽。蘇聯的人造衛星飛越美國上空的事實，對美國造成了非常大的震撼，使得美國決定開始以國家力量來主導科學發展。美國國防部立刻成立了「先進研究計畫署」(ARPA, 於一九七二年改名為 DARPA), 希望能把先進的科技運用在戰略上。
由於當時正值冷戰時期，任何電子線路都可能在核戰時遭到嚴重的破壞，無法正常運作。故在一九六九年，由美國國防部出資，BBN (bolt, baranet and Newman) 公司架設了 ARPANET 網路。ARPANET 網路研究計畫的目的正是希望能創造出一個通訊網路，這個網路即使遭到部分的破壞，還是可以互相聯繫，並強調「各電腦主機間平等的對等通訊」。
ARPANET 網路使用的是一種稱為分封交換的技術，把較大的資料切割成較小的封包，並且將每個封包給予各自的目的地位址。封包可以用不同的順序及路徑到達相同的目的地。到達後，再由目的地的電腦將所收到的封包予以重新組合起來。這種觀念稱之為動態路由，在網路上的每臺主機都扮演同樣的角色。如果敵人想摧毀某一網路連線的話，必須摧毀附近所有的主機才能得逞。
ARPANET 計畫起源於國防所需，剛開始僅有四個節點，而後開始和美國各大學的主機連在一起。到了一九七一年，ARPANET 上已經有 23 部主機。一九七三年，更跨出了美國、英國，和挪威等國的大學相連。爾後 ARPANET 開始對大眾公開，吸引了更多學術單位及私人企業投入研究。
一九七九年美國國家科學基金會 (NSF) 也開始參與網路技術研究。一九八五年撥款協助近一百所大學連上網路，一九八六年布建 NSFNET 將全美五大超級電腦中心和各大學連結在一起，使得越來越多的學術界菁英加入了這項研究。
網際網路的演進
Internet 之父 (左) 與 Mosaic 瀏覽器發明人 (右)
想讓每一臺電腦能以網路相互連結，必須透過某種規則，因此就有所謂的通訊協定 (protocol) 出現。ARPANET 剛開始所採用的網路通訊協定是 NCP (network control protocol)。在網路技術越來越複雜時，不同電腦、不同軟體、不同系統的網路之間無法相容的問題越來越明顯。一九七四年，後來被稱為「Internet 之父」的文特・瑟夫 (Vint Cerf) 和同伴開始研發一套能通行於所有電腦上的通訊協定，那就是現在電腦上網所使用的 TCP/IP (transmission control protocol and internet protocol)。漸漸地，一個能用來儲存資訊、分享資訊的工具產生了，就是由勃勒李 (Tim Berners-Lee) 所發明的 WWW (world wide web)。
WWW 在近幾年快速發展，並且廣為人們所使用。事實上，在一九九○年代中期，使用者已逐漸在增加，但鮮少有人知道其發明人竟是一九八○年代的一位英國年輕人勃勒李。
WWW 發明人，提姆・柏內茲 - 李 (Sir Tim Berners-Lee)。圖片來源：Paul Clarke
當時他剛從牛津大學畢業，進入歐洲的高能物理研究中心 (CERN) 擔任臨時的軟體諮詢工程師。他寫了一個軟體叫做 Enquire, 這個軟體是用來幫助他將研究中心眾多的同事，及個別所負責的計畫串連起來。這軟體對他而言相當有幫助，因為在 CERN 這麼大的國際性實驗機構中，來自世界各地的研究人員實在是太多了。
勃勒李的夢想是創造一個透過網路，讓每個地方、每個人的電腦裡的資訊都能連結起來，也就是一個全球性的資訊空間。剛好有兩個技術可以幫助他實現這個夢想。布希的〈我們可以這麼想〉一文，主要是描述如何以「連結」的方式來儲存資料。而後，納爾遜 (Ted Nelson) 及道格拉斯。恩格巴特 (Douglas Englebart) 也延續布希的想法，提出了超連結的概念，允許讀者能從某一電子文件立刻跳到另一文件。勃勒李在他開發 Enquire 軟體時，便使用了這樣的概念。
一九八九年勃勒李提出了在 CERN 內部建立一套資訊網的系統。起初並未獲得回應，但他依然展開自己的理想。一九九○年他完成了超文件傳輸通訊協定 (HTTP), 電腦可以利用 HTTP 在 Internet 上傳輸超連結文件。此外，為這些文件在 Internet 上的位址做了設計，他稱這個位址為 URI (universal resource identifier), 這也就是目前我們所熟知的 URL (uniform resource locator)。同時在一九九○年末，他也完成了類似瀏覽器的程式，並取名為 World Wide Web, 讓使用者可以透過此程式瀏覽他想要的資料。
為了讓 Web 能發展得更順利，第一屆 WWW 研討會於一九九四年五月二十四日在 CERN 舉行。會中正式將 Web 定名為 World Wide Web, 並且超連結網頁以勃勒李所寫的超連結標示語言 HTML (hypertext markup language) 來撰寫。
此外，他也完成了第一套網頁伺服器軟體，可儲存網頁在電腦上，並讓網頁可以讓其他使用者存取，也放在 CERN 的 info.cern.ch 上。 著名的網路公司 Novell 執行長艾瑞克。舒密特 (Eric Schmidt) 曾經說過:「如果電腦網路是一種傳統科學的話，勃勒李會獲得諾貝爾獎的肯定。」
提到 WWW 就不可不提到 馬克。安德森 (Marc Andreesen)。當 WWW 開始風行時，他還是伊利諾大學的學生，並在美國高速電腦中心 (Natiomal Center for Supercornputing, NCSA) 兼任助理。當時多數的瀏覽器都只支援 Unix 系統主機，但是這類型的主機往往價格不菲，而且使用者介面也不是那麼的近乎人性，這也造成了 Web 在推廣上的障礙。於是，安德森決定發展圖形化的介面，且能讓使用者輕易上手的瀏覽器。一九九二年，他和 NCSA 裡另一名同事艾利克。比那 (Eric Bina), 終於開發出一套新的瀏覽器，並且命名為 Mosaic。
Mosaic 比起當時的瀏覽器更具圖形化且較容易為一般使用者接受。此外，和其他瀏覽器一樣，也可以瀏覽 HTML 文件，同時還加入了其他語法例如 center 等。更特別的是，Mosaic 還加入了 image (影像) 的語法，也就是讓 Web 也可以顯示出影像圖片。雖然早先的瀏覽器也可以顯示圖片影像，但是文字與影像需要不同的檔案，而 Mosaic 則可以讓文字、圖片影像都在同一個網頁中，圖形化介面及按鈕讓使用者可以更方便地瀏覽網頁。
一九九三年，Mosaic 開放可以從 NCSA 的網頁上自由下載使用，使得 Mosaic 很快地流行起來，一周內立刻被上萬名使用者下載使用。之後，安德森來到了加州矽谷，遇到了系統大廠 Silicon Graphics 的股東吉姆。克拉克 (Jim Clark), 兩人有了組織一間網路公司的想法，於是在一九九四年中，Mosaic Communications Corp. 便成立了。Marc Andreesen 擔任技術副總，他日以繼夜積極地開發新產品，希望新產品能比 Mosaic 功能更為強大。終於，著名的 Mosaic Netscape 誕生了。
