零距離科學:仿生學之「最強防禦」

零距離科學:仿生學之「最強防禦」

我們想讓你知道的是

刺蝟、蜘蛛、海蚯蚓,看似沒甚麼特別,卻成就了三項抗震、抗排斥、抗缺氧的神奇發明。

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

不知道大家是否喜歡看《多啦A夢》(我還是喜歡稱它作《叮噹》)?裏頭的法寶樣樣新鮮,是孩童時我夢寐以求的禮物,可惜從沒夢想成真!其中最讓我著迷的是「竹蜻蜓」,我常幻想可以從家中窗戶飛回學校上課。「竹蜻蜓」物如其名,取自蜻蜓的形態,可以說是仿生學的卡通體現。

今集的《零距離科學》,從「抵抗」(Resistance)的角度,帶領大家一睹科學家如何在大自然覓得靈感,創造出媲美叮噹法寶的仿生科技成果。

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地球上很多生物都在演化過程發展出超強的抵禦器官,例如是啄木鳥既吸震又強力的啄。

抗震刺蝟頭盔

美式足球是北美非常普及的運動,比賽期間充滿著碰撞,每年更有為數不少的運動員出現腦震盪。倘約科學家能製造出一款「超級抗震頭盔」,便會是這個行業的福音!這也是一門大生意,投資在研發上的資金已達逾千億美元。

這時,科學家從刺蝟身上取得了要訣。刺蝟在逃避追捕者時,常會從高處滾下,但一點傷也沒有!原來牠們有一殺著,就是蜷曲身體,把皮毛上的7千根刺豎起,然後像球般向下滾。

刺蝟金剛不壞之身的秘密正是來自牠們的刺。這些刺是空心的,讓它堅硬得來帶點彈性。這個特點讓它在受壓的時候會彎曲但不會折斷(把它們折斷要多用二百倍的力量)。此外,刺的排列也很重要,它們看似隨機地鋪在皮毛上,但實際上不同的刺互相穿插,以致一條刺受壓便會造成骨牌效應,讓其他的刺分擔了壓力。

科學家參考了刺蝟的刺的材質與分布,繼而發明了「抗震刺蝟頭盔」,讓運動員不致太容易受傷,延長他們的運動員生命。這抗震技術還可以應用在兒童汽車安全座椅、運動鞋和護老院的地板上。

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刺蝟的刺啟發科學家發明了超級抗震頭盔。

人體兼容蜘蛛絲

人體其中一個奧妙之處,是免疫系統對外來物的排斥,但這也為醫學界帶來了難題。當進行某些醫學或美容療程時,醫生需要把植入物置於病人體內。免疫系統的排斥有時會導致發炎,甚至關節囊纖維化(Capsular fibrosis),需要再進行手術處理。倘若有辦法騙過免疫系統的攻擊,那就可以改善病人的術後治理。

科學家把目光投放在蜘蛛身上。眾所周知,蜘蛛會吐絲。那絲其實是甚麼?它們其實是一些絲蛋白(Silk protein)結構,有極高的強度、彈性,而且十分輕巧,最重要是能騙過我們的免疫系統。

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蜘蛛絲有極高的強度、彈性,而且十分輕巧。

既然這種蛋白那麼棒,科學家的下一步就是把它們大量生產。如果你以為科學家的方法是飼養大量蜘蛛,那抱歉,這方法不夠聰明……因為牠們的產出不太穩定,科學家其實是利用基因重組技術(Recombinant DNA Technology)的方法把絲蛋白的基因放進大腸桿菌(E. coli)內,利用這些細菌大量製造這蛋白。

接著,科學家用浸泡或噴灑的方式,在植入物的表面添上一層薄薄的絲蛋白塗層,然後便按照一般的程序進行植入手術。暫時,這種技術被使用在隆胸用的矽膠植入物上,科學家發現這種處理能讓植入物更好地融入人體的其他組織。

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科學家在隆胸用的矽膠植入物的表面添上一層薄薄的絲蛋白塗層,讓它免於被人體免疫系統攻擊。

海蚯蚓替代血液

另一個醫學界面對的困難是關乎器官移植。當醫生把器官從捐贈者的身體上摘下來,就會把它放置在電解質保存液中,然後必須在特定時間內把器官植入病人體內(心臟—4小時;肺部—6小時;腎臟—12小時)。很可惜,有大約7成摘下來的器官最後都被浪費掉,沒能造福病人。倘若我們能延長器官儲存的時間,那便可以減低浪費的比例,拯救更多性命。

科學家這次在海灘上找到了答案。有一種叫海蚯蚓(Lugworm)的生物,牠們像魚般用鰓呼吸,卻有一半時間生活在沒水的沙洞中,令科學家大感詫異。原來,牠們的血液裏有一種非常厲害的血紅蛋白,每一顆能盛載156個氧份子!相比之下,一顆人體的血紅蛋白只能盛載四個氧份子而已。因著這個緣故,海蚯蚓不會在海灘潮退沒水的時候缺氧而死。

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海蚯蚓的血液裏有一種非常厲害的血紅蛋白,每一顆能盛載的氧份子比人體的多出39倍!

