零距離科學:仿生學之「超感官」

零距離科學:仿生學之「超感官」

我們想讓你知道的是

在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)

人類為了面對不同的環境、滿足不同的需要,所創造的機械往往是叫人嘖嘖稱奇的,但另一方面,其他物種雖未如人類一般擁有智慧,牠們的身體及器官卻因數以萬億年的演化而變得複雜精巧,甚至媲美人類精心製作的器械。進一步說,人類更可從其他物種身上獲取靈感,藉模仿帶來新發明,這就是「仿生學」(biomimicry)。在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

其實仿生學並不是甚麼新鮮的事來——我們平常用的「魔術貼」就是靠模仿植物或種子上的毛刺而研發出來的,飛機的發明是受雀鳥雙翅所啟發,高速鐵路列車的尖咀流線型設計的靈感竟然是來自翠鳥的喙!不過生物的感官系統往往比牠們的外在結構更為複雜。假如我們不了解它們的運作原理,也無從模仿它們。不過近年科學家已逐步拆解出各種生物的感官系統結構及原理,因此我們也更能夠以仿生角度來造出更精巧的機械。

向「瀨尿蝦」取經

蝦蛄(Mantis Shrimp,香港人俗稱瀨尿蝦)是一種擁有神奇感官的生物。牠們的視覺非比尋常。讓我們以人類作為比較:人類擁有三原色視覺(trichromacy),因我們眼內有三種視稚細胞,它們對光譜的敏感度各有不同,有一種接收紅光較佳,另一種接收藍光較佳,最後腦部則會把不同的訊號混合處理,再形成我們所看見的顏色。

大家可以想像,假如有四種感光細胞,那麼既然多了一條頻道(channel),看到的色彩自然是大大增多了吧?沒錯,有些魚類及雀鳥是擁有四原色視覺(tetrachromacy)的,牠們的確能夠感受到一些我們無法感受的色彩。而蝦蛄眼睛的奇妙之處,就是在於牠們擁有十二原色視覺(dodecachromacy)。

這種能力源自於牠們眼部的結構。蝦蛄的視覺器官是複眼,這些複眼由上萬個「小眼」(ommatidium)所組成。在蝦蛄的眼球內,這些小眼可分成三大部分。大家可以把它想象成《寵物小精靈》的精靈球一般——有上半、下半、及中間的一條帶狀結構。

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蝦蛄的複眼分為三個部分——上半、下半、及中間帶狀區。

讓科學家最感興趣的就是中間的那部分,它稱為中間帶狀區(mid-band)。中間帶狀區是由平行排列的小眼所組成,可排成二至六行不等。那些擁有六行中間帶狀區的蝦蛄,其中第一至第四行小眼是用來感應顏色的。科學家從這些小眼當中發現出十二種感應不同光譜的感光細胞(photoreceptor),其中有些感光細胞更能感應紫外光(UV light)。

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蝦蛄是十二原色視覺者(dodecachromat),能夠看到比我們豐富得多的色彩。

此外,還有一點非常特別的,就是蝦蛄小眼內的感光細胞以一種獨特的方式整齊排列,產生出濾鏡的效果,讓牠們能夠感應偏光(polarized light)。對蝦蛄來說,感應偏光是非常重要的。當陽光以不同角度射進水裡時,它會產生不同的偏光模式,蝦蛄能藉感應偏光來獲取資訊,幫助牠在大海中導航。

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蝦蛄小眼中的感光細胞有著獨特的排列方式,形成了濾鏡,讓牠能夠感應偏光。

伊利諾大學厄巴納——香檳分校的電機工程學教授Viktor Gruev正正是向蝦蛄取經。他在2014年發表了一份研究,就是以模彷蝦蛄的小眼結構制作出高效能低耗電的偏光感應器,再以此感應器設計出水底定位系統。

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Viktor Gruev的研究團隊以蝦蛄的眼部結構為藍本,發明了一種能在水底靠偏光來定位的儀器。

向人眼學習?

除了蝦蛄,節目中還談及了另一種生物,他們的眼部也讓人們發明出新的感光機械。那生物就是我們人類自己!於近年逐漸普及的「事件導向型視覺感測器」(Event-based camera)正是由人類視覺系統獲取靈感而發明出來的。

一說到以機械複製眼睛功能,我們也許會立即想到攝錄機。雖然它的功能跟人眼相近——都是能夠擷取連續的影象,但兩者的原理卻是大大不同。

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人類的眼睛是非常精巧的器官。它能夠讓我們迅速獲取周遭的資訊。

在攝錄機的感光元件中,每一個象素都是按照共同的時間基準同時運作的。簡單來說,不少攝錄機是以25 fps (frame per second)來擷取影象,意思即是在每一秒內,感光元件中的每一象素都各自傳遞25次電子訊息至處理器。這種模式有一個明顯的缺點,就是當我們在攝錄一些快速的動作時,攝錄機未必能及時把動作影象中的所有資訊擷取。也就是說,會有資訊的流失。