Mosaic Netscape 包含了新的 HTML 語法，讓 Web 設計者有更大的發揮空間。於是許多網頁設計師便開始將新的 HTML 語法加入他們的設計中，同時也告知使用者「使用 Mosaic Netscape 將有更好的效果」, 結果當然使 Mosaic Netscape 的使用者越來越多，讓 Mosaic Netscape 網頁設計師及使用者皆大歡喜。
Mosaic Netscape 後來改名為 Netscape, 到一九九六年有近乎 75% 的網路使用者都是 Netscape 的用戶，使得 Netscape 的聲勢如日中天。然而，好景不常，軟體巨人微軟藉由 IE (internet explorer) 積極打入瀏覽器市場，從此 Netscape 開始走下坡。
TCP/IP 與 WWW 整合 Internet 之後，加上電腦科技及多媒體的發展，Internet 以爆炸性的速度成長。遠程終端模擬 (telnet)、檔案傳輸 (FTP)、電子郵件 (e-mail) 這三種應用服務，讓網路的使用更加的方便。由於使用量日漸增加，網路頻寬的問題也隨著受到大家的重視。
美國學術界為了滿足未來網路在教學和學習上的品質與速度，一百多所大學與政府共同進行 Internet 2 的研究與開發。柯林頓總統於一九九七年十月宣布了「下一代網際網路計畫」, 預計在三年內投資三億美元，希望再次發揮政府前瞻政策的引導作用，進而奠定下一世紀網路的基礎。
臺灣於一九九○年由教育部建置的「臺灣學術網路 (TANet)」, 實為我國網際網路肇始之基；翌年十二月，「臺灣學術網路」以 64 Kbps 數據專線連接美國普林斯頓大學，開啟了國際連網的第一步。目前更由財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心負責「臺灣研究網路 (TANet2)」(http://www.tanet2.net.tw)。其目的即為引進下一代網路技術，讓我國網路技術的研究可與國際同步。利用下一代網路所提供的高頻寬、低延遲，與保證頻寬的特性，刺激更多創新的網路應用產生，同時藉由積極參與國際標準的訂定，進而提升國內網路研究的地位。
對社會的的影響
Internet 從學術研究網路轉成商用系統後，因其技術成熟、網路使用價格便宜、資源的豐富與連通範圍的廣大，深深受到人們重視，加上 PC 與多媒體技術快速發展，簡化了電腦使用方式，使得一般大眾買得起電腦與敢用電腦，在這些驅動力下，Internet 急遽地成長。
自從人類發明了文字、紙張、印刷術，利用「文字媒體」擴展了溝通的空間範圍。如今我們已經可以運用電腦與網路的技術，將各種溝通媒體如文字、圖像、聲音、影像、動畫和錄影結合成不同的「多媒體系統」, 隨時隨地與不同時區、不同地點的人互通資訊。
Internet 已經是我們工作、娛樂、進行社會活動的地方。電子商務的興起，打破了傳統交易的方式；網路聊天室的匿名文化，使得一些互不相識的人能夠侃侃而談；線上遊戲的虛擬世界，也透過了網路而使得遊戲不像遊戲，卻像是真實的現實社會。這些新奇的商業應用，哪是當初為了國防需要而發展網路技術的人所能預料的呢？根據經濟部技術處委託資策會電子商務應用推廣中心 (FIND) 進行的「我國網際網路用戶數調查統計」, 經彙整及分析國內主要網際網路服務業者 (ISP) 所回報的資料顯示，截至二○○一年十二月底為止，我國網際網路註冊使用人口達 782 萬人，網際網路普及率為 35%。
網路的世界快速地成長，沒有人能夠預期往後幾年網路的動向。網路設計者甚至沒想到 e-mail 竟然成為人們不可或缺的工具。商業網路、學術網路甚至網路咖啡等，形成了網路世界百家爭鳴的情況。但水能載舟，亦能覆舟，雖然網路帶來了便捷，它的優點也正是它的致命傷。
色情網站的氾濫、網路犯罪事件層出不窮、駭客入侵與攻擊事件也是天天發生。電腦病毒原本是藉由傳統、單純的磁碟或磁片進行感染，但在網際網路風行之後，藉由網路快速地流竄及散播，範圍日漸擴大，所造成的損失也愈加嚴重，使得各大企業、政府機構或是個人電腦都深受影響，於是乎正邪之間的對抗天天上演，所浪費的社會成本相當驚人。雖然網路充斥著負面的影響，許多道德、法律的問題需要大家來思考，但不可否認的是，它所帶來的好處也是其它發明所無法取代的。
回首看 Internet, 我們發現，它的故事就是一部不斷革命的歷史演義，起初是先有一個宏觀的架構、一個清晰的理念，再去構思如何在技術上實踐。靠著許多人的努力讓網路慢慢地趨於完美，完全超出美國國防部最初對網路的規畫。網路不斷在進步，是因為無數不求回報的理想者與科學家不斷地在為網路付出。布希所提出的〈我們可以這麼想〉啟發了許多人。我們也都可以動腦筋想一想，說不定您的想像，使您成為網路發展歷史的主角之一。 |
顛覆傳統的製造革命–3D列印 | 還在各大模型商店奔波量身訂做個人造型公仔嗎？想化身成電影裡的鋼鐵人擁有機械手臂卻無計可施？現在，3D 列印能輕鬆完成你的夢想。3D 列印如火如荼的發展，一台 3D 列印機、一捲塑膠原料，就能完成列印服務，更是熱門創業新業態，美國總統歐巴馬甚至將它喻為第三次的工業革命。2013 年 11 月這項技術又有了新突破！顛覆以往使用的塑膠原料，已經能使用金屬粉末雷射燒結固化的技術。
3D 列印 (3D printing) 其實就是快速成形技術的一種，以數位模型檔案為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以 3D 印表機逐層列印，透過材料一層層的累積形塑物品，因此也稱為累積製造 (Additive manufacturing), 其製作過程是將想列印的產品，經由電腦繪圖校稿或掃描物體後，再傳送至 3D 印表機中，有別於傳統的切削、鑽鑿、銼修的減法方式來塑型，而是透過逐層堆疊累加的加法原理方式來構造物體的技術進行列印輸出。3D 列印以往被用來製造模具、工業設計等專業領域的模型製造，但現在已逐漸用於產品的製造，甚至可以用來製作牙齒、高科技零件等更高價值的應用。例如：3D 列印能同時製造 200 顆牙齒，而非傳統計師一次只能加工一次假牙。而 3D 列印所帶來的好處包括：取件速度快、縮短產品開發週期、精準度高、加法製造原理、及無角度限制等優勢，相較於傳統的模型製作確實帶來了革命性創新。
3D 列印的市場逐漸擴大，有更廣泛的運用。在醫療方面，3D 印表機可「列印」人體骨骼，做為手術移植之用，舉凡斷掌骨骼重建、牙齒矯正、頸椎人工椎體等等，都是醫療科學上的一大突破；博物館可以 3D 列印的複製品展示，保護原始作品不受環境或意外事件的傷害；建築工程師和設計師們以 3D 列印建築模型，達到快速、低成本、節省材料的好處，更合乎設計者的要求來完成模型製作。此外，個性化配件及飾品，例如個性手機外殼、項鍊、戒指或獨一無二的飾品，都可透過 3D 印表機列印出來。
若是 3D 列印更加普及，就更能夠激發使用者的想像力及創造力，將自行設計的產品和模型列印出來。未來相片的列印，不只是平面的照片，也可能製作成人物或動物模型。然而 3D 列印也面臨艱難的技術挑戰，3D 列印至今仍未能取代量產的原因在於成本高且技術尚未成熟，目前仍有材料限制，材料受限導致產品的品質和傳統製造比起來仍有差距，因此要能達到量產各式產品仍有一段遙遠的距離。學者們正持續研究與克服，包含如何結合好幾種材料製造物件、將電子零件整合進 3D 列印產品，以及醫療領域中人體器官的列印技術。但對於客製化及少量製造的應用而言，這項技術將逐漸闊展市場並成功開啟新的製造革命。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─網路科技、電子商務與創業，以及虛擬社群和社交網路」執行團隊撰稿 / 2014 年 4 月)