科學家這次真的購置了一塊地,大規模地飼養海蚯蚓。他們嘗試把摘下來的器官放進海蚯蚓的血液中保存,發覺保存的時期久了,而且,接受腎臟的病人會更快康復,腎功能也有更佳的提升。

科學家還發現,海蚯蚓的血液並沒有血型之分,並且可以在室溫的狀態下保存5年之久。那之後是不是可以成為全適供應者(Universal donor),作為人血的替代品,造福那些貧血病人,或是在戰場上急需血液做手術的士兵?

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海蚯蚓的血液有望成為全適供應者,作為人血的替代品。

大自然的法寶

叮噹的法寶,只出現在卡通片中。大自然的出品,加上人類的智慧,卻可以轉化成仿生法寶,解決人類社會面對的問題。刺蝟、蜘蛛、海蚯蚓,看似沒甚麼特別,卻成就了三項抗震、抗排斥、抗缺氧的神奇發明(註:大家可以嘗試用叮噹的聲線讀讀我為它們改的名字)。下一件仿生法寶的靈感,會否就在你我的附近?

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於7月24日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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引領台灣2030科技轉型兼容「創新、包容、永續」三大願景,新科國科會主委吳政忠:我們從被動解題到主動出題!

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Photo Credit:The News Lens Brand Studio

我們想讓你知道的是

近期國內政府組織的重要大事之一,就是科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下簡稱國科會)。這個過去主掌國家科技發展預算及科研方向的部會,為何要在這個時刻重新調整組織體質?以及國科會聚焦科技賦能「創新、包容、永續」議題,有哪些不同於以往科技部的實際作為?我們專訪國科會首任主任委員吳政忠了解背後脈絡,讓民眾更理解國科會的任務,透過科技轉型同時帶動社會、經濟、産業、環境等面向的嶄新出路。

科技部為何要改制為國科會?關鍵的決策考量之一,就是因為在科技管理過程,國家整體預算的限制,領導人必須找到最值得投資發展的科技方向。也是在此脈絡下,吳政忠提到他在2017、18年時候,他擔任政委與林萬億政委、唐鳳政委,共同邀集多個國內政策智庫、領域專家,並廣泛接觸社會各領域不同世代、拜訪國際專家,採取多軌意見徵集及討論交流機制,共同集思廣益之後,擘劃出「台灣2030願景」藍圖。

這項跨智庫的研究勾勒出台灣未來將面臨的具體挑戰,像是人口高齡化及少子化、資源循環利用、工作樣態劇變、地緣政治…等明確方向。針對相關趨勢,經過多次討論檢視,提出2030「創新、包容、永續」的願景。不過這些議題跟科技有關面向,交給過往的科技部執掌就好,為何需要國科會扮演統籌角色?

吳政忠解釋,在他心中,國家的科技政策,不只是科技本身,而是與社會、經濟、産業、環境等面向環環相扣。如果是過去的科技部角色,很難與其他部會落實橫向的有效串接,因此在這個國科會成立的時間點,不僅能有效配置政府的科技預算,同時還要整合其他跨部會成員,讓各自部會原本執行的任務能加以妥善融合,更有效率達成未來2030年的「創新、包容、永續」的願景。

另一方面,吳政忠也提到,當這幾年疫情肆虐全球,口罩國家隊、晶片半導體,讓台灣躍升為舉世矚目對象。我們該如何從立基於ICT產業代工、OEM的基礎,運用新科技輔導台灣蛻變為兼具創新、包容、永續的數位島嶼、智慧國家?透過本次專訪,深入洞察國科會在管理相關科技產業發展,會扮演哪些要角及達成哪些任務。

以科技為體、跨部整合為用,從代工心態蛻變創新思維

過去的成功方程式,可能成為日後成長的阻礙。針對2030年願景的「創新面」,吳政忠提到,過去台灣善於等待歐美品牌開規格,再透過技術、人才實力在代工階段取得立足之地。現在,台灣更應該走出一條自己的創新之路,因為過去OEM模式下的人才培育,造就我們只練習解題,但不會出題目,於是商業競爭只能搶到次要商機。

台灣要創新,就必須有系統化改革,例如過去我們都避免犯錯,這與創新是格格不入的,而政府組織如果只仰賴單一部會,缺乏整合是無法用國家層級進行科技轉型。吳政忠說道,「國科會的成立,就是扮演協商跨部會的關鍵角色,從上游研究、中游法人單位、到下游業界應用,跨產學研一棒接一幫串起來,引領創新之際也能做到科技管理。」

