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2011年11月30日 星期三

【作品】共同管道




又一陣子沒放文章了...
最近生活一團混亂@@
不過自己去招惹牛鬼蛇神也不能怪誰...

在放一篇工作上的作品來充數吧!
Alberto這張照片真的拍得不錯,謝謝他和實習妹妹的大力協助:)
也謝謝所有受訪者,還有PTT上匿名的AHELF:)

感謝大家的幫忙

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大標:都市血脈的不平之鳴

小標:共同管道


撰文/林韋萱(經典雜誌撰述)

攝影/安培淂(經典雜誌攝影召集人)

鼎泰豐門口霧氣蒸騰,捷運信義線的工程人員無視地走過,冒雨過了半個馬路,鑽進工地圍欄、攀下十幾公尺深的鷹架進入工作井。天空變得很小、雨水很冰,滑落進衣服裡……

這群工作人員花了十年歲月,執行全台第一個「捷運」與「共同管道」共構工程。渾身汗水與泥漿的他們,在地底所花的一分一秒,都紮實地見證台灣一步步的成熟。

捷運是什麼,你肯定知道。但聽過「共同管道」的人,恐怕為數不多。

先進國家的血脈

共同管道指的是一條大管線,裡面容納兩種以上公共設施管線,比方電信、電力、自來水、瓦斯等等。大型的共同管道空間極大,可以容得下人員、機具在裡面活動。

共同管道早被許多先進國家視為基礎建設。十九世紀,英、法、德等歐洲國家為了控制疫情,在建置排水系統時,便同時規劃共同管道。俄國則是為了避免戰爭破壞,將管線併入地下共同管道,同時也可防止嚴冬把水管凍破。在日本,共同管道則是地震的產物。

具備高度危機意識的日本,擁有全世界最完整的共同管道系統。一九二三年關東大地震,造成十五萬人罹難。不出三年,東京就完成了銀座共同管道;一九七八年,宮城縣大地震,接著仙台也建置共同管道。阪神地震後,該區管線因為有共同管道的保護而損傷極小,電力管線十四天修復、電信七天、自來水也在四十二天後恢復供應,更凸顯共同管道的重要性。

共同管道不只能保護都市的維生管線,更有機會保障市民的生命安全。管道下面只要加裝自來水蓄水池、瓦斯儲氣槽等等,就非常適合做為防災避難所。當大災害來臨,裡面有水有電有瓦斯,就成了可供千萬人避難用的諾亞方舟。這不是科幻小說,日本早已開始研究這類防災道路(廣場)的可行性。

日本人深深體認共同管道的效益,並積極發展它的各項相關建設。反觀同樣災害頻仍的台灣,難道也要等到重大災難發生,才開始懊悔當初沒跟進嗎?

●道路不平 人人有責

對台灣來說,共同管道最明顯的兩大好處是:不用挖馬路、以及減少人()孔蓋。光這兩點,就值得飽受「路不平」之苦的台灣人,竭誠歡迎共同管道。

台灣的馬路坑坑洞洞好比越野車道,害慘了不少機車騎士。輕則是一句髒話,重則可能是一條人命!法務部及各縣市政府統計資料顯示,民國九十四年到九十六年,總共有兩百一十一件的道路國賠案件,共計六千四百多萬元。而能領到國賠的人,僅是所有受害者中冰山一角。

「路不平」的問題可簡單分成先天與後天。先天問題指施工前後材料、天候、設計、施工品質等因素造成的問題;但是,也有不少道路剛鋪好的時候非常平順,可是由於之後不斷開挖,或是汽機車駕駛使用不當而造成破壞,這就屬於後天的因素了。

路面品質為人詬病的「瀝青混凝土」最怕的就是水,偏偏台灣多雨潮濕。只要路面上有一條小裂縫,水分就會滲透,使得路面底層的土壤強度降低。底層失去承載力,上層的瀝青就會崩解,造成路面有碗狀的坑洞。

中央大學土木工程學系林志棟教授進一步說明,美國從冬天進入春天的溶雪期,因為路面水份多,特別位這個時期制訂載重限制;但是,台灣的梅雨季雨量更多,卻沒有相對應的規範。還有,台灣的路面特別容易遭到水分侵害而剝落,裡論上應添加「防剝劑」增加強路,可是台灣鋪面規範中也無強制添加防剝劑。

再來是施工設計、品質的問題。過去為了省錢採最低價標,讓品質不佳或經驗不足的包商有機可乘,也許是施工中偷工減料,或是養護時間不足,或是檢驗時採作弊手法。

另外,〈台灣地區鋪面工程之現況問題探討與展望〉一文指出,台灣道路主管機關眾多,有:高速公路局、國道新建工程局、公路總局、內政部營建署、地方政府的工務局……等數十個單位。每個單位使用的設計方法和規範都不一樣,讓從業人員一頭霧水。

此外,像是省道、縣道,或是縣轄市道路的設計方法都頗古老,還在沿用一九五六、一九六九年時候的標準。這些萬年標準,還是直接抄美國的規範,並沒有仔細評估台灣的路基土壤強度、交通量等條件來量身訂做台灣的道路。

「規範一定不能抄!」林志棟教授說:「要考慮本土的天文、地文、人文、水文等條件。」像美國重車比台灣少,對路面破壞較小,直接超美國規範,並不能符合台灣道路的需求。學術界已經意識到這點,但政府及工程界卻沒有採用較符合本土的鋪面規範。

有了它,五十年不挖馬路

但是,除了上述先天因素,很多路面是後天遭破壞的。

行政院公共工程委員工管處處長徐景文,提出「使用不當」的問題。他解釋,「路」是有分等級的。國道、省道、縣道、鄉鎮道路設計規範都不一樣,比方說深山中的風景區可能僅鋪設產業道路,但有些遊覽車硬開進去。這些重車在爬坡的時候,扭力極大,很容易就把路面的粒料「刨」下來。接著,只要一有破洞孔隙,水就滲進入破壞路面了。

另一個後天造成路不平的因素,就是馬路開挖。十月初,交通部公路總局公布數據,從去年到今年六月底為止,五百四十六天內,全台挖路總長達五百八十七公里,相當於挖了一點二六條的台一線、兩百一十二個足球場的面積。

馬路挖挖補補對台灣人來說是家常便飯,三不五時就得忍受塞車、噪音和塵土飛揚的無奈如果電信、電力、瓦斯、自來水、汙水、光纖網路等常見的管線主管機關沒有協調好,就很有可能今天A公司來挖完,明天換B公司來挖。

台北市政府工務局共同管道科科長陳世杰也嘀咕,在他景美住家附近,幾天前台電來挖馬路,挖補完沒多久,自來水公司也跑來挖。理由是台電把水管挖破,所以必須重新再挖補一次。

關於這點,台中市有因應方法。台中市政府建設局主任祕書顏煥義表示,台中市採用「統一挖補」,協調各管線單位一起施工,並由政府單位整合所有發包採購流程。如此一來可以提高路面品質、減少交通衝擊。只是,統一由政府發包,會讓管線單位的維修成本提高,並非所有單位都願意顧及社會利益而「犧牲小我,完成大我」。

台灣有不開挖的馬路嗎?有的,就是台北市的市民大道。

台北市市民大道是全台灣第一個施作共同管道的道路。完工至今十三年,沒有發過一張挖路證。台北市工務局共同管道科科長陳世杰表示,施作共同管道的道路,禁挖五十年。管線單位如果需要維修,直接從維修出入口走進去就好了,輕鬆方便,不需要再圍堵馬路動工,忍受汽車廢氣與民眾咒罵。

減少()孔蓋的終極方案

道路不平的原因,除了挖路太氾濫。人()孔蓋數量龐大,也是造成路面凹凸不平的主因。

根據行政院公共工程委員會調查,全台灣有兩百八十八萬個人()孔蓋,平均每公里有六十九個,開車平均每分鐘行經四十到五十個,不到十五公尺就有一個。台灣為什麼這麼多人()孔蓋?因為所有管線都散布在路面下。原本這些人()孔蓋並不在馬路中央,但是因為都市更新,道路拓寬時沒有重埋管線,所以人()孔蓋就出現在慢車道上。

()孔蓋的存在對四輪的汽車尚且不舒服,對機車和自行車來說更是危險。徐景文分析,因為兩輪車車胎寬度小,又要把胎壓打飽,行經小坑洞都會感覺到震動,何況是又是有接縫又有弧度的人()孔蓋。

但有沒有辦法留住管線,但盡可能減少人()孔蓋呢?有。

現階段方法,就是把不常用的人()孔蓋埋在馬路下。依照行政院工程會統計,自來水孔蓋有三十九萬個,台電有八十三萬個,中華電信孔蓋有一百五十三萬個。協調各單位後,人()孔應可減少四十五萬六千個。

曾因為推動路平專案被計程車司機吐口水的台北市長郝龍斌表示,已往台北市的地下管道密度全國居冠,人孔蓋的密度也高居第一。而路平專案的目標,除了比照高速公路的施工標準鋪設路面,也預計將三之一的人()孔蓋埋在地下,其後再重新鋪路,鋪好的路段公告禁挖三年。

然而,把而人()孔蓋埋起來,只是治標方法。治本的方法就是共同管道了。只要能合併兩條管線,就能減少一半人()孔蓋。合併四條管線,就剩四分之一的人()孔蓋。

營建署共同管道科前科長彭保華,雖然已經退休,仍十分熱血地推動共同管道。他認為應以「共同管道精神」來推動共同管道,不見得要把所有的管線都納入,搞個浩大工程才算共同管道。

「寬頻管道一公里只要花新台幣五百萬元,就可併入有線電視、電信纜線,光纖管線等,這也算是一種共同管道!不一定非要做上億元的超大型斷面的工程才算數,」他說。管線能併盡量併,如此就能確實減少人()孔蓋,而非眼不見為淨地掩埋人()孔蓋,真正還給人民平穩、安全、舒適的路面。

令人卻步的初期成本

但是,先別太high!共同管道的施作有嚴格的條件。

共同管道初期建置成本極為高昂。以捷運信義線的共同管道來說,就算與捷運共構,大大減少了開挖、回填的成本,施作一公尺的共同管道仍然要價新台幣七十二萬元。整條信義線做下來,就要約五十二億元。

此外,共同管道的建置也頗耗時。捷運局副局長傅式治表示,原本捷運信義線大約五年可以完工。但是為了共同管道,工時需要拉長到九年。傅式治也承認:「與共同管道共構,比原先捷運施工流程複雜且困難很多。」但若是為了全民著想,捷運、共同管道共構,可以節省兩、三年的重複開挖、回填時間,也大大減少對環境、交通的衝擊。捷運主體本身妥協一點,卻能造福大眾。

初期成本五十二億元,貴嗎?其實不。

彭保華說,當初規畫捷運與共同管道共構案,找了日本工程顧問公司評估:捷運若使用七十五年,整個社會將獲得兩千三百三十七億元的效益(包括堵車、肇事等社會成本之降低、道路及管線維修成本之減少)。效益成本的比例高達四十幾倍。

但是,「誰分攤?誰受益?」是最大問題。目前共管基金的分配方式是:政府負擔三分之一,參加的管線單位分攤其他三分之二。很多管線單位抱持著本位主義,不願意參加共同管道。行政院公共工程委員會主任委員李鴻源指出管線單位的猶豫:「管線主管機關會覺得,又不是我被抱怨路不平,為什麼要我出錢來造福大眾?」。

適切評估共同管道路網

另一個問題是,許多開發完畢的地區,不可能為了共同管道又重複開挖。平心而論,台灣很多地方已經喪失做共同管道的機會了。

二十多年前就曾赴日考察共同管道的李鴻源,認為共同管道理念很好,而且早該做了。但是,因為台灣都市開發得差不多了,實在沒必要為了做共同管道開挖馬路。以台灣現今條件來說,共同管道有如「天邊的彩虹」,施行上困難重重。

目前共同管道都是配合捷運或其他重大工程,像是高鐵或新市鎮開發等一併施工。與捷運共構是最經濟也最實際的方式。捷運一定做在熱鬧的地方,只要這些熱鬧的地方不挖馬路,共管的效益就很划算了。

針對共同管道選址,台灣已有詳細的法規。〈共同管道法〉第十一條:「新市鎮開發、新社區開發、農村社區更新重劃、辦理區段徵收、市地重劃、都市更新地區、大眾捷運系統、鐵路地下化及其他重大工程應優先施作共同管道……

什麼!「農村社區」也要做共同管道嗎?