責任編輯：林芬慧 | 國立中山大學資訊管理系網路行銷研究團隊 |
基因工程與社會:人類基因體解碼後的商機 | 「基因」是由英文字 gene 翻譯而來，原指孟德爾遺傳定律中，用以產生性狀的因子，是學者約翰生 (Wilhelm L. Johannsen) 所創。在孟德爾的假設中，這因子是個顆粒，可在細胞內分散及組合。1910 年代以後，基因就被想像成是染色體上一條條細的橫帶，或是長鏈上的念珠。染色體是在細胞分裂期時才可觀察到的構造，每條染色體先複製再分裂為二，然後均勻地分散到新細胞中。1950 年代以後，科學家們了解了染色體是由去氧核糖核酸 (DNA) 和蛋白質所組成的雙螺旋結構，而基因就是 DNA 分子上的一小段。
1975 年發明了分析及定序 DNA 分子上核酸序列的方法，到了 1980 年代，以基博特 (Walter Gilbert) 為首的一些學者，倡議以眾多科學家的力量，把人類 23 對染色體，總共大約 30 億對的核酸 序列，都解讀出來，因為他們認為，能解讀製造人類特徵的基因藍圖，就能了解疾病及發育之類的過程。細胞內基因的總合稱 為「基因體」或「基因組」(genome)。
此項建議談了幾年後，逐漸有人贊成，先是美國能源部想撥款資助，隨即被健康及福利部大肆炒作，甚至成立了國家人類基因體研究所 (National Human Genome Research Institute) 主管此事。
雖然政治人物大多不懂尖端科學，但卻也想攬些「促進科學」的美名於其身，1989 年，當時的布希總統 (George Bush) 在白宮頒發當年的國家科學及技術獎時，不免要吹噓一下他及雷根總統主政期間的科學大事，諸如太空站、超導超級對撞機及基因體定序計畫，但他還不認得「genome」這個新創的字，老眼一花就將之唸成 gnome (即地底小精靈之意)。在場的科學及技術界高級主管們，沒有一絲騷動，或許他們那時對這「人類地底精靈計畫」也不太清楚吧！但現在已由純科學研究，演變成了投資數百億美金的工業，讓我們來看看其來龍去脈。
解碼競賽
由美國官方所支持的人類基因體計畫 (Human Genome Project) 花費了約三十億美金，完成解讀三十億鹼基的工作，此計畫的領導人柯林斯 (Francis S. Collins) 對這約可塞滿兩百本電話簿 A、T、G、C (腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥糞嘌呤、胞嘧啶) 四字母的序列，十分地著迷，他說:「這是一本製造你我的說明書，還有甚麼比這更吸引人呢？」
此計畫在美國設立了四個定序中心，另外英國劍橋的商格中心 (Sanger Center)、 日本、法國、德國、大陸及台灣等定序中心也都協力合作，約有 1,100 位科學家投入工作，歷時近十年即將完成之際，不料卻在 2000 年 4 月，一家私人新創的小公司賽雷拉 (Celera Genomics) 卻搶得頭籌，宣告他們已完成人類基因組解碼的初稿。為何私人對人體基因有興趣呢？又何以賽雷拉公司能晚發先至？原來官方的人類基因體計畫，是有條不紊地先從人類血球及精子細胞中，仔細分離 23 對染色體，將之切成片斷，先確定這些片斷的相對位置，然後再定各片斷內核酸的鹼基順序，正像是一頁一頁有序地撕下百科全書，讀完後，再一頁一頁地組裝回去。
而賽雷拉公司的策略大不同，它把百科全書拆散開來，同時找很多人來讀，再憑語句相重複之處予以連貫回來。在它的總部，同時有上百臺基因定序儀工作，且運用超級電腦將數以千萬計的鹼基序列編纂起來。該公司在 1998 年才開張，但在 2000 年 4 月就公布已知基因染色體的位置草圖。
其實賽雷拉公司頗有取巧之嫌，它原先預定要取好幾個人的基因體，來回定序十次，才宣布「共識序列」, 但它只拿一個人的基因體，來回念了三次。而且官方所得序列，都會立刻經網路輸入「基因銀行」(GenBank) 予以儲存，並公之於世，賽雷拉公司就隨時取用官方成果，用以填補自己序列的空白處，且檢驗已知序列是否正確，其輸贏已定矣！藥物基因體學的商機
官方既已投入三十億美元，何以私人又願意投下數十億美元做相同的事呢？因為不同的人，其細胞中的基因序列，可能有千分之一的不同。例如，某一相同的基因中如胰島素基因，某一位置你可能具有 A 這種核酸，而旁邊的人卻具有 T 這種核酸，此些微的差異稱為「單一核酸的多樣性」(single-nucleotide polymorphism, SNP), 也可能是麻煩所在。
這些微的不同，使有些人因而易患某病，而賽雷拉公司的創辦人溫特 (Craig Venter) 預測，很多藥物只對群體中百分之三十至五十的人有效，甚至有可能發生的是，某人的良藥是另一人的毒藥。溫特指出，瑞如林 (Rezulin) 是針對第二型糖尿病的藥物，但它在全球使用後，卻因對某些人的肝有毒性，導致 60 多人死亡。所以將來對症下藥時，應該設計簡單的基因檢驗方法，先篩選病人是否能接受這藥，以免反被毒害，這是一種商機，像賽雷拉這類的私人公司，不但想知道一般人的基因序列，更想為不同的個體定出其特異的順序，以期預測出此人將來可能易患何種病，警示他不要使用某一種對他有害的藥物，這種私人個別的服務，是要花大筆的金錢才能得到的！利用各人基因內鹼基序列的不同，來預測藥品的功效，只是新興藥物基因學的一部分目標。用某段基因鹼基序列來預測其所轉譯出的蛋白質序列，並預測其蛋白質的空間形狀，設計出藥物來嵌入此蛋白質的立體構型中，使蛋白質功能被抑制或激發，工作極其複雜。因此一家公司無法獨立完成，需不同公司間相互合作，目前策略聯盟的公司已有不少。
例如，紐約市的輝瑞藥廠 (Pfizer) 與加州帕羅何圖 (Palo Alto) 的因賽特基因體公司 (Incyte Genomics) 結盟，賓州費城的史凱必藥廠 (SmithKline Beecham) 與洛克維爾 (Rockville) 市的人類基因體科學公司 (Human Genome Sciences) 合作，而位於印地安那波里斯 (Indianapolis) 的禮來藥廠 (Eli Lilly) 則與位在麻州劍橋的千禧年藥品公司 (Millennium Pharmaceutical) 聯姻。有些商業分析家認為，個人化醫藥到了 2005 年，會有 8 億美元的市場。
專利爭議
如果臺積電申請一項製程專利，只要它不侵犯別人的發明，沒有人反對。但在生物技術行業，若有人要以人類基因當專利來申請，一定會惹很多人反感，每個人都擁有的基因，怎麼能變成某一公司的獨有財產呢？但這些生技公司說，如果我沒法擁有某些基因的專利，就不可能花大筆金錢，去研發有關某個基因之種種突變的偵檢試劑，因為若有別家公司也可以在稍後加入研發的競爭，但他們卻已省下了早期的研發投資，這樣，有誰願當第一個投入的傻子呢？以上的論點雖不能說服很多人，但卻能說服美國專利及商標局，他們已發給因賽特公司 (Incyte) 五百多個基因專利。該公司另外也提出七千多個基因的專利申請，像人類基因體科學公司也得到一百多個專利權，另外七千多個基因之專利也在申請中。