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國科會主委吳政忠分享,國科會的主要任務就是做跨部會、上下游整合的工作。

要讓政策、計畫、再到管考,形成一個完善的Closed Loop(閉環),吳政忠以低軌衛星產業為例,他說,「幾年前聽聞SpaceX部署星鏈計畫,我們的太空中心從沒做過通訊衛星,我問如從零發展台灣自身低軌衛星要多久?答案是一、二十年!」

弔詭的是,這些衛星使用的關鍵零組件及晶片,就是由台灣生產。換言之,台灣擁有研發先進晶片的技術,更要從應用端創新找市場藍海。當時吳政忠擔任統合要角,集結太空中心、經濟部、工研院等單位,並且邀請民間企業加入,讓公私的資源整合得以敏捷組隊、快速試錯。

當時的遠見與行動,造就我們的「低軌衛星國家隊」成功打進國際供應鏈,更有望在2025年至2026年實現發射2顆自製的低軌通訊衛星。

走進尋常找問題、想答案,包容式普惠科技向大眾外溢

要想題目,政府組織可以從哪些地方找問題?吳政忠表示,「部會必須要跟地方、跟民眾多接觸,不要躲在辦公室裡面找題目;題目在哪裡?題目就在我們日常的生活,尤其價值最高的産品是越靠近身體,要知道人的需求在哪裡,『食醫住行育樂』處處是題目。」

吳政忠口中的食「醫」住行,「精準健康產業」正可以呼應2030願景的「包容」面向。讓醫療結合ICT科技優勢形成台灣未來百年大業。這兩大產業匯集的精準健康,不僅符合好題目的需求,讓普惠科技逐漸外溢到一般群眾甚至弱勢群體,減少城鄉醫療資源落差,用科技促成社會包容目標。

精準健康除了橫跨預防、治療診斷、照護等,同時基因、生理病徵大數據,這些資料運用怎麼合法合規,就不只涉及醫療院所、資通訊業者的責任,政府更需要擔負起守門人的職責。吳政忠不諱言,「幾十萬、百萬健康個資,如何避免資安竊取、妥善運用,這是國安問題,必須從管制角度完善規範。」

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國科會主委吳政忠解釋改制後的國科會主委由政務委員兼任,可提升跨部門溝通效率。

至於該怎麼做?吳政忠解釋,改制後的國科會主委是由行政院的政務委員兼任,這項制度的設計,讓政委有權協調各部門,商請各部會首長乃至行政體系官員,更有效率進行跨部會討論複雜議題。

以精準健康為例,相關利益關係者涉及民眾、醫院、醫材商、資通訊廠商、以及主管機關衛福部。針對想推展的創新應用,可透過「沙盒」模式驗證,以「並聯」多方協作商討模式,打破過去單點「串聯」溝通,進一步針對法規缺漏之處快速補強,又不拖累應用落地進度。

民眾有感的永續科技,培養跨界視野的科學人才

至於科技政策如何讓民眾有感,同時又實現永續目標?吳政忠坦言,科技效益要讓大眾從日常生活體察到,難度非常高,目前國科會的著力點有兩大方向。其一是基於前瞻基礎建設計畫,建構民生公共物聯網,打造中央與地方縣市交流平台,針對水、空、地、災議題,找出可行的科技解決方案。

吳政忠提到,以前嘉南一帶需要人力查看灌溉水道和閘門,這類職務被稱為「掌水工」,隨著農業鄉鎮掌水工高齡化,以及環境變遷造成氣候的不穩定,政府協助導入智慧流量監測、電動水閘門科技,幫助掌水工熟悉科技使用,減輕勞務工作的負擔,增進工作的效率,同時也能有效運用水資源達到環境永續。

國科會推動科技永續的第二個面向,則透過各種科普推廣計畫,吸引更多新世代人才投入科研。吳政忠指出,2019年開始舉辦Kiss Science—科學開門,青春不悶活動,把103個科研場域向外開放,並舉辦多達360場活動,鼓勵莘莘學子用趣味方式愛上科技、研讀科學。

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Photo Credit:國科會
國科會Kiss Science活動。

不過吳政忠認為,「所謂科學,不應只侷限理工也包含人文社會,讀人文社會也要懂科技」。學者出身的他,過去主要研究領域擅長於應用力學,搭上近期台灣地震不斷,瞬間化身教書的吳教授,展現他豐富的跨領域學養,親切談著地震波當中縱波(P波)、橫波(S波)的差異,他提到,科學在生活中的用處,就是當了解其中的原理,就能在災害發生當下比別人多一份淡定。

當科技定義的邊界越來越模糊,科技不止是國科會的科技,科技應該是與社會、經濟、産業、環境等共同介接。未來國科會在創新、包容、永續還有哪些新施政?讓我們拭目以待。

國科會科技辦公室 廣告


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