當初立法時,有些立委抱著「共同管道太棒了!所有地方都要做」的心態,把其實不太需要共同管道的農村規劃進來。其實,交通量少的農村,並不需要花大錢做共同管道。但卻因為法規中多了這一項,中央主管機關──營建署反而不便強制所有上述地區都推動共同管道。而在法規中加上了「優先施作」,如此一來,又給了共同管道的推行很多可規避的模糊地帶。

萬事皆備,只欠東風

台北市新建工程處提供的資料顯示,目前台北已經完成六條共同管道。包括基隆河截彎取直共同管道、市民大道共同管道、南港經貿園區共同管道、洲美共同管道等等。另外還有多條路線正在施工、設計中。

台灣民眾還對此懵懵懂懂,渾然不知這是令中國人民欣羨的一項成就。十多年前,中國上海同濟大學和浦東開發局的院長教授,參觀了施工中的市民大道共同管道。回到中國後,馬上選定浦東張揚路風風火火開始動工。在缺乏法令、協調機制的情況下,就這樣硬著頭皮土法煉鋼。六千人、花兩年,完成了七公里的共同管道,並驕傲地稱之為「天下第一溝」。

沒有法源、沒有技術的中國尚能如此有效率地推動。反觀台灣,縱使有全世界唯二的共同管道法(另一個是日本的〈共同溝法〉),有詳細的施行細則、有共同管道基金來源。現在不做,更待何時?如今「萬事皆備,只欠東風」。而這東風就是主政者的魄力!

當初黃大洲、陳水扁、趙少康,三人競選台北市長時,人人政見都提到興建共同管道。然而,一上任,主政者就開始遲疑了。有選舉壓力的人,最怕就是挖馬路帶來的民怨。外加共同管道做在地底下,不像發年金、搞展覽顯而易見。這個吃力不討好的政策,想取巧的政客是萬萬不會優先考慮的。

不過,擔任三十四年公務員的彭保華回憶,與他交手過的執政者也不乏有魄力的人。像郝柏村擔任行政院長時,就曾說過:「誰反對共同管道誰下台」。陳水扁任台北市長時,也強力要求台電配合施作,否則台北市不准台電挖馬路。

另一個很有魄力的是前嘉義市長張博雅。張博雅的母親許世賢擔任嘉義市長期間,就有施作共同管道的政績,讓嘉義市可以少開挖馬路,因此張博雅表示要效法母親施作共同管道。堂堂一個市長,開會的時候還搬出「我媽媽」,令彭保華印象深刻。

共同管道,這條企盼已久的都市血脈,保護著都市的生命線,也挑戰著既有體制與主政者的腦袋;它是一個有效率的政府、有4D(four Dimensional space:立體空間與時間維度)思維的領袖才運轉得了的政策。

每次道路的挖補,每回若又有人因路不平而傷亡、每逢高壓電纜地下化的爭議……共同管道便提醒著台灣執政者要有遠見,不要讓人民再承受「早知道」的懊悔。也提醒台灣人,不要僅學先進國家的皮毛,而忽略了深層的內涵。

一條遲來的管道,看盡台灣公共工程推動的層層阻礙,見證各界的本位主義,冷眼觀望當政者的無奈無能,卻也肯定了不少熱血專家與政治家永不嫌晚的遠見。

2011年5月26日 星期四

花的詩

六月就要到經典上班了。趁這之前把一些作品丟上來,不然這裡還不知道要乾涸多久。

之前天下出了一本「花現台灣」。裡面寫了一百零八種常見野花,每種花要寫個小小的、像新詩一樣的前言,要包含著植物的特性,又不能像圖鑑。於是,我就被叫去幫忙寫了其中的幾種……

那時候我剛寫完軟性電子,稿子才交給編輯都還沒定稿,就開始弄這些花的詩。後來還走火入魔夢到用花瓣做成的軟性顯示器。自從寫實驗傳奇後,這種情況還滿常發作的,比方說把MRT(捷運)看成MRI(核磁共振),或是看到晚上閃著綠光的美麗華摩天輪,就會想到綠色螢光蛋白….

因為很久沒寫blog了,所以就把這些小小的詩(?)拿來跟大家分享當初創作的里程。很多都是我自己心境的投射,比方說等待的苦、對其他國家的嚮往、幹譙男人等等。把花擬人化,我想對於認識和記憶植物的特點會有點幫助吧!

文字部分我應該是有著作人格權可以放在blog上,不過圖片就要請大家自己找了。


王者的驕傲 金花石蒜

盤踞海角的龍的爪,

花與葉王不見王的驕傲。

孤昂地攀著峭壁、迎向天空。

不用誰給我溫暖,

我,就是太陽。

註:囉嗦一下!五專的時候參加自然生態保育社,當時學長姐帶我們到鼻頭角認植物,其中就有金花石蒜。當時還滿喜歡裡面的學長的:P所以對這花特別印象深刻。因為金花石蒜又叫龍爪花,又因為花、葉在不同時期生長,所以我就把這些特性寫在裡面。

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流浪者之歌 棋盤腳

不要問我從哪裡來,

我曾是裝著生命的小小包袱,

飄洋過海,尋找落腳的地方。

然後,我又開了一樹的花,

黑夜苦短,值得我們拚命燦爛,

等到繁華落盡,

再開啟下一輪註定的流浪。

註:棋盤腳的果實會隨著水漂流散播,而且花朵只在入夜後開,天亮就凋謝。

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奉獻 黃槿

還能為你做什麼?

燃燒的柴火 是枝條的成年禮

鞦韆刻劃著 對痀僂軀幹的信任

女孩的指甲 是紫紅花心的歸宿。

請更依賴我吧!

這是對我的成全。

註:黃槿是種被徹底利用的植物。我寫這個的時候,有種很想哭的感覺。雖然我寫實驗傳奇也常常很想哭,但那是不一樣的:P

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海檬果

親愛的

別怪我狠毒

只怪你自己偷吃

:犀利人妻觀後感J 海檬果的果實很大顆,可是吃了會死喔~

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稜線上的公主 黑斑龍膽


我擁有整片天空

我管轄整座山峰

啞口的風是我招來的

雨水也為一親我容顏而降下

雖然可惡的陽光

在臉上晒出了雀斑

但仍無損我令人臣服的耀眼

註:這篇出版後沒放。我是想把黑斑龍膽擬人化成一個孤單要驕傲的公主病患者:P 是不是有點我的影子在裡面啊?

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少女的祈禱 欖李

仰望天空的白衣少女

如六月細雪細碎低喃

祈禱 彈塗魚與招潮蟹 生活無虞

祈禱 雁鴨與琵鷺 旅途平安

祈禱 氤氳的水氣 帶著祝福一起上升

再降回滋養眾生的家園

註:欖李是紅樹林的植物。寫他的時候,我已經文思枯竭,看什麼都沒感覺了。後來因為應欽的文字寫說,欖李的花都是朝天上開,像是在跟老天爺說話一樣。我才想到少女的祈禱這個形象。

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美人心聲 豔紅鹿子百合


外表,

是不能承受之重。

別帶我走!

因為,攫住你目光的

不是我的美,

而是承載著我的綠地與藍天。

註:這麼美又瀕臨絕種的花,我沒想到我竟然很無感….就只好從他瀕臨絕種的原因下手了

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忠誠的原因 水芫花

沒人告訴我,

為何堅守在臨海的第一線。

風夾著鹽與沙刮著我的臉,

根與石交纏出身不由己的忠誠。

任憑海水澆打吧!

反正我是那兒也不去了。


註:很多號稱愛故鄉所以不願意到外地念書發展的人,其實都像是水芫花一樣。不是選擇不走,而是跟周遭的人事糾纏的太緊密,走不了了。這種身不由己的忠誠,不值得拿來說嘴,更不應該拿來批判那些放得下、走得開的人。

歐巴桑的熱情 石板菜

不請自來的歐巴桑

見縫插針的小嘴兒

嘰嘰喳喳 嘰嘰喳喳

漫了一地

菜市場般高分貝的金黃

註:這篇的文字好像書裡也沒出版。我猜編輯不喜歡可愛風

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情竇初開 尖舌草

終於,盼到了的這天。

我輕吐舌尖,

想一嚐人世情愛的甜美。

而那半闔半開的,

是我

易碎怕疼的琉璃般的心。

:又是一個無感的花。如果從花名下手,就代表我真的沒靈感了

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講古 昆欄樹

霧裡雲葉,

訴說著千萬年奇蹟身世。

前世的軀幹化做今日的容顏,

肉身包裹著不願風化的記憶。

驀然回首,

還以為,

一切都已淡然。

:昆欄樹又叫「雲葉」,有名的地方在他雖然長得像闊葉樹,但身體裡面還是有針葉樹的管胞,所以才說有「前世的軀幹和今日的容顏」。是不是有很多這樣外表不老但內心很滄桑的老人呢?

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最後一搏 夏枯草

如果命運

要我錯過最繽紛的季節,

那就容我

奮力築起遍地藍紫的寶塔,

鎮鎖住

你即將飄走的目光。


註:我要抗議一下,寫這樣形式的文字,其實需要好幾天的醞釀。寫這篇的時候,我正在往天母騎機車看中醫的路上,一路腦袋都在轉。突然想到了幾個字,緊急剎車停在大度路上把點子寫下來。結果,這樣日思夜想,竟然是一個字兩塊的代價@@

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夢想家 東方肉穗野牡丹

人們遠道而來山裡看我,

我卻想出走。

東方的靈魂轉動西方的風車,

吹擾著想遠颺的心。

也許,

我終究不是冒險家,

但我的名字阻止不了我編織遠方的夢。

:又是一個沒靈感,只好從名稱出發的植物。很想離家出走的植物跟我一樣….