但很多科學家仍極力反對人類基因可變成專利的做法，其中一項理由是官方科學家所得到的序列，都報告給基因銀行了，而私人公司從銀行取走序列，稍加整理便申請專利，豈不太像強盜行徑了？例如 2000 年 4 月，光是一天之內，就有三萬五千人利用銀行的資料庫，其中當然有很多是屬私人公司的科學家。另一項理由是，私人公司還不明白某基因有何功能，便拿走專利，反而限制了此基因的研究，所以華盛頓大學的威爾生 (Richard K. Wilson) 教授警告大家:「如果資訊都鎖在私人資料庫裡，只有少數人花錢才能看到，會妨礙很多疾病的研究。」
反對的聲音雖大，既然專利及商標局已經頒發了那麼多基因專利，營利公司就可以用它來賺錢，2000 年 3 月因賽特公司已推出基因體的網路商品，付錢上網的人可以訂購基因的序列資料，甚至實際已選殖到質體 (可以獨立複製的 DNA 分子) 的基因，目前付錢訂購的製藥大廠包括輝瑞、拜爾 (Bayer) 及禮來，而賽雷拉公司也在網路上販售各種基因的資訊，例如哪些基因與高血壓有關、哪些基因又跟大腸癌有關，大公司每年的訂購費，約在五百萬至一千五百萬美元間，而學術實驗室可少付些，每年在兩千元至一萬五千美元之間。
基因測試
公司拿到基因專利後，便可開發基因檢驗試劑，目前已上市及開發中的，約有七百四十多種，可以查出受試者某特定基因是否有突變。但問題是，到目前為止，我們還不知道某突變基因與疾病發展過程的精確關係，例如，現在已有方法測定杭丁頓氏舞蹈症 (Huntington's Chorea) 基因的確切序列，但還無法明確地預言某人何年將發病，及發病後的嚴重程度與進展速度。
另一項大問題是社會的歧視，如果測出一個人具有杭丁頓氏舞蹈症的基因，未來會發病，此人有可能會被雇主辭退，被保險公司退保。為了防止這類歧視，美國前總統柯林頓在 2000 年 2 月發布了一項行政命令，禁止聯邦機構利用基因資料為依據，來聘用、擢升、或解雇人，私人公司是否會跟進，尚待觀察。
生物資訊學的商機
隨著人類基因體計畫的完成，其他許多生物的基因體也正在解讀中，業已完成的有果蠅、線蟲、酵母菌及近百種的古菌類 (Archaea), 正在進行中的則有小老鼠、黑猩猩、玉米、水稻、牛、羊等。由於各公私立機構的研究群不但有極強力的定序機器，也有好的軟體，因此他們定序能力驚人，例如因賽特公司每天能解讀出兩千萬個鹼基序列，是臺灣榮陽團隊幾年來成績的兩倍。
因此，全世界每天能解出的序列資訊何止億萬，如何處理是新興的「生物資訊學」範疇，有很多公司正爭取所衍生的商機，其中最有名的是總部在德國海德堡的獅子生科公司 (Lion Bioscience)、總部在馬里蘭州比賽大的最大資訊公司 (Informax)、總部在英國牛津的牛津分子群 (公司)(Oxford Molecular Group)、總部在俄亥俄州克里夫蘭的網路基因公司 (NetGenics)、總部在加州奧克蘭的雙扭公司 (Double Twist)、總部在以色列特拉維夫的電腦基因公司 (Compugen)。
最早處理 DNA 序列的機構，是前述的基因銀行，在 1980 年代初由美國能源部贊助成立，那裡有整屋子的技術員，將在各學術刊物所公布的基因序列鍵入電腦，隨後基因銀行將資料轉到美國國家衛生研究院 (National Institutes of Health) 的生技資訊國家中心 (National Center for Biotechnology Information, NCBI) 讓研究人員可直接用網路將序列存入其電腦中。目前擁有的資訊已超過七十億個鹼基順序，私人公司也經常上網去擷取資訊。
生物資訊學是綜合 DNA 序列、基因在各組織內的表現時機、蛋白質的形狀及互動等資訊，以發展適合各種疾病的不同藥品。例如，骨質疏鬆症是因骨質不斷降低而鈣化，對中老年人造成嚴重的威脅。1993 年，在費城史凱必公司 (SKB) 的研究人員從骨癌病人的破骨細胞 (osteoclast, 是骨組織中破壞骨質，而讓骨頭再生長、修補的細胞) 中分離出特殊的傳訊核酸 (mRNA), 並拿給人類基因體科學公司的科學家分析，他們先將互補 DNA (cDNA 也即是由基因表現後的 mRNA 反向轉錄成的 DNA) 選殖及定序後，再將其序列與基因銀行已有的 DNA 序列比較，居然發現一個鈣蛋白酶基因的序列與此相似，再回頭檢驗破骨細胞內這個蛋白質，果然其數量極高，似乎是破骨細胞消蝕骨質的利器。
幾週的功夫，就讓史凱必公司知道，若想治療骨質疏鬆症，設計一個藥物來抑制此鈣蛋白酶，應該是一個極佳的方向，這可省下了不少年的盲目實驗研究，若藥物能早一年上市，則所爭取到的額外專利權保護時效，即可能值五億美元呢！所以生物資訊學的商機，在於提供一系列不同的服務，或為各大小公司提供資料庫，或設計程式以整合整個藥廠的資訊交流，或替公司預測蛋白質的形狀，或設計藥物，這種運用電腦來模擬細胞內基因互動及蛋白質結構的學問，也被叫做「矽晶內之生物學」(silicobiology), 以對照活體 (in vitro) 及試管內 (in vitro) 生物學。
蛋白體學的興起
雖然決定人類及各種動植物基因序列的工作很重要，但一旦完成，就成了過去的成就，並不足以再激發熱情。雖然還有不少剩餘工作有待處理，例如群體內的各種變異、遺傳疾病的突變基因發生在何處、以及地球上尚有數千萬至數十億種生物基因體待解讀，但目前最熱門最炫的研究方向，已轉到「蛋白質體學」(proteomics) 了。
基因轉錄轉譯的過程，係基因轉錄出 mRNA, 需經過修剪和編輯以後，再運輸到細胞質中，由核糖體將之轉譯成蛋白質，蛋白質是執行各種生理生化功能的主要物質，也是細胞出現問題時的焦點，像是房子起火時的起火點。
整個基因體雖像是大樓藍圖，但建設某一房間時，只用藍圖中的極小部分，所以各組織內活躍的基因可能只有幾百個，這一小集合，可以稱為這特殊組織的轉錄體 (transcriptome)。例如，胰臟組織內的蘭氏小島細胞充滿了胰島素的 mRNA, 而在腦內的神經細胞內，則沒有這種 mRNA。
了解了各特化細胞內的轉錄體，對純科學或應用研究都有價值。例如，1998 年美國的國家癌症研究所 (National Cancer Institute) 推動「人類腫瘤基因索引」計畫，想把各種癌症內所出現的 mRNA 都登錄下來，由政府、學術界與一些藥廠共同合作。目前已找到各種癌症中共有五萬個活躍的基因，單在乳癌細胞中就有 5,692 個，而有 277 個基因在他種組織中是關閉的，這些基因所轉譯出的蛋白質，就是人類要以化學藥品來破壞乳癌細胞的目標 (蛋白質)。為了這個目的，美國國家癌症研究所也與食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 推動「組織蛋白質體創始計畫」(Tissue Proteomics Initiative), 準備花費幾百萬美元，找出癌細胞內特別出現的蛋白質。
其商機很明顯，如果藥廠營收每年要成長百分之十到二十，以滿足投資人的期望，那麼每年至少要有三到五個有希望的新藥進入臨床試驗的流程中，而目前每家大藥廠每年只有半個到一個半的新藥進入試驗。故要增加數倍的生產力，就只有仰賴轉錄體學找到可以用藥品來攻擊的目標蛋白質，而精通這領域的千禧年藥品公司答應幾年內交給拜爾藥廠二百二十五個已經初步試驗過可受藥品攻擊的目標蛋白質。