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人眼是以類比訊號來傳遞資訊,是連續的。而攝錄機大多是以電子訊號來傳遞資訊,是離散(discrete)的。前者能夠更完整的保存資訊。

但人類的視覺系統並不是這樣。我們眼中的感光細胞並不是按照一個共同的時間基準同時運作的。它們也並不是照著每秒多少次的方式來接收、傳遞訊號。我們每一顆感光細胞都是長期、連續的接收著資訊,而且每當它感應到所接收的刺激(stimuli)有所不同時,就會立刻產生峰電位(spike),再把訊號傳遞至處理訊號的部位。因此感光細胞的訊號產生與傳遞是不同步的,是按照它所感知的改變而產生,這就是所謂的「事件導向」(event-based)。

這種感應模式的好處是高效而且迅速。高效是因為它的運作資源主力放在感應改變中的事物上,而不需多花資源在不變的部分上。譬如說,平常攝錄機在拍攝動態影像時,無論是不動的背景,或是移動中的物件,它也是以同等資源去處理的。但「事件導向」的感應器則只注意那移動的物件,在資源運用上自然是更為有利。

此外,人眼的感應模式並不受限於外在的時間基準。它既然是連續不斷的運作,也就是說並不需要每隔一段時間才接收資訊。這樣它便不會出現資訊流失的問題了。


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《國際大風吹|行動講堂》Ep4:疫情戰火雙重挑戰,經濟難民與糧食危機搶救行動刻不容緩

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我們想讓你知道的是

《國際大風吹|行動講堂》Ep4將帶大家關注因委內瑞拉通膨問題產生的經濟難民,透過與兩位來賓的對談深入瞭解問題始末,並從中認識世界展望會如何透過社區發展工作來回應全球經濟與糧食問題。

由李漢威、蔡尚樺聯手主持的直播節目《國際大風吹|行動講堂》第4集已於7月12日播出。本集邀請宏都拉斯國防大學榮譽教授楊建平、台灣世界展望會國際事工處主任吳正吉對談,深入委內瑞拉經濟難民問題始末,瞭解背後的政治、經濟脈絡,以及其涵蓋的飢餓、貧窮與兒童保護等迫切需要援助的議題,並從中認識世界展望會在委內瑞拉積極推動的社區發展工作。同時,也邀請各界共同付出行動,與世界展望會一起協助貧窮家庭與兒童回歸正常生活。

從世界展望會的角度來看「多做多得」,我們付出後得到的是兒童豐盛的生命。這些豐盛的生命是必須被協助、被完成的,因為這是兒童本應該有的權利。

經濟數字之下,看不見的兒童飢餓危機

根據聯合國難民署的統計,近年委內瑞拉難民數字不斷飆升,累積至2021年已超過460萬人,僅次於敘利亞的680萬人。但在戰火爭端與氣候變遷影響較少的中南美洲,為何會產生如此多的難民人口?事實上,委內瑞拉歷經國家一連串錯誤的社會及經濟政策後,於2014年爆發惡性通貨膨漲,民眾面臨嚴重的經濟困境,為求生存人們只好被迫出逃成為「經濟難民」。

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從經濟數字上觀察,委內瑞拉在2014年至2020年的6年之間經濟規模縮減74%、失業率高達51%,甚至有76.7%的人口處於極端貧窮(每日生活費低於1.9美元)的狀態。

今年初,世界展望會為了進一步了解委內瑞拉家戶在糧食安全、營養與兒童保護等方面的實際狀況,與當地組織合作展開深入的需求調查。結果發現,委內瑞拉70%的家庭面臨中度以上的飢餓狀況,嚴重的飢餓問題更造成30%的兒童身高年齡比低於平均值,這意味著孩子無法獲得足夠營養,而造成智力與身心靈發展上無可挽回的傷害。此外,調查更發現有20%的出逃難民會將小孩獨自留在國境內,衍生兒童保護、隔代教養等社會問題。這不只如實呈現經濟危機對當地家庭的衝擊,更讓我們看見其中迫切需要幫助孩童的輪廓。

繁華之後:弱勢孩童被剝奪的基本生命權利

或許很令人難以想像,如今面臨經濟困局的委內瑞拉,過去曾擁有包括醫療、教育、住宅等完善的社會福利制度,雖然存在貧富不均的問題,但人民生活仍算安穩。來賓楊建平教授分析道,對比今昔天堂地獄般的差異,其實皆源自於委內瑞拉國家得天獨厚的石油產出:

過去國際油價飆漲的黃金年代,委內瑞拉憑藉石油出口獲取豐厚的利潤來支撐國家的龐大支出,依據國際組織的調查,當時的施政策略確實減少貧富不均問題。但從2010年開始,因為頁岩油技術趨於成熟、國際經濟制裁等一連串的因素,讓國際上包含石油在內的大宗物資價格巨幅下跌,嚴重動搖委內瑞拉賴以為生的經濟命脈。漸漸的,國家開始無法支付各項社會福利的鉅額開支,加上國內政治動盪,最終使得國家經濟完全崩潰。