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半邊信物 草海桐

從前

我提起花邊裙襬

繞著你迴旋輕舞。

你離開後,

我執著半邊信物,

數著潮起潮落,

等你下一次出現。

:這也是海濱植物,花只有半邊花瓣。看文字就知道我有多痛恨遠距……

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五梨跤

私心求你不要長大

老天

請原諒我

這雙捨不得放開孩子的媽媽的手

:這是種胎生的植物。幼苗會掛在樹上,直到母樹撐不住才掉在土裡。我有點擔心,這些文字我不解釋,大家會知道那個前言在寫什麼鬼嗎?

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文殊蘭

雨啊,請不要停

好讓我倆共躲破傘下的美夢

可以永遠不醒


高山藤繡球

別只在我身邊飛舞。

我拋下的繡球,

你敢不敢接?

:應該很多女人都想跟男人講這樣的話吧!

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印度鞭藤

省去了蠱惑的咒語

用不著勾人的笛聲

卻令我甘心隨你起舞

你是第一流的弄蛇人

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狹瓣八仙花

裝闊,才能招蜂引蝶

在人與植物的世界

都是不變的真理

: 為了吸引蝴蝶的假花瓣。植物也是很奸詐的。

2011年3月4日 星期五

【非關科學】生活中的軟性電子

繼最無聊的機器人主題後,又來一篇更無聊的軟性電子,
只是不放上來,最近也沒什麼新文章好post了。

這次真的很感謝成大微奈米中心的林主任和謝博士、吳博士,
又親切又熱心。

也要感謝素未謀面的Qualcomm劉純娟小姐,上班下班都一直被我煩插畫的事,真的太謝謝你了,記得找我請你喝咖啡:)

也謝謝我表姊阿君姊姊,邊抱著小孩餵奶還要邊跟我分析軟性基本的優缺點之類的,後來小娃娃還尿在她身上…

謝謝哲榮、邱哥、插畫家超級辛苦的把我自己都搞不懂得插畫弄出來了。

每次都在想,我們花了幾個月上山下海做出來的東西,
大家花了幾秒就翻完了呢?
剩最後一篇就結束實驗傳奇系列了,讀者有記得什麼嗎?
我又留下了什麼呢?

好多人都說這系列很難、很無趣,叫我blog上多寫一點對生活的碎碎念。
我其實一直在努力把科學寫的跟那些風花雪月的事一樣有趣,
希望大家也能給點機會去讀讀看我的努力,
說不定科學沒有想的那麼恐怖。

這次是採訪、寫稿都最痛苦的一期。訪了快二十個人,結果一個故事都沒有。想到這期就好累…連心得都懶得打了。還是去睡覺好了…


欄目:實驗傳奇
大標:柔軟勝剛強
小標:生活中的軟性電子

撰文/林韋萱(經典雜誌特約撰述)
攝影/劉子正(經典雜誌攝影)

我把自己包成卡通「南方公園」裡「阿尼」的模樣,跟著成功大學助理研究教授謝伯宗來參觀微奈米科技研究中心的無塵室。

機台上放著綠色包裝的椰香口味「乖乖」,綠色是機器正常運作的燈號,而乖乖就是要機器乖乖的別鬧彆扭。每年中元普渡,這些研究人員就會拿拜過的乖乖鎮住機器。謝伯宗說,有一年,一個嘴饞的傢伙把乖乖吃了,後來機台壞了兩個月。

謝伯宗研究的是「軟性能源材料」,屬於這次主題──軟性電子(Flexible electronics)的一環。軟性能源材料有不少研發、製作的部分就是在無塵室中進行的。

軟性電子嚴格說來不能算是一個科技領域,而是一種創新概念。如果看到了電子元件號稱「軟性」、「可撓」、「薄膜」,大概都與軟性電子相關。

軟性電子簡單來說,就是把過去硬的電子元件變成軟的。如果應用於顯示器上,未來你的電腦螢幕就可以捲起來帶著走;用在電燈上,就可以把燈當成壁紙貼在家裡當裝潢;如果衣服上有軟性電子的概念,也許在寒冷的冬天就會自動加熱;電子皮膚則可以附著在機器人手上,讓代勞取物的機器人東西拿的更穩。 軟性電子的應用,已漸漸在生活中見到蹤跡。

●軟性電子現身花博
如果有機會去台北國際花卉博覽會的夢想館,可以試著找找看音樂從哪發出來的。這是工研院電光所的研發技術之一──「紙喇叭」,因為如紙一般輕薄、可裁切。所以做成像是花、葉的形狀,藏身在夢想館裡。不過,你可能要把頭抬高一點才找得到,因為工研院擔心遊客會將這些美麗的機械花葉帶回家作紀念,所以裝設的時候位置放得比較高。

工研院電光所奈米電子技術組經理劉昌和說,原本想把軟性電子的概念拿來製作卡片,但考慮到軟性電子的最大特色就是大面積,所以改為研發這款以紙和金屬電極為材質的紙喇叭。原理是把兩張紙上鍍上金屬當作電極,中間夾了層帶電薄膜。當金屬電極一通電,薄膜就會開始前後震動發出聲音。

軟性顯示器、紙喇叭、電子皮膚、軟性照明、軟性能源……上述每一種軟性電子的應用都是完全不同的學問。其中,只有一件事情共通,那就是不管要做成什麼,都需要軟性的「基板」。

基板就像是三明治外層的吐司片,你可以裡面夾生菜、夾蛋或放上任何你愛的食物,做成不同口味的三明治。但是,不論什麼口味都需要吐司片來承載這些配料。工程師所說的「基板」,就是承載內容的吐司片。上面可以放電路成為電路板,或是形成三色濾光膜應用在彩色螢幕上。

過去的基板十之八九都是玻璃或是矽基板。以矽為基板生產半導體晶片的矽谷
也因此得名。玻璃和矽基板性質堅硬、穩定,但是一摔一撞就碎了,而且又重又硬不好攜帶和應用。於是,使用金屬以及塑膠做成的軟性基板就應運而生。

工研院電光所軟性電子系統組的蔡金津博士說,軟性電子的出現,除了代表更人性更便利的應用;也因為它的軟薄特性,得以讓它像印報紙一樣,可以一卷一卷(roll to roll)用滾輪把想要的材料印製上去。如果是傳統的玻璃基板,因為材質堅硬、面積固定,不可能把它捲起來印製,所以必須在真空環境中把材料鍍上去。

抽真空的成本高、速度慢,而且容器的大小固定,沒辦法讓你想放多大的基板進去都隨心所欲。軟性基板克服了這點,但接下來還有更多的挑戰要面對,以材料的特質來說,塑膠耐不了高溫,水和氧氣的滲入也會造成破壞,必須塗布阻氧阻水的阻隔層。以成品來說,可彎曲的程度、次數是不是足以符合消費者的標準,而不是多捲幾次軟螢幕就變得皺巴巴的。

以製程來說,軟性基板的問題更複雜,因為印製的過程類似噴墨印表機。先把我們要的材料(溶質)溶在有機溶液中(溶劑),精準地噴到我們要的位置,然後再把不要的溶劑讓它揮發掉,留下我們要的溶質附著在基板上。但是,就像蓋章一樣,你要抓多少印泥壓到紙上,希望紙上能殘留多少,而且還要印到數十奈米的精準度,這都牽扯到複雜的表面化學。「光講這個就一篇博士論文了。」台灣大學電機工程學系助理教授陳奕君說。

●電子紙在台灣
在台灣,軟性電子發展最火紅的領域,就屬軟性顯示器和軟性能源了。軟性能源大多是指軟性電池以及軟性太陽能板。為什麼要研發軟性電池呢?如果,研究人員花了九牛二虎之力,終於研發出軟的電腦螢幕或軟的手機,卻獨缺軟性電池,使得軟性螢幕還得背負硬梆梆的電池,那也是白搭。軟性電池的挑戰在於將傳統的電解液改成柔軟固態的材質,才不會有電解液外漏的問題。而軟性太陽能板則可以作為帳棚的外罩,讓露營的人在戶外也可以充電。

另一個熱門領域則為軟性顯示器,像是手機、電腦、電視螢幕,如果能做成軟性的,那將來在家打棒球都不怕電器壞掉了。其中的「電子書閱讀器」更是台灣目前發展火紅的領域。

嚴格來說,「電子書閱讀器」其實與「電子書」是兩回事。「電子書」泛指可在
電腦螢幕、手機、閱讀器上閱讀的電子檔書本內容。而閱讀器指的則是承
載「電子書」的機器,比方說Amazon的Kindle、美國最大書店Barnes & Noble出的nook,或是華碩和慈濟合作研發的「靜思電子書閱讀器」。

這些閱讀器的螢幕,看起來就跟紙一樣,不像電腦螢幕會自己發光,而是靠著自然光的反射。所以也像一般紙張一樣,關燈就看不到了。最大的好處是可以重複使用、輕薄、省電、不傷眼,比會自己發光的液晶螢幕更適於長時間閱讀。

一本電子書閱讀器是由很多元件拼裝在一起的,前蓋、背蓋、以及使用玻璃基板
製作的電路板因為沒用上軟性電子的概念,我們就暫且不管。只要把顯示板中薄薄的「電子紙」抽出來看就好。

台灣師範大學應用電子科技學系高文忠主任說明,電子紙技術可以分成:最上面負責顯示圖像的電泳顯示器(EPD)、負責控制電流的電晶體(TFT)和負責提供驅動電壓、軟硬體溝通、告訴顯示器要顯示什麼字樣的驅動電路系統(Driving System)。

電子紙技術中後兩者原本就是台灣的強項,獨缺電泳顯示器技術還掌握在美國手上。這幾年,台灣的元太、友達,分別併購了美國最知名的電泳顯示器公司E Ink和SiPix,等於把電子紙產業整個兒移到台灣了。

●電子怎麼排出字型
電泳顯示器中的「電泳」,顧名思義就是帶電的顯示顆粒因為附近電場的影響而游泳。比方說在帶負電的顯示顆粒附近施加正電電場,顯示顆粒就會往正電方向跑去;如果附近有負電,就會同性相斥而跑得遠遠的。所以研發電子紙的人就利用同性相斥、異性相吸的原理驅動電子移動。
以電子紙大廠之一的E Ink技術來說明,它是由兩層薄膜電極中間夾著上百萬個細小透明的樹脂膠囊。膠囊中裝著透明的液態介質,裡頭有帶正電的二氧化鈦白色顆粒和帶負電的黑色碳顆粒。
當底部的電極給了正電,帶正電的白色顆粒就會同性相斥跑到膠囊上方,同時間帶負電的黑色顆粒就異性相吸到膠囊底部。因此,從上方看起來,這個膠囊就白色的;反之,看起來就會是黑色的。因此可以藉著控制電極給予正電或負電,來控制膠囊中黑白粒子的移動,而排出我們想要的字或影像。