晶片的興起
目前臺灣許多生技公司以發展基因晶片為主要產品，希望利用積體電路產業所精通的微蝕刻技術來製作晶片。
在非常光滑乾淨的一小片玻璃表面上，以微小探針針頭點上成千上萬個小點，每個小點內是一個生物體內特殊的互補 DNA (cDNA), 這些單股的 DNA 固著在玻璃表面上後，有能力與互補的 RNA 序列形成很多氫鍵，於是 RNA 留在玻璃表面上，不被沖洗掉。
若我們分離同一生物某一種組織細胞內的 mRNA, 並裝上一個會發螢光的小分子於 RNA 的鏈上，然後均勻地散布在晶片表面，讓 RNA 與 cDNA 配對，洗掉沒配對的 mRNA, 再用雷射光來激發螢光分子，用機器閱讀光點並測量強度，就可知道這生物的某基因在這特殊組織細胞裡是否有表現了。
這種晶片可以探知某一基因在何種組織何種生理狀態會關閉或活化，對純化研究極有幫助。相似原理的晶片，也可以用做癌症及遺傳病的篩檢，目前在美國已有很多晶片公司及成品上市，其中最有名的是加州聖塔克拉拉的親和網路 (Affymetrix) 公司，它有一種產品可同時檢查六萬種人類 mRNA 的表現，另一產品可檢驗一千七百個人類與癌症有關的 mRNA, 價格極昂貴，要做個正確的檢驗，須花費新臺幣六十萬元左右。
蛋白質體學的挑戰
既然蛋白質才是重點，處理極多蛋白質的技術是新一波商機所在，例如加州的大規模生物學公司 (Large Scale Biology in Vacaville) 及英國牛津的牛津醣科學公司 (Oxford Glycosciences) 均開發機器人來做二維膠蛋白質電泳的工作。所謂電泳，即帶電分子在電場裡會向異極游動，而分子跑的速度與它的電荷量成正比，與分子大小成反比，因此不同種的分子片斷就會分開來。如果電場在含水的膠體內，不同分子片斷分開後，不容易再混合，就達到分離的目的了。蛋白質是質量很大的分子，用二維電泳，可以把成千的蛋白質分散在平面上。
機器人的長處，在於精確地不停地把膠上的蛋白質切割下來，分析甚至定其氨基酸順序，就知道其為何種基因所表現的。
除了鑑定蛋白質的表現及功能外，蛋白質間如何互動及蛋白質的空間結構均是科學家及生技界所注目的焦點。蛋白質結構的決定，以前是用 X 光結晶學的方法，分析其繞射圖，此法需先將蛋白質製成結晶，要耗極大功夫及碰運氣，常需數年努力才能完成一個蛋白質。
目前，美國國家衛生院以兩千萬美元支助學術中心發展「結構基因體學」, 許多生技公司也相繼投入，大家都想研發出半自動且可處理大量樣品的 X 光繞射儀。惟有掌握了蛋白質的精細三維空間，才能進行「理性的藥物設計」。 |
以評量為基礎的線上補救教學系統 | 在數位學習逐漸成為趨勢的當代，如何建立有效的數位學習環境，是新竹教育大學王子華教授多年來一直在思索的問題。
王子華教授持續探究哪些策略設計才是線上學習介面中最關鍵的元素，並於 2001 年確認了應以「評量」為研究方向與重心，且研發了數種評量機制，從早期的一般線上測驗、網路形成性評量，乃至網路遊戲化評量，更於 2010 年完成一套以「評量」做為教學與學習策略的動態評量系統。
一般而言，在數位學習的介面中，學生最常使用「評量」功能以自我評量，而自我評量在眾多研究中也被認為是提升學習效益的重要策略。為此，王子華教授努力讓線上學習的自我評量機制更為完整，也不斷思索其中的關鍵策略設計，最後決定把「作答和回饋機制」作為整體設計的核心。
在傳統課堂上，老師會依教學經驗問學生一些問題，藉由學生回答來評估學生的學習狀況。若學生答錯了，老師就知道學生可能是哪裡不明白，需要多做講解。老師問的這些問題即是教學性問題，與一般評量學生程度的考題性質不同。教學性問題必須基於教學經驗，問得關鍵、問得精準，才能在教學過程中協助老師快速確知學生的學習狀況。
然而，要問得關鍵、問得精準，資深老師或許做得到，但對資淺老師就是一項挑戰了。王子華教授的動態評量系統就是模擬資深老師的問答方式，協助系統清楚掌握學生的學習狀態，再給予適當的回饋與教學。
王子華教授相信，理想的教學是老師藉由適當的發問，從學生的問答過程中掌握學生的學習狀況，再給予適當的回饋。但是傳統的教學卻是在灌輸知識後進行考試，其教學和評量是分開的。為此，王子華教授研發了動態評量系統，讓作答和回饋變成教學活動的一部分，使評量可以成為數位學習環境的教學與學習策略。
當學生進入動態評量系統後，需先經過二階段診斷測驗，系統會組成適合這位學生的個別化動態評量學習歷程。換言之，即先用二階段診斷測驗來了解學生的程度，系統再模擬老師與學生間一問一答的互動模式，依據學生的程度提出教學性問題，並依據學生的作答再給予適當的回饋以協助其學習，最後系統會再提供適合他的進階數位教材。
王子華教授的動態評量系統主要是針對「補救教學」設計的。近年來，政府大力推行補救教學，其流程是先讓學生進行補救教學科技化評量測試，成績不符標準的學生則安排進入面對面補救教學。這個流程可能會造成一些盲點，例如有些孩子只是粗心答錯了，或只有部分概念稍微不懂，就被迫進入面對面補救教學階段，而傷了他的自信心。
王子華教授認為這個流程可考慮多增加一道自我學習的階段，即學生在進入面對面補救教學前，可先藉由動態評量系統進行自主補救學習。王子華教授說:「就像生病了，有些人可以藉由改變生活作息而自我療癒，不需要吃藥。」
動態評量系統在學生參與測驗後，會知道他的哪些概念較弱，並藉由回饋逐步引導他們自主學習。若是透過電腦系統就可學會，表示他們並不需再進行面對面的補救教學，不僅可省下重複學習的時間，也讓補救教學資源可以更有效地運用。
傳統教學認為學生只要把題目多做幾遍，成績自然就會理想，於是讓學生不斷地練習題目，或重複灌輸知識給他們。王子華教授指出，學習訊息若是一次給太多，反而會造成學生的負擔，其實只給「需要」的題目和回饋即可。何況，網路的資訊龐雜，若沒有「主動推薦學習」的功能，學習將如在茫茫大海中不知所從。
王子華教授就是以評量做為教學和學習策略，讓評量扮演老師的角色，評量不只是「診斷」, 還是「教學」的一部分，使學生在個別化動態評量學習歷程中，藉由一問一答與獲得回饋的過程自主學習。未來，這套動態評量系統可望延伸發展成「線上補救教學」機制，讓有限的補救教學資源得以更有效與更充分地發揮。 |
近代天文學的二個新發現–宇宙微波背景輻射信號和脈衝星 | 小百科
50 年前，天文學家對宇宙的形成歷程有許多不同的理論和學說，如大爆炸理論 (The Big Bang)、穩恆態理論 (Steady State model)、振盪宇宙 (Oscillatory universe) 等，大爆炸是當今廣泛被科學界證實和認同的理論。大爆炸的概論 — 宇宙是由一個極高密度和高熱狀態的奇異點 (singularity) 膨脹開始而延續到現在的狀態，它是描述宇宙誕生初始的條件和後續演化的宇宙學模型。
大爆炸的理論是 1927 年由比利時的物理學家勒梅特 (Georges Lemaître) 首先提出的。1964 年由彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和威爾遜 (Robert Wilson) 無意中測量到宇宙微波背景輻射的信號，經過詳細分析而推測宇宙太初是經過瞬間的大爆炸，延續膨脹到達今天的狀態，這初始狀態大約存在於 137 億年前。彭齊亞斯和威爾遜因這項研究成果而榮獲 1978 年諾貝爾物理獎。