來賓吳正吉主任也補充,受經濟問題影響最直接、嚴重的就是生活其中的人們,尤其在脆弱的政經環境中,弱勢家庭與兒童更是毫無選擇的權利。就像影片中的Ami一家,孩子的缺陷不只讓家庭先天需要更多資源,母親離家、父親失業的後天影響更是巨大,此時冒險出走並非出於思慮後的決定,而是環境壓迫下不得不的無奈。幸好,世界展望會看見努力掙扎中的弱勢家庭,迅速組織動員發展緊急溫飽及社區發展的救援工作,協助更多與Ami相同境遇的家庭,給予兒童更豐富的營養條件,獲得應有的生命權利。

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先天聾啞的女孩Ami,5歲的她和祖母南希及父親安芬尼從家鄉長途跋涉到達厄瓜多找尋安身之所。圖中的米老鼠玩偶是她祖母親手清洗、縫合的,也是這段旅程中她唯一的玩具。

世界展望會視覺廣編視覺

重建土地關係,世界展望會從社區開始的經濟復健之路

追根究柢,石油究竟算是天賜禮物還是惡魔果實?來賓楊建平教授解釋,這種國家過度依賴單一天然資源的現象被經濟學家稱為「荷蘭病」。就國家經濟發展而言,這就像是雙面刃,天然資源出口獲得的大量外匯拉抬幣值,導致其他產業的出口不利,農業、工業、製造業等產業發展也隨之受限。不過相反的,這表示委內瑞拉仍有尚未開發的肥沃土地可以耕作,所以世界展望會進入委內瑞拉的首要工作,就是回歸根本,恢復當地居民與土地之間的關係,結合社區發展行動與生技發展工作,發展如「家庭菜圃」的長期計畫,陪伴社區成長、鼓勵多元的經濟發展。

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世界展望會面對委內瑞拉經濟問題的回應,就是透過「家庭菜圃」計畫去恢復社區跟土地的關係。

家庭菜圃計畫的重點之一,其實是源自於前面提到的兒童飢餓問題。世界展望會透過以下三個漸進式的進程,從糧食援助、技術扶助到地方組織的能力建設,讓許多受益家庭的孩子不只獲得營養改善,家庭的父母也更有自信,而委內瑞拉國家的社區發展更受到莫大的幫助。

一、緊急糧食援助
針對當下經濟困頓、糧食缺乏的家庭與兒童,提供立即性的糧食援助。
二、技術援助,扶助謀生
透過工作坊教導受益家庭種植技法與相關物資,包括種植技巧、種子、糧食技術等,並慢慢建立社區關係,給魚也給釣竿的過程也是在恢復人與人、人與社區、人與土地的多元共存關係。
三、長期兒童保護
經濟蕭條之下,童工、童婚等問題也層出不窮。因此世界展望會也在扶助的過程,加強兒童保護觀念的訓練,教育民眾如何避免兒童受到剝削,以及剝削發生時,如何與相關單位回報加以阻止。

不只委內瑞拉,新冠疫情衝擊全球糧食分配議題

然而,糧食與貧窮問題不只發生在經濟崩潰的國度。隨著俄烏戰爭與新冠疫情的雙重影響,經濟通貨膨脹已經蔓延全球,甚至許多國家開啟進一步的糧食管制措施,這將衝擊國際糧食問題,產生更多潛在危機。

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此外,還能從聯合國SDGs的17項永續發展目標看出端倪,降低極度貧窮人口率(extreme poverty rate)發生20年來首次倒退;截至2021年,有超過1億1千萬人口重新落入極度貧窮狀態,流離失所的人數達到8900萬人,其中最嚴重的4500萬人已經面臨飢荒邊緣。

經濟緊縮加上戰爭導致的國際糧食保護政策,都將嚴重影響那些原本就缺乏糧食、仰賴進口糧食的非洲國家。世界展望會也注意到危機將至,救援行動刻不容緩,不只透過飢餓30活動推行全球飢餓的倡議行動;更與世界糧食署合作,進入需要的國家進行緊急糧食發放、社區發展、家庭菜園等事工推行扶助計畫,讓人們擁有推行自己社區、謀求幸福生活的能力,藉此回應糧食缺乏帶來的生存危機!

立即伸出援手,共同面對糧食缺乏的困境!飢餓三十救援專線:(02)8195-3005 即刻救援動起來


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關於《國際大風吹|行動講堂》

由《國際大風吹》李漢威、金鐘主持人蔡尚樺聯手主持,每集《國際大風吹|行動講堂》直播節目將邀請重磅來賓,帶大家深入淺出、探討急需人們重視的國際議題,並呼籲各界付出實際行動,向需要幫助的人伸出援手,展開即刻救援。


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