因為膠囊中的介質濃稠,所以給予電壓後讓顆粒移動到定點,顆粒會停滯在原處不會亂跑,如此一來就算斷電後畫面還是固定的,稱之為「雙穩態」。等到要切換畫面時再施加電壓讓黑白顆粒大風吹即可。電泳顯示器因為雙穩態的特性,只有切換畫面的時候需要用到電,所以這樣的閱讀器就算不充電也可以連續使用兩個禮拜以上。

相對於E Ink的微膠囊技術,最大對手SiPix使用「微杯」技術。原理差不了多少,只是膠囊換成了一堆極小的杯子,稱作微杯。微杯裡面裝著黑色的液體,液體中懸浮著白色的二氧化鈦顆粒。只要控制電壓,讓白色顆粒往上,看起來就是白色;如果白色顆粒往下沈,看到的就是黑色液體所呈現出的黑色。

近年來黑白兩色的電泳顯示器技術已逐漸成熟,但高文忠回憶,幾年前剛進入這領域時,拿到的
電泳顯示材料,需要很高的電壓才能驅動、顯示的顏色也綠綠髒髒的。甚至畫面不是雙穩態,畫面顯示結束後,上面的字體圖案沒多久慢慢就會消失不見了(對閱讀速度慢的人來說壓力會很大)。另外,如果不用很高的電壓,很難驅動該顯示器,外加成本高、技術也複雜。

●全彩、快速是電子紙的下一步
時至今日,電泳顯示器還有缺點。第一,無法顯示全彩。曾經有人試著加裝三色濾光片,但顏色汙濁並不美觀。另一個缺點就是電子紙反應很慢,一秒鐘只能換一、兩頁,當然沒辦法看影片、動畫。而且如果氣溫一低,介質變得濃稠,帶電顯示顆粒游動速度更慢,畫面切換速度也更慢。
為了克服氣溫帶來的影響,華碩電腦易平板事業處資深經理戴佩勇說明,電子閱讀器中的溫度感測裝置可以讓閱讀器調整電壓。當溫度低,施加的電壓大一點,就可以讓顯示顆粒跑得快一點,以維持固定的切換速度。

然而,因為電泳顯示器先天的限制,電子泡在濃稠介質中要游來游去當然會花點時間。就像過去幾年的國慶日活動,有用人體排出「國運昌隆」等字樣。如果要這些人泡在水裡排字,肯定反應會慢很多。

因此,台達電及輪胎公司普利司通就想到了,何必要把啦啦隊泡在水裡排字,把他們撈出來在空氣中排字,速度應該會快很多!

於是,他們研發了快速反應液態粉狀顯示器(QR –LPD),就是把微杯中間的介質是換成空氣來取代原本的液體,如此將可以大大提高顯示器的反應速率。以空氣當介質還有一個好處,傳統電泳式顯示器的反應速度會因為氣溫改變,溫度一低,介質會變得濃稠,一變濃稠,顯示顆粒要跑到位就更吃力了。但是QR –LPD以空氣為介質,空氣對溫度變化的敏感度比液體來得低,所以QR-LPD的面版在攝氏零下二十度還是可以工作的。

如果誰還有閒情逸致在零下七十度的地方看電子書,可以考慮高通科技即將上市的Mirasol電子書閱讀器。

Mirasol雖然一樣是反射式電子紙,但最好的是,它是全彩而且適合播放動畫的。它已經不是用過去黑白顯示顆粒跑來跑去的傳統,而使用「干涉測量調節」來反射出各種顏色。

首先,每個像素可以區分為九個(依製程不同而有不同的數目)小像素(sub-pixel),小像素的底部是反射膜,上面是玻璃基板,中間夾著固定距離的空間(空氣層)。當加上電壓開始控制驅動電路,玻璃基板和反射膜就會緊貼,而無法反射任何光線。當沒有電壓的時候,玻璃基板和反射膜是分開的;光線進入後,會根據空氣層的高度,反射出不同的顏色。

空氣層的高度有三種,分別負責紅、綠、藍三種原色的反射。間距最大的,反射波長最長的紅光;其次為綠光;間距最小的,反射波長最短的藍光。不同的光線反射到我們的眼睛後共同作用,就會給我們全彩的感受。舉例來說,如果對負責反射藍光的小像素施加電壓,該小像素就會不反射藍光。整個大像素由紅光和綠光組成,而我們看到的就是黃色。

由於這樣的反射科技,類似孔雀閃閃發亮的羽毛,也像是蝴蝶翅膀在陽光下隱隱發光,加上Mirasol每秒可以跑十五張以上的影像,所以得以播訪影片。這樣的產品令人期待萬分。只可惜Mirasol從幾年前說要上市,到今天還不見影子,而且大家最關心的價格也還沒公布,就像是看著一個大正妹在面前晃來晃去,卻不知道是否單身一樣令人難耐。

電子紙的科技不斷在突破。但是,技術歸技術,市場歸市場。選擇電子書的時候,很少人會在乎電子紙究竟是使用微杯還是膠囊技術。影響消費者購買意願的因素,還牽涉到附加功能是否實用(能否上網、有無觸控手寫功能等等)、數位內容充不充足(頁面切換速度飛快,卻沒幾本書可看的話,應該也沒人要買)、價格等等。另外,現在人閱讀習慣改變,尤其年輕人大多只有在應徵工作和相親時會號稱自己愛讀書,大部分的人僅在網路上瀏覽資料,坐下來靜靜看書的時間其實很有限。

即使閱讀習慣改變會影響電子書閱讀器被接受的程度,但軟性電子的其他應用卻仍然是眾所矚目的焦點。從顯示科技、居家照護、軍事航空等,軟性電子的概念,已經柔軟綿長地滲透到生活中了。

2010年11月6日 星期六

【非關科學】鷹蹤顯影--氣象雷達的第二春

這是這一期經典雜誌實驗傳奇的內容,
剛好搭配灰面鵟鷹赤腹鷹過境,看看氣象雷達能否追蹤老鷹的飛行路徑。

照片在這
http://www.rhythmsmonthly.com/?p=10256

這期比較有趣的地方
是跟著長榮的同學住在社頂梅花鹿保育區工作站,
跟三個小男生同住一間,真是無福消受啊:p

因為在梅花鹿保育區,
早上四點多起床到廁所的時候,聽到「刷」的很大一聲,
一群梅花鹿在廁所外面被嚇到跑走。我也嚇了一跳馬上清醒。

我在山上記者兼保母,要負責煮三餐,
看銷路還不錯:p
管理員還會叫我提醒同學曬衣繩不要掛外面之類的。

這次最困難的,就是整篇文章一開始要有一張主照片,
主照片就是要把整個文章的概念呈現出來,
也就是要有「老鷹」和「雷達」。

但當老鷹飛到雷達那邊,高度就太高了,
根本拍不到,我開玩笑跟攝影說,抓一隻到雷達站放開讓他飛,
我攝影竟然認真的沉思起可能性,
我趕快叫他不要想了,用插畫就好了。

所以各位如果有機會翻翻雜誌,就會看到很壯觀的插畫。
這是我們插畫家自己畫的,完全沒有範本可以參考!
更厲害的是,插畫家完全沒跟我講到半句話,
靠著我傳話給編輯、編輯傳話給美術總監、美術總監再傳話給插畫家。
一有問題,就是插畫家問美術總監、美術總監再問編輯、編輯再問我。

這樣N級傳播竟然也完成了這麼美麗的插畫。大家去書店一定要翻翻囉!

還有當初標題我下「雷達很忙」!結果瞬間被否決。
經典真的是太規矩了@@

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作家張小嫻說: 「守候的本身,便是愛情, 不需要有任何的結果。」守候的甘苦,遠距的戀人知道,等候鷹群過境的賞鳥人也嘗過。墾丁社頂公園凌霄亭從九月起就有多雙熱切的眼睛仰望天空,深怕錯過猛禽遷徙。

「讚讚讚讚讚讚讚!」台灣猛禽研究會的大哥拿起大砲鏡頭,快門機關槍式地連發。我以為有什麼好東西,順著方向看去,一隻一臉跩樣的林鵰在樹頭上打盹。九月初的這天,除了幾隻家燕、日本松雀鷹和零星的鳥兒,沒看到半隻主角──赤腹鷹(Accipiter soloensis )和灰面鵟鷹(Butastur indicus )。但「空等」似乎不減損賞鳥人的熱情,據說這些人患了「鳥癌」、中了「鳥毒」,就算望著天空都能飲鴆止渴。

凌霄亭上還有幾張不太甘願的臉,除了每七、八分鐘起身對天空拍照,其餘時間就鬆著臉、眼神失焦地飄著。這些是長榮大學環境資訊研究中心賴信志教授的學生,不甘願是有原因的,平日打電動到半夜好幾點的小宅男,被要求早上四點起床。

四個人靠著一台不太靈光的手排重機車,由一個會認路的同學來回三趟,把其他成員從住宿的社頂工作站運送到社頂公園停車場。路途不遠,但要在漆黑中穿越大小石頭及雨後冒出的小瀑布時還頗令人心驚。沿途還會跳出幾隻想不開的梅花鹿、各種各樣的蛇、用獠牙挖著樹根的山豬、加上民間流傳的鬼故事,讓這段路顯得十分漫長。之後還要靠比月光還微弱的手電筒,摸黑走過泥濘溼滑的山路,才能到達賞鳥視野最好的凌霄亭。

雷達怎麼賞鳥
這幾個小朋友做的事情很簡單,就是利用魚眼相機拍天空的雲。這是「墾丁國家公園猛禽遷徙資訊系統建置計畫」(簡稱「鳥計畫」)的一部分。簡單說來,整個計畫想利用墾丁氣象雷達站的回波資料來辨識猛禽,進一步歸納猛禽產生的回波訊息。如果順利的話,未來也許能作為特定猛禽抵台的預報系統。

墾丁氣象雷達外表像顆綠色的足球,內部是碟狀天線。天線隨碟子朝著不同仰角、方位轉動,並主動發出電磁波束,電磁波撞擊到空氣中的物質產生回波,雷達再自己接收回波,然後得到半徑兩百五十公里左右的水氣分布情形。

關鍵字是「物質」!雷達不會告訴你打出的電磁波撞到了什麼,可能是氣象局想要的水氣分布,也有可能是飛機、高山、鳥群等等。對報氣象的人來說,地形、飛機、鳥群所產生的是「雜訊」,但對鳥計畫來說,若能辨識哪些雜訊就是要觀察的鳥,這些雜訊就能垃圾變黃金,成為生態研究上的要角。

台灣四個氣象雷達全為「都卜勒雷達」, 就是應用都卜勒效應( T h e Doppler Effect)的雷達。都卜勒效應告訴我們,為何在睡夢中也打得到蚊子。當「嗡嗡」頻率越高,就算不用睜眼就知道牠飛近了,頻率低就知道牠飛遠了。

蚊子當然不會故意「嗡」得比較尖銳讓你打牠。拍打翅膀的「嗡嗡」頻率是固定的。造成我們聽覺的差異,就是都卜勒效應。都卜勒效應除了適用在聲波,也適用於由雷達所發出的電磁波。