脈衝星 (pulsar) 是一種中子星 (neutron star), 它會周期性地發射脈衝信號。第一個脈衝星是由研究生伯內爾 (Jocelyn Bell Burnell) 於 1967 年無意中發現的，引起指導教授休伊斯 (Antony Hewish) 的注意，進而全心投入這方面的研究。休伊斯於 1974 年榮獲諾貝爾物理獎，這是諾貝爾物理學獎第一次頒發給天文物理學領域的研究人員。1974 年，美國普林斯頓大學的赫爾斯 (Russell Hulse) 和泰勒 (Joseph Taylor, Jr.) 發現了第一顆無線電脈衝「雙星」, 他二人因這項研究獲得 1993 年的諾貝爾物理獎。
靈機一動
1964 年，貝爾實驗室有 2 位三十來歲的電波天文物理學家彭齊亞斯和威爾遜，著手建造一部微波接收器從事一些銀河系中天體的測量。其中，彭齊亞斯的博士論文指導老師唐恩斯 (C.H. Townes) 是雷射的發明者，他因雷射的發明於 1964 年榮獲諾貝爾物理獎，真是名師出高徒。
他們在測量時，發現太空傳來的信號經常有一些令人討厭而無法解釋的背景雜音，於是就開始找雜音的來源。他們發現接收器的喇叭上有鴿子的白色糞便，也有幾條電線沒接好，二個人花一整天的工夫把接收器的內外都清理乾凈，並把電線接好，但是背景雜音仍然「陰魂不散地」不斷出現。請電氣技工來看也不得要領，找不出什麼物理現象可以解釋這些背景雜音，周邊的同事也愛莫能助。
有一天，彭齊亞斯去拜訪 MIT 物理系的布克教授 (Burke), 提起微波背景雜音的困惑。布克說他上一次開會時，記得普林斯頓大學 (離貝爾實驗室只有 30 英里) 迪克教授 (Robert Dicke) 的一位學生匹伯斯 (P. Peebles) 曾經報告過一些太空背景輻射的理論計算。於是彭齊亞斯就打電話向迪克教授求教，希望他可以提供解決背景雜音的線索。
迪克在通完電話後就向他的學生說:「我們被人搶先了。」原來迪克的團隊正在做宇宙微波背景輻射的計算和實驗，而彭齊亞斯和威爾遜在貝爾實驗室得到的背景雜音就是這個實驗。很快地，貝爾實驗室和普林斯頓的研究人員就聚在一起討論，彭齊亞斯和威爾遜恍然大悟，那些測量到的微波信號並不是雜音，而是宇宙大爆炸後的「餘音」。不久，貝爾實驗室的實驗結果和普林斯頓大學的理論計算的二篇論文同時刊登在《天文物理學刊》(Astrophysics Journal, 142:414; 142:420, 1965) 上。彭齊亞斯 (左) 和威爾遜 (右) 因宇宙微波背景輻射的研究榮獲 1978 年諾貝爾物理獎。
重要性
大爆炸理論的框架是基於愛因斯坦的廣義相對論，並在方程式的求解上做了許多簡化，如空間的均勻和各向同性。物理學家推測，原始的宇宙是由極高密度和極高溫度的核子反應形成，先由最小的氫原子開始，繼而有氦、鋰等，這也說明為什麼宇宙間存在著豐富的低原子量元素。如果能用大型粒子加速器在類似條件下進行實驗，有可能驗證這一理論。但是當前的加速器所能達到的能量有限，要用加速器證明宇宙膨脹的理論有技術上的困難。
1929 年，美國物理學家哈柏 (Edwin Hubble) 通過天文望遠鏡的觀測，發現地球與星系的距離和這些星系的紅移 (red shift) 成正比。也就是說，遙遠的銀河星系和星團都一直在快速地遠離地球，而且比較遠的星系的移動速度較快，因此當前星系和星團間彼此的距離不斷地增大，這說明了膨脹宇宙的觀點，也稱作「哈柏膨脹」(Hubble-type expansion)。
1964 年，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射雖屬意外，但他們的專業訓練是電波天文學。他們測量到的微波背景輻射溫度是 7K, 而且是各向同性的，後來發現這些背景雜音很接近黑體輻射溫度 3K 的訊號，因此彭齊亞斯和威爾遜的實驗提供了膨脹宇宙 —「大爆炸」理論 — 的一個有力證據。
大爆炸理論 — 宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇異點膨脹到現在的狀態。
脈衝星的發現
1967 年夏天，劍橋大學卡文迪斯實驗室 (Cavendish Laboratory) 的一位 24 歲的女研究生伯內爾檢測電波望遠鏡收到的信號時，無意中發現有些信號具規律脈衝，脈衝周期是 1.337 秒，而且十分穩定。伯內爾向她的指導教授休伊斯報告這個觀察結果，接著每天晚上 12 點鐘的時候，又測量到這些脈衝信號，起初她以為這是外星人「小綠人」(little green man, LGM) 發出來的信號。
到了 11 月初，一些脈衝信號變得非常強，於是伯內爾就開始找以前的實驗紀錄，發現以前也有相同的脈衝信號，只是沒有人理會而已。在接下來不到半年的時間，又陸續發現了數個脈衝信號，他們認為這是新的天體，稱為「脈衝星」。脈衝星的發現是 20 世紀天文學的「四大發現」之一；上述的宇宙微波背景輻射是另外一個大發現。休伊斯教授本人也因脈衝星的發現和研究而榮獲 1974 年的諾貝爾物理獎，但是伯內爾小姐未能同享殊榮，學界對這頗有微詞，不過伯內爾本人並沒有提出嚴重的抗議。
1968 年，有人提出脈衝星是快速旋轉的中子星。中子星具有強磁場，運動的帶電粒子會發出同步輻射，形成和中子星一起轉動的電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸不重合，每當電波束掃過地球時，地球會收到一個脈衝。
脈衝星輻射電波會消耗自轉動能，因而自轉會逐漸放慢。但是這種變化非常緩慢，因此信號周期的準確度比原子鐘還高。而從脈衝星的周期就可以推測出它的年齡，周期越短的脈衝星越年輕。
1974 年，美國普林斯頓大學的赫爾斯和泰勒發現了第一顆無線電脈衝雙星，它們是兩顆互相環繞的脈衝星，軌道周期是 7.75 小時，軌道的偏心率是 0.617。當兩顆子星靠得很近時，極強的引力輻射會導致它們的距離愈加靠近，軌道周期會逐漸變短。通過精確的測量，無線電脈衝雙星軌道周期的變化可以間接證明引力波的存在，對驗證廣義相對論有很大的貢獻。他們二人因這項研究而榮獲 1993 年的諾貝爾物理獎。
恆星在坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度變得非常快，電磁波只能從磁極的位置發射出來，形成圓錐形的輻射狀態。
掌聲回響
雖然這些天文的發現是無意中得來的，但是他們的專業和學術訓練使他們能專注投入研究而能有創新的解釋，這過程就是科學研究的程序。下次如果你有不解的疑惑，必須追究到底，說不定那不解的疑惑就是一個大發現。
註：大爆炸理論已經被主流物理宇宙學界接受，而許多宗教團體對大爆炸理論也做出了種種反應，有些很快就接受了大爆炸理論的科學依據，進而試圖把大爆炸理論和他們自己的教義併合，如基督教說大爆炸理論與「創世紀」的經文記載不謀而合。
深度閱讀
脈衝星的研究者：休伊斯、赫爾斯、泰勒。
Roberts, R.M. (1989) Serendipity: Accidental Discoveries in Science, Ch.19, John Wiley & Sons, New York, NY.