拜都卜勒效應所賜,雷達不僅能從回波強度得知物質的分布,還能判斷「徑向速度」,也就是物質朝雷達方向的移動速度,以及回波的分散程度(如果電磁波撞擊到的是同一種物質,彈回的回波組成單純,分散度就小;如果夾雜著水氣、飛機等等,分散度就會大。可以藉此判斷回波中是否有多種物質)。

氣象雷達賞鳥史
台灣從二○○二年起,矮胖如綠色蘑菇的墾丁氣象雷達有了氣象觀測外的第二專長──觀測猛禽。主要是當地過境猛禽──灰面鵟鷹和赤腹鷹的觀測。

因為這兩種鳥是墾丁的明星物種,也是台灣少數長期監測的動物,有足夠的背景知識可以應用。另外,台灣大學森林環境暨資源學系丁宗蘇教授分析,想用雷達觀測鳥類有幾個前提:第一,背景要乾淨,例如在海上。若在地形地貌複雜的陸上,就有過多雜訊干擾;第二,鳥的飛行高度要夠高。就算在海上低空飛行,還是有海面雜訊干擾。所以飛彈都強調低空飛行,才不容易被對方雷達攔截;第三,雷達回波要夠強。最好就是大隻、大群遷徙的鳥類。

台灣符合這些前提的鳥種寥寥可數。灰面鵟鷹和赤腹鷹靠垂直熱對流滑行,能夠飛得高,閃掉地面雜訊干擾;牠們體型夠大,又有集結遷徙行為,尤其在秋季出海時特別明顯;最重要的是,這兩種鳥又非常配合地錯開時間抵台──秋季時赤腹鷹九月抵台,而灰面鵟鷹在十月;春季,灰面鵟鷹三月抵台,赤腹鷹在四月。衡量各項限制和條件後發現,這兩種猛禽很適合雷達觀測。

屏東科技大學野生動物保育研究所孫元勳教授,帶領學生利用氣象雷達進行灰面鵟鷹調查。那時尚未研發軟體將雷達圖上的水氣資料過濾掉,所以是用肉眼在雷達圖圈出「鷹河」位置。

直到這兩年,「鳥計畫」由中央大學太空科學研究所潘貞杰所長(在接這計畫前,他只認識鴿子和白鷺鷥),和長榮大學環境資訊研究中心賴信志主任合作,才帶入資訊處理的概念,利用全天空相
機、電腦軟體把水氣資料濾掉,剩下清晰的雜訊,進一步歸納雜訊的模式。

鳥計畫用的概念是這樣的:首先,研究團隊有氣象雷達資料,其中包含了水氣、海浪、雜訊。在地面上,雷達雜訊可能來自鳥群或是地形地物,但在海面上,沒有地形地物的干擾,因此研究人員覺得可以大略判斷雜訊就是鳥類。

另外,鳥計畫還用了全天空和魚眼相機,記錄雲分布的情形。若將天空照片中「沒有雲」的地方,比對同時段雷達圖中的同個位置,發現雷達圖中出現訊號,因為相片告訴你當時沒有雲,就可以推斷雷達回波訊號就是鳥群。大量累積無雲狀態時雷達圖的雜訊,就可以找到鳥群模式,把這模式拿來訓練電腦,將來電腦就可以自動辨識鳥的位置。

這計畫還有幾個衍生目標像是利用回波強度計算鳥的數量。配合地面調查,可以估算多強的回波值代表多少鳥。數鳥任務鳥的數量調查一直很令人頭大。當今科技可以複製生物、排列原子,但卻算不出鳥有多少隻。過去地面調查,礙於人力有限,因此有漏算的可能,外加大群過境時,整個天空成千上百隻鳥,根本就眼花來不及算。

鳥計畫想找出雷達回波強度和鳥數量的關係,但雷達的解析度還不足以辨識種類,既然不知道種類又怎麼能夠算數量呢?人工、雷達兩個方法都有限制,很難推算對應的數值。賴信志教授說,這個方法誤差還太大,不過一個研究的成功與否,要連同設備本身限制一併考量,不是要求研究能達到完美,而是要看能否把擁有的資源發揮到最好。

這兩年馬來西亞大學的研究生也來墾丁賞鷹,透過拍照協助數鳥,用電腦影像分析其中的黑點以計算數量。但是,畢竟鳥群不像高速公路車流只會順著一個方向飛,牠們可能會閃過攝影機、或是不斷搶鏡頭,而造成計數上的誤差。

此外,擁有大量遙測資源的中央大學,也發現衛星影像可能派得上用場。雖然衛星一天只經過台灣一次,但可以藉著照片上不同地區的反射率判斷哪兒是田、哪裡是河。研究團隊發現赤腹鷹和灰面鵟鷹過夜的地方,由於排泄物遍布的關係,棲息地的反射率在衛星影像上略有差異。研究團隊很開心,希望能藉由反射率追蹤棲息地並推算數量。

但要準確測量排泄物的反射率,需要有一張A4紙大小的排泄物。剛好特有生物保育中心撿到一隻受傷的灰面鵟鷹,但這隻鳥吃少拉少,好不容易集滿一張A4大小的排泄物,馬上冷凍宅配到中央大學太空科學所研究。然而,想「比對」特定物種的排泄物反射率,就代表要鳥類排泄物反射率的資料庫。要這些太空科學學者「不務正業」地蒐集鳥糞建立資料庫,似乎也太辛苦。

不少媒體對「預測」、「預報」、「監測」搞不清楚,認為鳥計畫是猛禽「預報」系統,可以在猛禽來台前即時通知賞鳥人,免得槓龜。「這不是預報系統,」墾丁國家公園管理處技士,也是計畫發起人之一的蔡乙榮告訴我,「目前它只能每小時告知鳥群現在位置、移動速度。」但若能更長期監測,搭配專業預報人才,是有機會成為猛禽預報系統的。

不論是氣象或是地震,想做到「預報」,就要有大量的監測基礎。鳥計畫這兩年都還在進行監測工作,想達到預報目的,準確告訴賞鳥人何時、什麼鳥種、多少數量、從哪個方向、會抵達何處,這計畫還必須克服不少限制。最大的限制,就是雷達無法辨識鳥種。在台灣,灰面鵟鷹和赤腹鷹的行為和過境時間不同,所以得以藉此區分,但這不是雷達的功勞,而是奠基於鳥類本身的行為和長期的地面調查。

無法辨識種類,除了影響數量計算,也連帶影響這方法的使用範圍。研究人員告訴我,當猛禽南遷時,如果聯合其他國家的監測資料,會是很廣大的監測利器。但是,其他國家鳥種組成跟我們不一樣,不見得能夠如此順利區分。

另外,鳥計畫僅採用墾丁氣象雷達資訊,但是墾丁雷達北面有老佛山擋著,只能看見南邊海面上、進入陸地前的春季北返鳥兒,和秋季已經出海後的鳥兒。所以,墾丁雷達也許可以預報猛禽何時抵達墾丁,但想在北部看鳥的人,就要自己推算鳥群從墾丁飛到北部的時間,然後就看天候和鳥兒賞不賞臉了。

提出這些難關絕不是要打擊研究人員,而是表達對他們的敬意。生態研究比其他科學領域更多限制,外加台灣彆腳的生態研究環境、不少人摩拳擦掌等著潑冷水,這些學者和賞鳥人士仍保有源源不絕的創意和熱情,勇敢走出「舒服區」,尋找和其他領域的人對話合作的機會,實屬難能可貴。丁宗蘇教授很用力地告訴我:「一定要鼓勵!」


十月中,我和攝影記者又回到社頂。長榮大學剩鍾文鴻同學留守凌霄亭。一個月不見,鍾文鴻滔滔不絕講著最近發生的大小事。某個颱風夜,一隻躲雨的龜殼花跑到宿舍裡;他早上爬山時差點弄壞人面蜘蛛的網子,又輕描淡寫帶過下雨摔車的事;最後還提醒要去滿州觀落鷹(觀看集體降落棲息的老鷹)的我們,記得回報鳥況給數鳥的大哥。短短一個月,這個小朋友已經完全沒有當初沒飯吃也心心念念要打Wii的宅男影子了。

出發前兩天,聽說灰面鵟鷹瘋狂飛一早上,數量高達七千隻。我們滿懷期望地下了墾丁,卻發現一朵厚厚的積雨雲跟在頭上,一夥人在大鐵棚下躲雨,當然是什麼也沒看到。隔天早上六點我們又出發到凌霄亭,可惜也沒什麼鳥,但賞鳥的人仍捧著大砲相機,保持高度興奮狀態,不斷碎念著「來了來了!再靠近點吧!」或「喔!這個讚!」比少女等待偶像還要熱切。

正失望沒看到幾隻鳥時,接到墾丁雷達站鄧財文博士的電話,他關切又開心地問:「有看到鳥吧?我在雷達上也有看到喔!」後來我們去雷達站找他,他指著藍花花的雷達圖上一條亮藍色細線說:「這是大概二十幾公里的鷹河。」我回想了一下雷達掃瞄的時間,同個時間地點,我們在凌霄亭只看見了不到十隻的灰面鵟鷹,令我不禁有點擔心雷達和人類視野的落差。

下午,我們又到了滿州,一對從高雄來滿州觀落鷹的夫婦告訴我,可能是因為今年還沒有落山風,所以鷹群不需要集體躲在滿州這個背風處,而可以到處停棲。聊著聊著,一個臉頰深凹、戴著太陽眼鏡的老伯賣力踩著骨頭快散了的腳踏車迎向我們。就在窄窄的田間小路中央,當自己家一樣停了下來,不顧後面卡著一台要通過的黑色轎車。

老伯遞給我們一張B 4的紙,上面印了幾則賞鷹新聞,用準備吵架的音量安慰我們 :「沒關係,明年春天去八卦山看!」然後又用力踩著「嘰嘰喳喳」的腳踏車發著自製的「賞鷹快訊」。我心裡升起一股暖意,因為這群過境的鳥兒,將不分地區、不同背景的人串連了起來。在台灣的南端,雖然天空不作美、鳥兒不賞臉,但是,遇到這麼多可愛的人們,空等一場也值得。

2010年8月24日 星期二

【科普作品】電影世界的動作捕捉系統 Motion Capture

這一期,一點也不像「實驗傳奇」。不是跟著一間實驗室,寫他們的互動或是研究成果,
而是寫motion capture 這項技術在台灣各個領域的應用。比較像是導覽吧!

怎麼講呢?這樣寫法比較淺、好懂、有趣也好拍攝,可是講不到太多科學,
有點喪失了我原本想把很難的科學講的簡單有趣的目的。

我也不知道到底怎樣比較好?所有的事情都很茫然...

謝謝各位受訪者的幫忙。謝謝視翔溫柔的秘書泡的好喝咖啡、奇銳的伙伴們的照顧和指導、透過小樽的指示我才找到pzman、透過pzman學了不少也才又找到一直不想理我的 Hero導演(泣...)、講得非常好的許允聖老師、文大攝影棚的主任、崑山的老師同學、還有元智中原大學的老師同學們。

當然還有非常認真的世慧和陪我(其實是我陪他)上山下海拍照的小黑。

謝謝大家的幫忙,也請你們持續給我批評指教。



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欄目:實驗傳奇
責編:世慧
字數:4936(正文)+935(BOX)
大標:虛實之間
副標:電影世界的動作捕捉系統


撰文/林韋萱(經典雜誌特約撰述)
攝影/劉子正(經典雜誌攝影)

二○○五年九月,美國加州卡佛(Culver)市。

凌晨六點,天微亮,演員温斯頓(Ray Winstone)手摀著熱咖啡,走到了化妝室,開始了他拍攝電影《貝武夫》的第一天。

《貝武夫》改編自英國史詩,講述的是維京勇士貝武夫為民除害的故事。男主角溫斯頓在經過兩個小時化妝後,除了臉上多了密布如青春痘般的藍色豆子,身上帽T變成緊身的「忍者裝」更凸顯他的禿頭大肚模樣,哪有半點英雄的派頭?

幸好,這只是部動畫,溫斯頓的身形最終不會出現在電影中。導演辛密克斯(Robert Zemeckis)要的只是他精湛的動作、表情與聲音,所用的技術就是他這幾年迷上的新玩具——「動作捕捉系統」(Motion Capture),一套從不同角度捕捉演員動作的設備。

《貝武夫》的動作捕捉攝影棚,雖然只有羽球場大小,但四面八方卻如滿天星斗般散布著兩百四十四台紅外線攝影機;它們會從不同角度發出紅外線,照射到演員身上的光球(marker),擷取光球座標,另外,還有十二架普通攝影機隨時記錄演出狀況。

為了不要妨礙紅外線穿透,所有的道具都是用鐵絲做成,有點類似元宵節提的燈籠骨架。雞腿是在打蛋器上頭綁著橡皮筋,演出時用手抓著握柄,再咬下橡皮筋就會有很逼真的效果。另外鐵絲做成的水壺中還有秤錘,如此拿起來才有搖晃的重量感。

除了捕捉演員的動作外,連馬匹也被請進棚內捕捉動作,眼看攝影棚內人仰馬翻,馬匹奔跑碰撞時不斷地把皮毛上的光球抖落,要不斷地重複黏貼。馬的氣味讓工作人員紛紛帶起口罩、不停地噴灑除臭劑,助理帶著手套蹲在地上清理馬的排泄物時酸溜溜地說:「這工作還真有趣!」這些小故事都記錄在《貝武夫》光碟的幕後花絮中。

《貝武夫》總共花了四十六天、八十一名演員參與拍攝動作捕捉。二○○七年上映,獲得兩億美元的票房佳績。其賣點除了五十歲的溫斯頓被塑造成有八塊肌的高大英雄、安潔莉娜裘莉的虛擬全裸、以及打打殺殺的大場面外,更捧紅了這個模糊了「真實」與「虛擬」世界的動作捕捉系統。

●Mocap在台灣

二○一○年,台灣高雄師範大學。

《木偶人—BBS鄉民的正義》是林世勇的第一部電影。三十一歲的他,透過網路發表動畫作品而有知名度。這回他想藉著動作捕捉系統技術結合動畫與真人,來探討BBS世界的事件與文化。

這四年來,導演身兼製片的林世勇,為了《木偶人》四處奔走說服金主支持。起初金主對以動作捕捉系統做出來的動畫非常沒信心,勉為其難投資後,片子拍到一半又開始起了撤資的念頭。還好,同樣使用動作捕捉系統而造成大轟動的《阿凡達》及時上映,讓《木偶人》的拍攝起死回生。

憑著時有時無的經費挹注,林世勇花了新台幣二十幾萬元租借到高雄師範大學的動態擷取攝影棚。七坪左右的空間中,十二架紅外線攝影機、一台電腦,拮据到連在國內外榮獲多座動畫獎項的動畫師黃楷迪都要兼任演員,才能搞定兩百多組動作。雖說經費人手有限,但預告片中的動畫效果,已讓對國產動畫瀕臨絕望的觀眾再度重燃期待。

雖然《木偶人》是台灣第一部利用動作捕捉系統拍攝的電影,但是動作捕捉系統不是什麼神奇的新玩意,簡單來說就是測量、追蹤、記錄演員或其他要捕捉的對象動作的一種設備。
台灣在九○年代左右,開始引進動作捕捉系統作為科學、醫療、運動分析的使用,例如陽明大學將動作捕捉系統應用於復健工程及輔具設計上,體育學院也將之做為運動分析使用。等到製作技術成熟,動作捕捉系統逐漸被量產和普及化,這套要價新台幣一、兩百萬元的設備,才被應用於電玩等娛樂產業。

如果大家有印象的話,歌手庾澄慶創造的虛擬偶像「哈寶寶」,便是動作捕捉系統的產物。台灣在近年也將它應用在傳統技藝數位典藏計畫上,比方說利用光纖式手套擷取布袋戲大師的指法;中國科技大學的許允聖,還曾經拿它捕捉過八家將的動作等等。

動作捕捉系統除了捕捉人的動作外,當然也可以捕捉動物的動作。在國外,馬、狗、猴子、大象、袋鼠、鬣蜥蜴、蜘蛛等動物的動作,都曾經被捕捉過。以應用的地點來說,從陸地、水中,到現在連太空站都有這套設備,可以觀察無重力狀態下太空人的動作。

動作捕捉系統的應用五花八門,但真正將動作捕捉系統發揚光大的卻是好萊塢的電影動畫產業。

●動作捕捉系統種類

傳統的動畫製作,一秒鐘需要設計二十四個畫面。以慢工出細活聞名的宮崎駿所開設的吉卜力動畫公司為例,一個動畫師一週只能做出五秒鐘的動畫,因此吉卜力總是動輒三、五年才能出產一部動畫。

理論上,動作捕捉系統的應用,可以大幅降低製作時間和成本。拿最近很紅的某動畫新聞來說,因為呈現的是新聞事件,必須講求時效性,不可能逐格精雕細琢,因此動作捕捉系統這時候就派上用場了。製作單位會先把演員的不同動作,如跑、跳、擁抱等分別錄製、建立資料庫,之後再套用到電腦中不同的人物模型上,製作成不同的新聞。舉個例子來說,第一則新聞是小孩追上母親、雙方互相擁抱,第二則新聞是運動員跑完全程後抱住一旁加油的觀眾。兩則新聞中的角色雖不一樣,但「跑」及「擁抱」等影像資料,卻可以重複套用在不同的人物模型上。

除了加速動畫製作流程,動作捕捉系統也常拿來捕捉比較特別的動作,比方說舞步、老人或小孩的動作、傳統技藝等。如此一來,動畫師就不用為了製作不同的角色,今天要揣摩街舞、明天要學少林功夫、後天又要詮釋小娃娃顛簸的走路姿勢了。

但你可能會說:「動作捕捉系統有什麼稀奇?我的眼睛也能觀察運動軌跡。」這當中差別在於,我們的眼睛絕不可能在一百二十分之一秒中精確記錄所有關節的動作,把動作資料輸入再對應上電腦中的人體骨架。

不同種類的動作捕捉系統,有各自的方式捕捉運動軌跡。最早期的「機械式」動作捕捉系統,要求演員都要全身套上,外形類似多處骨折病患所須穿戴的護具式「外骨骼」;演員活動時,外骨骼會跟著伸縮旋轉,並記錄各部位的「相對旋轉」量。既然是「相對旋轉」,機械式系統就可能誤判絕對位置。比方說,當一個人跳起來時膝蓋會彎曲,機械式系統可能會以為他是因為蹲下而膝蓋彎曲。另外,外骨骼會阻礙關節活動、長期穿戴不舒適,因此這套系統已經很少人在使用了。

「電磁式」動作捕捉系統則先製造了磁場,讓演員穿上裝設電磁接收器的服裝,透過磁場的強弱,來感應演員身上接受器的位移和轉動。這個方法最早是美國軍隊用來觀察飛行員的頭部動作,缺點是演員要揹著連到主機的連接線,活動起來不方便,外加磁場很容易被干擾,尤其是在這個手機氾濫的時代。

最常見的動作捕捉系統,就是我們在好萊塢電影花絮中看到演員身上貼滿小白點、攝影棚密布攝影機的「光學式」系統。這裡的攝影機和我們認知的稍有不同,他並不會錄製一般的影像,而是從不同位置閃爍著紅外線,紅外線打到演員身上黏貼的的光球,光球上有強烈的反光物質,攝影機記錄的就是這些光球的位置。

●麻煩一籮筐

對一台攝影機來說,它能夠記錄物體在二維平面中的座標,但是卻無法判斷垂直畫面的深度。想要判斷距離,就必須要有兩、三台以上的攝影機,「重疊」出物體在三度空間中所在的位置,這就是應用三角定位法——只要有兩個角度和一個邊長,我們就可以得到一個三角形。所以,當我們想知道一個光球的空間座標,需要兩台攝影機從不同角度拍攝,如果我們知道兩台相機的距離(邊長)和拍攝球的角度(兩個角度),就可以得到球的位置了。

如果要讓擷取作業更加穩定,並能同時捕捉多位演員,就需要越多台攝影機。可以把攝影棚想像成棒球場,主審會有視野上的死角,因此通常都會有一組裁判和線審共同判斷位置。萬一有越多棒球在場上亂飛,就需要有越多裁判協助判斷。這也是為什麼一次要捕捉十幾個演員互動的好萊塢攝影棚,都會用到兩百多台的攝影機。

動作捕捉系統絕對不是攝影機架一架、光球貼一貼,電腦就會自動把影像記錄好讓動畫師應用。捕捉過程中需要大量的經驗來對付「遮蔽」、「雜訊」、「錯置」的問題。

光學式動態擷取系統很容易產生「遮蔽」的問題,因為肢體動作或是道具遮蔽了光球。這也是為什麼電影《貝武夫》在拍攝時用了很多鐵絲做成的道具,像是鐵絲水壺、或是鐵絲樂器等等。雖然說電影只捕捉演員的動作,並不會捕捉道具的軌跡,但是拍攝時還是需要有道具的輔助看起來會比較真實,總不能要演員坐著講話,卻讓演員一直蹲馬步吧!