Bryson, B. (2003) A Short History of Nearly Everything, Ch.1, Broadway Books, New York, NY.
黃崇源 (民 99) 膨脹的宇宙，科學發展，455,53-59。
http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
http://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar |
奈米科技與DNA感應器 | 近年來，由於生物科技的進步，不斷地研發出許多新型生物檢測方法，其中用來檢驗特定基因中去氧核醣核酸 (DNA) 序列的技術更是蓬勃發展。
所謂基因就是一段特定序列的 DNA, 以去氧核醣與磷酸酯為主要骨幹，並含有四種鹼基：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T) 與胞嘧啶 (C)。在兩條單股 DNA 之間，由於化學結構的相互吻合，可藉由 A 與 T,G 與 C 之間形成特定的氫鍵而相互吸引，構成雙股螺旋狀的 DNA 構造。
科學家可由一股已知的 DNA 鹼基序列，推測出互補的另一股 DNA 鹼基序列。例如，一條 DNA 序列為 AATTCGC, 則其互補序列就是 TTAAGCG。當二者序列完全吻合時，其間氫鍵吸引的力量最強；相對的，即使只有一個鹼基無法配對，就會使結合力減弱，在此種狀況下可以藉由增高溫度或是改變其所處溶液中的離子濃度，使錯誤配對的 DNA 序列脫離。
在長鏈 DNA 骨架中，以每三個鹼基為一密碼組，一個密碼組隱藏著一個特定胺基酸的信息。特定的基因在細胞核內先轉錄成信使核醣核酸 (mRNA),mRNA 即可攜帶錄自 DNA 的訊息經由核膜上的核孔到達細胞質，利用細胞質中的核醣體轉譯合成出特定的蛋白質，進而執行其在細胞中的生理功能而完成該基因的指令。有時即使僅有一個鹼基異於正常的基因序列，都有可能造成嚴重的生理缺陷。某些遺傳疾病，可藉由 DNA 的檢驗早期發現，及時治療。
科學家往往藉著此種 DNA 互補配對的特性，應用於基因檢測上。簡而言之，可先利用 DNA 合成儀製造一些特定的單股 DNA 序列，再藉由其互補配對的特性就能「抓住」欲檢測樣品中可與其配對的 DNA 序列。本文中介紹美國西北大學化學系莫金 (Chad Mirkin) 教授所領導的研究團隊所發展的三種以奈米科技為基礎的 DNA 檢測方法，這些方法首次將奈米科技與 DNA 序列結合應用於感應器上，其敏感度與選擇性均有重大突破。
奈米的特性
所謂奈米是一種長度的單位，而且是極為微小的一種單位。1 奈米為 10—9 公尺，大約是 10 個氫原子的併排寬度，這可能還是無法提供具體的奈米概念。若以人類身體構造為例，頭髮的平均直徑大約在 350 微米左右，也就是說約有 350,000 奈米，紅血球的直徑約為 7,500 奈米。
當物質以奈米級的大小存在時，不僅是體積的縮小，其導電性、磁性、電阻性、光學、物理及化學性質也會有很大的改變。舉例來說，這種 DNA 感應器所利用的材料是金 (Au) 奈米粒子。在一般人的認知中，黃金是黃色並帶有金屬色澤。但是，當它以奈米大小的粒子形式存在時，光學性質會因體積的極度縮小而有所改變，隨著粒徑的逐漸縮小，顏色的變化依序為黃、橘 (約 100 奈米)、綠 (約 50 奈米)、暗紅 (約 13 奈米)。不但如此，當奈米粒子的直徑、形狀稍作變化時，也會顯現出不同的顏色。
一般而言，圓形的奈米粒子較易製備，而製造三角形與三稜鏡形奈米粒子雖較困難，但均已找出製備的方法。因此，只要操縱顆粒的大小、形狀與種類即可達到不同的呈色結果。
下述三種 DNA 偵測技術中，都是利用金奈米粒子為材料，第一種是利用 DNA 抓住奈米粒子而呈色；第二種是以金奈米粒子顏色變化的特性為基礎，增加溫度後即可鑑別不同的 DNA 序列；第三種則是利用 DNA 促成奈米粒子整齊排列，進而形成電流通路，而達到偵測 DNA 的目的。由於這些偵測技術的選擇性極高，即使 DNA 片段中僅有一個鹼基的差異，亦能分辨得出來，因此應可取代螢光呈色的技術而應用在基因晶片上。
掃描式 DNA 感應器
莫金教授的研究群發表的掃描式 DNA 感應器，是以金奈米粒子的呈色為基礎。它的原理是以人工合成兩種不同長度的單股 DNA 序列，各為 12 個與 15 個鹼基，將它們分別固定在玻片與直徑約為 13 奈米的金奈米粒子上，在金奈米粒子上所連接的 DNA 序列稱為探針序列，另外在載玻片上的 DNA 序列稱為捕捉序列。這兩種 DNA 序列可分別與欲測樣品中具有 27 個鹼基長度的標的 DNA 的兩端互補配對，形成類似三明治般的構造。
如同一般的基因晶片，掃描式 DNA 感應器是預先在載玻片上將許多不同的 DNA 序列 a、c、d、e 等予以固定。其中只有序列 a 才能與標的 DNA 序列 (ab) 的一端形成互補配對。三者混合後，序列 ab 分別和玻片上序列 a 與金奈米粒子上的 b 形成結合。再用緩衝溶液將未配對或多餘的 DNA 序列清除。若樣品中標的 DNA 序列的濃度夠高，則會顯出淡淡的粉紅色，再以含有硝酸銀的溶液處理，由於金奈米粒子可促進銀的沈積，便可呈現黑色。
利用此種配對原理，可將金奈米粒子間接地固定在玻片上。當其序列間的鹼基能完全互補配對時，其結合力最強，若無法完全配對時，結合力即減弱，因此可藉著增加溫度，而使得非標的 DNA 序列脫離。
在經過增溫處理以確定僅存專一性結合後，存在的足量金奈米粒子會使樣品呈現粉紅色 (樣品莫耳濃度為 10-8、未以銀離子顯影液處理者), 但是當樣品中的標的 DNA 濃度降低時，粉紅色即變淡，無法以肉眼覺察 (樣品莫耳濃度為 10-10、未以銀離子顯影液處理者)。
為了解決這個問題，研究人員發現可加入含有銀離子的顯影液。因為金奈米粒子可促進銀離子與顯影液中所含還原劑 (氫) 之間的反應而生成還原態的銀，銀的沉積會顯出黑色，不但容易辨識，而且可用一般傳統的光學掃描儀器偵測。利用所得深淺不同的結果以灰階加以相互比較，就可區別樣品間濃度的高低，甚至能輕易地以肉眼觀察，因此大大提升了敏感度。即使當 DNA 序列間的差異只有一個鹼基時，都能區分出來。