另外光學式捕捉系統還有其他麻煩處,像是因為校正不良或是光球擠壓而產生的「雜訊」;因為點的位置太靠近或瞬間交錯而產生的「錯置」(比方說手縮在胸前,和手在胸前交叉,對攝影機來說是差不多的)等問題。

這些問題在攝影機少之又少的台灣更顯嚴重,就像許允聖說的「台灣就是要在限制中求生」。之前他所利用的台灣藝術大學虛擬攝影棚,場地小又低矮,演員手一抬高就會超出攝影機涵蓋範圍;又因為只有六台攝影機,稍微一個旋轉等動作,就會讓光球被遮蔽;加上他當時錄製的是以不斷繞圈為特色的八卦掌,遮蔽和錯置的問題就更嚴重了。

如果動作捕捉的最終目的是要用在電玩上,或許還可能要求演員妥協一下,手不要舉太高,或是避免旋轉,先錄製完大致動作後動畫師再來手調還原。但若要做文化保存,要求這些大師級人物為了配合場地限制,而不能正確呈現動作,可能就會讓大師覺得不被尊重,事後手調也不一定能呈現原味。

正因為有這些擷取上的問題,在錄製動作之後,還必須花上冗長的時間和大量人力來「清理資料」。這也是為什麼很多學校機關興沖沖購買光學式動作捕捉系統,後來卻發現沒有想像中好用而把它打入冷宮。

既然有這麼多空著沒用的攝影棚,為什麼不把回收攝影機集合起來,弄一個高規格的動作捕捉攝影棚呢?我懷著歐巴桑省錢心態問受訪者,大家都苦笑了。整合是一個太複雜又太政治的工作,這個領域缺乏不怕麻煩又能登高一呼的人。現在學校機關想著要消耗經費、廠商想辦法要賣設備、學生忙著找工作、拍片的要忙籌錢,每個人都自身難保,誰還管這個問題呢!

●傳統產業的批評

動作捕捉系統在台灣電影動畫產業被冷落,其實還有其他原因。國內的電影多為記錄片或是節奏緩慢的劇情片和小品,科幻片、動作片較少,因此比較不需要動作捕捉系統的輔助。也因此設備的建置成本大增,有心嘗試新技術的電影人,自然也就聞之卻步了。

相對於台灣的舉步不前,美國動畫捕捉系統在電影動畫產業中,一開始也走得不平順。一九六二年就開始利用動作捕捉系統操作數位角色的美國,面對的是新技術不被傳統電影動畫業認可問題。

一九九九年,美國《動畫世界》(Animation World?)雜誌曾經以此主題進行辯論。有些傳統手繪或逐格影描(rotoscope,將人物真實的動作連續拍照,再按照片一格一格描繪下來)的動畫師,認為動作捕捉系統算「作弊」。有趣的是,回顧動畫史,所有人都在尋找讓繪製流程更快速的方法,但是當動作捕捉系統漸漸普及,部分傳統動畫業先是唱衰,接著擔心受威脅而開始扣帽子。

使用動作捕捉系統的電影和動畫,在好萊塢一度被排擠。二○○一年第一部以全數位演員為號召的《太空戰士》,因為只捕捉演員動作而沒捕捉表情,讓角色的動作逼真但缺少靈魂,最後票房差到連動畫工作室都賠掉了。

接下來幾年,總算逐漸克服臉部動作捕捉的障礙。飾演電影《魔戒》「咕嚕」一角的瑟克斯(Andy Serkis),被不少影評認為有資格提名奧斯卡最佳男配角,但反對聲浪認為這個角色使用動作捕捉系統輔助,因此不能算是本人演出;《阿凡達》導演柯麥隆(James Cameron)早在一九九五年就開始構思劇本和拍攝方式,被不少人笑說「瘋了才會去嘗試」。好不容易等到科技發展純熟,他終於拍了片並創造佳績後,本屆奧斯卡評審果然還是認為只要使用了動作捕捉系統,演員就不算真的演員,動畫也不算真的動畫。要不是這幾部電影都名利雙收,否則還真得為這些真實與虛擬的混血兒感到心酸。

幸運的是,台灣不需要杞人憂天,我們的動作捕捉技術和使用規模還遠遠不夠強大到威脅傳統動畫與電影產業。一方面是相對於好萊塢隨便都有兩、三百台,全台灣最大的動作捕捉攝影棚只有十六台攝影機,頂多同時捕捉兩、三個演員;外加我們的文化一向強調安全、保險為上策,沒人敢衝第一,大家都在觀望著先驅如何壯烈犧牲。

目前,除了命運未卜的《木偶人》,代理動作捕捉系統的奇銳科技也協助了另一部電影拍攝,動作捕捉技術,終於在台灣電影業插上一腳。

曾有位世新大學老師說過:「台灣的動畫環境並不適合有理想的學生發展」,但仍有些人自願或不得已留守在台灣為動畫領域而努力。像是負責《木偶人》動畫擷取的楊中岳就說:「不管怎樣的爛環境總有自己能先做好的地方。」明年,若這幾部電影得以上映,除了欣賞劇情與背後的科技外,也請感念一下這些年輕電影人在虛擬與真實、理想與限制間的擺盪與掙扎。



BOX:打破虛實的界限

視翔科技小小的攝影棚,很久沒這麼熱鬧了。約莫十個元智和中原大學的研究所師生,進行結合虛擬實境和動作捕捉的實驗。演員努力擠進緊身的動作擷取服,身材畢露被大家糗了一番。因為過於悶熱,幾個人還沒開始擷取就滿頭大汗,想喝點水卻又被阻止:「等一下不能上廁所喔!」免得要重新穿脫擷取服會耽誤時間。

這屬於人因工程(Human Factor Engineering,了解人體的條件與限制,以此為依據進行產品設計的領域)研究的一環。研究生花了一年多在電腦中建立虛擬的船艙控制台,裡面有高高低低數部電腦機台,這個研究,就是用來檢視控制機台的設計是否會造成維修人員的不便。

這天是第一次把虛擬實境套用上動作捕捉系統,讓真人戴著可以看到虛擬船艙的立體眼鏡,去拆卸、維修控制台的電腦螢幕、電源線等等。

他們的理想是,以虛擬實境作為未來真正施工的參考。如果在虛擬控制台的維修不順手,比方說機台下方的門蓋太小或是螢幕過高等問題,都可以在虛擬實境的階段及早發現,如此就可以節省真正施工後的改動。

電玩界其實早就結合動作捕捉和虛擬實境了,像是Wii的搖桿中有加速規、陀螺儀來感應玩家的手部動作,電視螢幕旁裝設的紅外線和藍芽系統可以捕捉玩家的位置以和電玩畫面互動。最近微軟新推出的一套電玩,更主打不用任何遙控器,直接凌空比畫就能同步控制電玩螢幕中的人物。電玩遊戲只需兩台攝影機,一台RGB攝影機,負責辨識臉部和播放影像,另外一台紅外線攝影機則可追蹤動作和移動的深度。

電玩是將真人動作放入虛擬世界,但若把動作捕捉的概念倒過來使用,就可讓虛擬世界進入真實世界中,就像電影《關鍵報告》裡的克魯斯凌空控制電腦影像的技術。麻省理工學院媒體實驗室的印度研究生米斯崔(Parnav Mistry)研發了第六感介面,利用掛在脖子上的小型電腦,結合投影機、攝影機、鏡子、麥克風,組合成可以捕捉手部動作與電腦、網路互動的介面:在手上畫個圈,就會出現虛擬手錶告訴你時間;用手指比出個框,就能隨處拍照;看到雜誌上有什麼精采的照片,也可以用手把圖片「捏著」直接放進全尺寸的的電腦螢幕裡。

動作捕捉系統的應用從人體、動物、到布料的飄動;從水中到外太空皆無所不在,不論是在娛樂、醫療,或工程設計的領域裡,都結合了數位與真實世界……。從動作捕捉系統裡,我們看到科技應用發展的高度與廣度,全來自人類的膽識與想像。

2010年7月4日 星期日

【科普作品】椰果變面膜


熱死老娘!不想寫稿不過冷的時候也不會比較想寫。寫稿真的很痛苦耶> <


這期一路採訪都很不順,跑了四間實驗室,只有這間比較OK。(不過寫完以後我覺得很不OK啦!自己也不是很想再看了。)這間實驗室的學弟妹們一開始都好害羞,害我也很害羞,後來才發現大家都很認真很可愛。


走了以後才想起來鴨子說要帶我去吃什麼小吃,下次還有機會別忘了帶我去吃喔:)如果你們有來台北也歡迎來找我玩。


這系列整個執行起來真的還滿辛苦的,最大的樂趣就是認識實驗室裡面很宅又很可愛的小朋友們(我一直想說這系列可以叫「宅男大觀園」)。


從第一期元老長榮、博文(ㄟㄟ你留言給我也沒有說怎麼聯絡啊!)、一直都很支持我的熊、被我煩很久還沒寫出來的獸醫同學、苦海女神龍佳艷(真的很正,請大家踴躍認領),很多很幫忙的科普同行:范欽慧小姐和scimage等一堆網友、解決我很多疑問還把床讓給我睡的老妹、常常潑我冷水的老媽 @@。(咦現在是得獎了嗎?)真的很謝謝大家的幫忙。


當然很辛苦,這系列的苦水可以另外寫一本書了。不過現在在咖啡店超級熱就不抱怨了,不然我怕會更熱。


如果有冷氣比較強的實驗室,麻煩報給我知啦!




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大標:椰果變面膜
小標:細菌性纖維的前世今生
撰文/林韋萱(經典雜誌特約撰述)
攝影/徐安隆(經典雜誌攝影)


生活中太多不能相信的事了:打紅光讓蘋果看來鮮紅欲滴的水果攤、看到飼料特別聽話的小狗、婚前的公婆、卸妝前的辣妹……。

還有椰果。

這個高纖、健康、從果凍、飲料店熱賣的綠茶,到「才不會忘記你呢!」的鮮奶優格裡面都有添加的食物,其實不是任何一種水果。我曾經下巴台的老高指證我朋友:「椰果才不是椰子肉,是鳳梨心!」其實,椰果既不是椰子果肉、也非鳳梨心,而是經過木質醋酸菌發酵的產物。椰果QQ脆脆的口感,就是來自木質醋酸菌的代謝產物——細菌性纖維——造成的。

為了探求椰果的身世,我拜訪了宜蘭大學食品系的陳輝煌教授及林世斌教授。

林世斌教授是釀酒醋的專家,常常為了「學術目的」跟同學把酒言歡。他以什麼都敢吃聞名,有回把只融於酸性物質的幾丁聚醣粉末丟進嘴裡,由於口水是弱鹼,無法順利溶解的幾丁聚醣就這樣把嘴給黏住了。

身兼奈米科技中心主任的陳輝煌教授,研究主題隨趨勢不停在變。他的專長是水產加工,最近剛結束了如何讓炸麵衣復熱後保持酥脆的研究。目前接了大型奈米教育推廣計畫,以及如何把椰果做成奈米生物薄膜的研究。

椰果的身世

提供椰果做為實驗室材料的,是宜蘭生偉生技公司的釀醋廠。這間釀醋廠座落在水田和半倒的紅瓦屋旁邊,遺世獨立有如渡假小屋。醋的成品酸甜可口、有益健康,但是在釀醋的過程,釀醋廠中充滿燻鼻的醋酸味,讓人很難保持禮貌的微笑。

廠長林先生身著白袍、帶著浴帽爬上梯子、打開比人還高的不銹鋼醋桶。醋液上的一層厚達兩公分的醋膜,這是釀醋主要功臣——醋酸菌——的副產物,也就是俗稱的椰果。由於「椰果」聽來比較像是要放進嘴裡吃的食物,然而這醋膜散發著夏天一群打完球的男生湧上公車的味道,所以我們還是稱它的英文名字「NATA」以區別能吃和不吃的椰果。