由此掃描式 DNA 感應器所檢測的結果顯示，在較低溫時 (攝氏 40 度), 除了正確配對的鹼基 A 之外，其他三種錯誤的 G、T、C 鹼基對亦可結合。但是當溫度提升至攝氏 50 度時，僅有正確的腺嘌呤 (A) 仍然維持配對狀態，其他三種 (亦即 G、T、C) 的呈色會消失，因此決定選擇性的溫度是攝氏 50 度。若是溫度繼續升高至攝氏 60 度，即使是含有正確的腺嘌呤 (A) 的 DNA 序列也會脫離，而導致呈色完全消失。
以螢光為呈色的方法雖也有類似的結果，但是增溫範圍太小 (攝氏 15 度至 35 度), 決定專一性結合的溫度也較掃描式 DNA 感應器來得低。因此，溫度的變化只要高於正確結合的溫度攝氏 35 度，就會導致專一性結合的 DNA 序列脫離而使得呈色減弱。此外，由於實驗過程中需要反覆地以溶液沖洗，當正確序列結合的溫度太接近室溫時，會使得部分專一性與非專一性結合的 DNA 序列較容易一起被洗掉，因此其呈色普遍性地較為微弱。
由於掃描式 DNA 感應器的專一性結合溫度較高，就可以避免這種困擾。其敏感度較一般以螢光劑為呈色的方法高 100 倍，而且對於單一鹼基錯誤配對的選擇性也高出 3 倍。同時，因為掃描式 DNA 感應器的敏感度較高，對於樣品的量要求也就較低，因此優於一般以螢光呈色的 DNA 感應器。
以掃描式 DNA 感應器來偵測樣品中的 DNA 序列時，樣品中的標的 DNA 序列的濃度高低雖然可藉由灰階來推測，但是其結果僅能以黑白二色呈現，因此每次能檢測的種類數目受到較大的限制。以螢光分子為標幟的偵測法中能有顏色上的變化，較受一般檢驗人員的歡迎，而且若能以彩色呈現，就可以容許在檢驗樣品中一次含有多種待測的 DNA 序列，因此，如何將黑白變為彩色就變成研究人員的下一個目標。
彩色 DNA 感應器
簡單地說，彩色 DNA 感應器的基本原理與掃描式 DNA 感應器類似，但其差別為所用的金奈米粒子有兩種不同的直徑。研究人員研發出一種特殊的化學方法，可將與欲探測的兩種 DNA 序列互補的片段 DNA 予以修飾後個別連接在不同大小的金奈米粒子上，其粒子直徑分別為 50 與 100 奈米。其中一種 DNA (a) 與 100 奈米的金奈米粒子連結，另外僅有一個鹼基差異的相似 DNA (b) 則與 50 奈米的金奈米粒子連結。在玻片上事先固定有單股 DNA 序列 (c,d), 當此種帶有特殊序列的 DNA - 金奈米粒子，藉由標的 DNA (ac, bd) 分別與玻片上的單股 DNA 序列結合後，再以光照射，50 奈米的金奈米粒子呈現綠色，而 100 奈米的金奈米粒子則呈現橘色。
利用此方法，可偵測兩種不同的 DNA 序列。在較低溫度下 (攝氏 45~55 度), 二者均可與玻片上的 DNA 配對而呈色，但是將溫度升高至攝氏 60 度後，有差異的 DNA 片段就會因為其中唯一的一個相異的鹼基無法配對而結合力減弱，導致脫離，所顯現的綠色也因而消失。
在檢測的過程中，隨著溫度的升高，顏色隨之變化，進而綠色消失，以肉眼即可觀察到。由此結果即可判斷，能夠與直徑為 100 奈米的金奈米粒子配對的標的 DNA 與 50 奈米的金奈米粒子配對的另一種標的 DNA 含有不同的序列。
這種方法目前雖只能比較兩種樣品，但是未來仍有改善的空間。可藉著改變金奈米粒子直徑的大小或形狀的差異，產生不同的顏色而增加測試種類的數目。由於其專一性極高，不但可應用在一般的基因檢驗上，亦可用來偵測基因的單一核酸多型性 (single-nucleotide polymorphism,SNP) 差異與基因突變所導致的疾病。所謂單一核酸多型性差異是指某些基因在同種但不同的生物個體之間，其 DNA 序列僅只有一個核酸不同，雖然差異極小，但視其基因的重要性仍會造成明顯的個體差異。例如，可能會對某些疾病特別有抵抗性或是特別易受感染。
電子式 DNA 感應器
這個研究團隊又研發出另一種更靈敏的 DNA 感應器。他們在鍍有一層氧化矽的矽版上，以光蝕刻法製造出來一種微小電極，在電極間有一極細小的溝。在此溝中先固定一特定的 DNA 序列 (a), 再將電極浸入一種含有標的 DNA 序列 (ab) 與帶有另一特定序列 (b) 的金奈米粒子的溶液中。此標的 DNA 序列的兩端可分別與電極溝中的與金奈米粒子上的 DNA 序列配對結合，因此可將金奈米粒子固定在電極溝之間並形成緊密排列，再以含硝酸銀的顯影液加以處理。
因為金奈米粒子可促進銀的還原反應，而使得銀沈積在上面，浸在顯影液中的時間愈久，所沈積的銀粒就愈多，電子便可在兩極間形成通路而產生傳導，其電極間的電阻即大幅降低。因此測量電阻即可偵測出是否有 DNA 序列的配對結合。
由於非標的 DNA 序列與電極間序列無法完全配對，二者間的結合力較弱，因此使用含有特定濃度鹽類 (10 毫莫耳濃度的鈉離子溶液) 的溶液予以浸洗後，即可將電極間錯誤配對的標的 DNA 序列洗去。另外，也可以用上述彩色 DNA 感應器中增加溫度的方法來去除錯誤配對的 DNA 序列。所以可視當時偵測環境的限制，利用這兩種簡便的方法 (溶液沖洗或改變溫度) 中任意一種，來達到區分正確的互補配對 DNA 序列的目的。
研究人員並發現此方法所要求的樣品量可低至 5 × 10-13 莫耳濃度，這是一般以螢光分子為標幟的 DNA 偵測法所要求的樣品量的十分之一，而對於單一鹼基差異的選擇性更高達十萬倍。
從上述的各種檢驗方法中，我們看到科學家們針對各種問題不斷地加以解決、改進，巧妙地結合不同的科學領域，創造出更精密、更方便、也更快速的 DNA 感應器。在這些研究中，結合了有機化學、無機化學、材料科學與生物化學等多方面的知識，形成團隊，創造了更出色的研究成果。
這些 DNA 感應器可應用在各式生物檢測中，如細菌、病毒的感染、基因突變、遺傳篩檢，也可在戰爭中檢驗生物戰劑。例如，在這三種 DNA 感應器中，科學家們所設計使用的含有 27 個鹼基的標的 DNA, 就是九一一事件後名噪一時的炭疽菌所分泌的一種致命因子的基因片段。
除了上述這些檢測外，未來也用於基因缺陷的快速檢測，甚至能藉著檢測的數據提供我們許多到目前尚屬未知的解答，例如，核酸多型性差異與各種疾病、併發症間的關係，進而研發出診斷與預防的方法。人類因為有了這些成果，方能在醫療上大步邁進，期待有朝一日能達到「一切疾病，預防重於治療」的最佳境地。 |
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