話說釀醋用的醋酸菌有點大小姐脾性——愛佔地盤、又怕曬太陽。把她丟進酒,她會將酒中的酒精吃掉轉換成醋;但攝取營養源同時,醋酸菌為了避免其他雜菌的污染與干擾、也減少紫外線的殺菌作用,這個大小姐會從外膜長出直徑僅有約頭髮十萬分之一(1.3奈米)的微纖維(稱為細菌性纖維或細菌纖維素),這些極細的纖維再糾纏成較粗的纖維束,最後交織形成一個立體的纖維網,菌體就如同蠶寶寶作繭自縛嵌在細菌性纖維中。

釀醋的形成的椰果很難引起食慾,完全不像市售的又白又Q,而是有點濁濁黃黃的。摸到醋桶中軟滑如水母的醋膜後,我用肥皂洗了一天,手上酸味還在。林廠長也說,醋酸菌會附著在身上。他每天回家小女兒直埋怨「爸爸好臭」,而不願意讓他抱。

市售的椰果當然不是釀醋過程中的副產物,而是特地將木質醋酸菌放入果汁或其他含糖液體中讓他發酵。在東南亞地區,通常用椰子汁或鳳梨汁來培養椰果。在台灣,有學生曾經做出咖啡、葡萄、抹茶、紅麴等特殊口味的椰果。林世斌教授也曾經把宜蘭特產金棗製成椰果,更曾經帶領學生全副武裝穿上長雨衣、戴著全罩式安全帽勇闖蜜蜂禁地,辛苦採集紅肉李來加工成鮮紅的紅肉李椰果。

細菌性纖維的應用

椰果除了拿了吃以外,其中的纖維也被廣為應用在各個領域。只是,在做成產品上市時,為了不要引起消費者恐慌,把細菌性纖維改名為生物纖維。但是,其他種類的纖維從甘蔗渣到蜘蛛絲,也都是生物纖維,所以稱範圍比細菌性纖維廣大的多。細菌性纖維被添加在貢丸、香腸中增加口感,也被拿來用於音響振動板、造紙工業、紡織業等。英國有家生物服裝設計公司BioCouture,已經在衣服中放入生物纖維。這間公司的終極目標是把模特兒人台放在培養基(提供微生物發酵生長時所需養分,如碳、氮等,的液體或是膠體)裡,直接從桶子中長出一件件的細菌性纖維衣服。

細菌性纖維最普遍的應用還是在美容、生醫領域。因為它的纖維是目前發現最細的、觸感跟皮膚接近、保水力、彈性都很好。因此像是需要高度彈性的人工血管、講求透氣舒適的人工皮膚、還有藥妝行都買的到的細菌性纖維面膜都以此為材料。

藥妝店一片賣上新台幣三、四百元的細菌性纖維面膜,其實就是細菌性纖維。跟傳統不織布面膜比起來,保水、服貼、透氣性佳。但老實說,主要影響面膜功能的並不是基材,而且其中的精華液。有沒有必要為了基材而多花上幾百塊,就要自己衡量了。

市售不織布面膜,和細菌性纖維面膜中除了觸感有異,添加精華液的方式也大不相同。不織布面膜的基材是乾的不織布,直接注入精華液即可;但是生物面膜中含有99%的水分,已經無法再吸收水分了,所以要將面膜泡在精華液中(有點類似醃泡菜的原理),利用濃度差異讓精華液滲透到面膜中。

關關難過的研發過程

陳輝煌教授所帶領的奈米生物材料實驗室,也同樣在試著把細菌性纖維做成面膜。難就難在材料來源並非如市售面膜一樣自己培養NATA,而是由生偉生技公司釀醋時打算丟掉的NATA回收而來。

在過去,釀醋產生的NATA會直接丟棄,雖然屬於天然可分解物質,但是味道不好聞。也因此林世斌、陳輝煌與之進行產學合作,看能否把廢棄物重新利用、降低廢棄物處理成本,也同時研究其中奈米級纖維的特性。

環保之路大多吃力不討好。這樣一個立意良善的目標,其中卻有諸多矛盾和障礙。我們先來回顧細菌性纖維的優勢:強度高、保水力強、環保可分解。

由於釀醋的NATA味道太重,不可能直接泡入精華液做成面膜。所以必須要經過幾天的漂洗,再以果汁機打碎、脫水,重新組合成面膜,如此才不會有醋酸味。然而,經過這幾個步驟處理的纖維,雖然變的乾淨潔白,但細菌性纖維的優點之一「強度」就被犧牲了。

還有一個很大的問題,就是不同於不織布纖維可以乾燥後後再吸水的特性,細菌性纖維因為彼此靠的十分緊密,原本把水分抓很緊的纖維,一旦脫水,纖維和纖維就透過大量的氫鍵結晶,而團結不分開了。結晶產生之後,纖維間原有的微細間隙不見了,讓水分很難重新回到纖維間,也造成細菌性纖維「復水」能力大大減弱,摸起來像保麗龍一樣粗糙。就因為這樣,又損失了「保水力強」的這項優點。

「兵來將檔,水來土掩」,要增加基材強度和復水性其實有辦法,只要加入膠類就好了。加入膠類一舉數得,一方面可以把纖維連結在一起以增加強度,另一方面親水性的膠類也可以負責吸收要加入的各種精華液。

然而,膠體加下去,另一個問題又產生了。濃度低的膠類,對強度增加沒什麼幫助,只有濃度高的膠體才能達到提升重組強度的優點。然後濃度高的膠體,會讓面膜變的太厚太硬,感覺像是戴面具,不像敷面膜。而且重到只能躺著敷,站起來就會掉下來,一點也不像市售細菌性纖維面膜一樣柔軟服貼。

既然這麼麻煩,何必堅持為了環保添加細菌性纖維?直接用膠類做面膜就好了。陳輝煌說,單獨使用明膠的透氣性不好,加入細菌性纖維後,除了透氣佳、能停留在臉上的時間變長,細菌性纖維的耐熱性也能讓怕冷的人「熱敷」面膜。在寒冷的冬天,不需要把又濕又冰的面膜貼在臉上,對很多人來說應該是一大福音。

除了保養用的生物面膜外,這間實驗室也自己培養NATA進行各項應用。比方說要做人工皮膚的NATA,需要長時間接觸皮膚,因此必須比面膜用的NATA更透氣、更能抗菌。另外曾經有拉麵廠商跟陳輝煌接洽,希望做出在高溫可以溶解的可食性生物薄膜。這樣一來,不用特地把封口膜撕下,而可以把麵條連帶包裝拿去加熱,並把膜直接溶解到湯裡一併享用。

不幸的,這個「可食性」薄膜已經出現了第一個犧牲者。實驗室的人曾經把可食性薄膜丟進魚缸餵金魚,結果隔天金魚就翻肚了。我一直很想試吃實驗室製造的生物面膜,來考驗是否有他們說的那麼天然環保,但在聽了金魚的故事後,我想這產品應該尚未到達人體實驗的階段。

椰果雖然以食物的型態最廣為人知,但其實他也以NATA、生物纖維、生物薄膜、細菌性纖維等名字活躍於各個科學領域。之前有人提出該替椰果正名。但試想到茶坊說出:「老闆,一杯半糖去冰細菌性纖維奶茶。」多少有點倒胃口。椰果的身世,你知我知就好,就讓他繼續保留這個浪漫的名字吧!


【Box 】替細菌平反


知道椰果的身世後,先別急著把口中的椰果吐出來。

當告訴我朋友椰果其實是細菌性纖維,他堅定地說:「那我以後不吃了。」其實細菌只是微生物的一類,如果真的那麼怕這些微生物的話,那他也要戒掉經由酵母菌發酵的啤酒、麵包、乳酸菌發酵的優格、甚至火鍋裡的香菇、木耳;萬一生病了,不能服用抗生素,老了以後不能吃納豆激酶防止血管栓塞。想追求無菌生活,幾乎不可能、也絕非好事。

就跟人一樣,每種細菌有他不同的個性。有的喜歡氧氣(醋酸菌)、有的討厭氧氣、有像酵母菌一樣分裂人格,繁殖的時候需要氧,但發酵的時候又厭氧、有喜歡泡溫泉的嗜熱性細菌、也有的很能欣賞阿爾卑斯山冰河風景的嗜冷性細菌。

瞭解細菌的個性,就能趨吉避凶、對人類生活助益極大。

比方說大部分的細菌都愛吃糖,也藉由代謝糖份生長,但也有口味比較油膩的吃油菌。當船隻漏油造成油污染時,這種愛吃油的油污分解細菌就可以進行相對環保的生物復育工作。嗜甲烷菌中會將甲烷轉化成甲醇,為預防全球暖化助一臂之力。最近很紅的微生物燃料電池,也是利用細菌分解廢水以產生電力。

我們可以把細菌(或是其他生物)當成小小的工廠。在人類既勢利又自我中心觀點下,細菌的功能及代謝產物,如果對人類有用,我們就叫他好菌;然而他若產生對人體有害的物質,我們就避之唯恐不急。

但是,就像把人類為好人和壞人,這種二分法也太簡單了、也太小看菌類了。拿最近很紅的肉毒桿菌來說,當把他產生的毒素吃進肚子裡,輕則有視覺障礙、嚴重的話就可能會致死;但在美容上如果應用得當,則可以去除皺紋、讓肌膚平滑,讓熟女繼續跟年輕小伙子約會。


【BOX2】
小標:生小孩補家計的
大標:窮校求生法


「自恃聰明的人,常得罪別人;太重感情的人,容易受傷害;意氣用事的人,會被孤立。總之,這個世界不好混。」

宜蘭大學食品科學系教授兼奈米科技中心主任陳輝煌,從他皮夾裡掏出一張複印紙,上面是他幾十年前他媽媽摘自日本文學家夏目漱石《草枕》裡的一段話,給在學術圈闖蕩的陳輝煌警句良言。

如同最後一句話,學術圈的確不好混。尤其對帶領實驗室的教授來說,除了有血緣關係的一家子人要養,實驗室中還有更大一家子要養,因此不得不為五斗米折腰,接了許多非本業相關的計畫。但可能每個經費都只有新台幣五萬、十萬元,對實驗室來說只是杯水車薪。

有許多資源不充裕的實驗室,老師對學生照顧有加,也希望多些經費來源讓大家多少有點補貼。但由於接了五花八門的計畫,學生、助理要處理的事情也跟著又多又雜,因此又要增添人手,人事成本提高,又因此不得不接更多小計畫。有點類似農村社會生一堆小孩來幫忙工作貼補家用,卻又花費更大的無限循環。

毫不意外的,學術聲望好的名校容易申請到經費充足的大計劃,實驗室全體成員共同合作一兩項大型、長期計畫,比較容易做出成績。而不知名的實驗室,就只能跟地方性的公司、農會合作,實驗內容多為市場導向、容易淪為廠商的實驗室。產學合作的研究主題也龐雜,讓實驗室無法專心一致在特定領域發展,也因而難有重大學術成果。

強者恆強的殘酷邏輯,在學術界似乎很難打破了。