遇見科學

在油、電雙漲趨勢下，物價也跟著節節高升，讓許多算盤打得精的家庭主婦、婆婆媽媽忍不住想方設法「抗漲」，希望別讓電費跟著三級跳。但想讓荷包不縮水，可不能口頭說說而已，得實際參與省電節能、付諸行動，才能為家裡多省下點開支。以日常生活為例，我們幾乎每天都需要用得到電燈、空調、電腦等相關設備，但許多民眾都忽略隨手關燈的重要性，就連電腦、冷氣也經常是一整天下來都不關機，無形中不但讓電費跑不停，也為地球增加許多會導致全球暖化的二氧化碳！
「我們常在不知不覺中就浪費許多可以省下來的電力，」聖約翰科技大學電機工程系副教授張文宇有感而發地表示，很多人習慣一踏進屋內就把電燈、冷氣全打開，但卻忽略室內有幾個人，有時候就算只有一個人在屋內，也照樣燈火通明，導致電力就這樣一點一滴流失，不只不環保，也多出許多額外電費。也因如此，讓團隊決定從智慧節能開始思考如何善用科技之力來幫助我們聰明節省能源，經過電機系教授與學生的腦力激盪與集思廣益，終於設計出一套結合無線感測技術、溫度、溼度、照度、二氧化碳、節能插座等多元化模組的智慧節能監控系統，可以有效節省不必要的能源浪費。
張文宇表示，目前這套智慧節能系統已經運用在電腦教室與研究室中。以研究室為例，每個學生只要使用RFID門卡在門口登錄後，智慧節能監控系統就會依據RFID門卡所登錄的人數與辦公桌位置來調節照明設備，當學生人數多時，系統就會點亮較多電燈來提供足夠照明；若人數變少，系統就會自動關掉幾盞電燈；就連學生坐到位置上後，監控系統也會自動感應而啟動桌上的電腦，若學生離開研究室忘了關機，系統也會幫忙關閉電腦電源，以免浪費電力。
不只如此，就連室內溫度與二氧化碳濃度也能隨著人數多寡來進行調整，達到最佳舒適度，避免發生在冷氣房內穿著大衣保暖的窘況。張文宇解釋，一般室內空調都以密閉空間內的空氣循環為主，因此二氧化碳就會愈積愈高，導致空氣品質受影響；因此智慧節能系統特別裝置二氧化碳濃度監測系統，一旦濃度超標，系統就會引進外面空氣來增加對流。
看到這裡，有些讀者可能會對RFID這個專有名詞感到些許陌生。其實這項技術早已落實在我們的日常生活中，像是大樓門禁卡、個人資訊卡、通勤族每天必用的捷運悠遊卡等都應用到這項科技。RFID完整名稱為「Radio Frequency Identification」，中文則翻譯成為無線射頻辨識技術。團隊表示，目前許多先進國家都以RFID來作為辦公大樓、居家住宅門鎖，民眾只要拿出RFID卡片，就能開啟大門、相當方便。

除了研發智慧節能系統來「將電力花在刀口上」外，張文宇表示，高科技的進步與發展應該要能運用於普羅大眾的日常生活中，才能彰顯其價值與意義，對大學的研究成果來說也是如此。
像是之前在媒體報導上有時會看到住家因電線走火等原因而引發火災，導致民眾受傷與財產損失，事實上這些火災都是可以透過事先預防來防患於未然。為此，聖約翰科技大學電機系師生團隊也從插座著手，運用電能參數量測及監視控制功能等原理，設計出一套結合智慧型插座、無線傳輸等模組的「電足跡能源管理系統」。
這套電足跡管理系統具有電能使用狀態顯示功能、電能即時與定時控制、待機電力管理功能、迴路電能監控與保護功能、插座過熱斷電保護、漏電斷路保護等多樣化功能。
團隊主要是運用「電能足跡」的概念來呈現目前居家用電產品的電能狀態，透過管理系統的圖形化顯示介面，民眾不但可以一目了然各個智慧插座的用電量高低，還能告知使用者每個插座的電能使用史，當發現電路短路或漏電等情況時，管理系統就會即時啟用「自動斷電裝置」，避免造成不必要電線走火等意外事件、提升居家或室內的用電安全。
張文宇表示，就跟許多家電用品一樣，電插座也是有壽命的，並非「金剛不壞之身」，有些民眾因為節儉，許多插座或延長線一用就是幾十年，無形中也提高了電線走火或電力短路等風險。他建議民眾應該定期檢視家中電力設備的安全指數，一旦發現插座、電線有焦黑脫落等情況發生時，就要趕緊更換；同時也要避免在同一個插座上使用過多家電用品、導致電力過載、增加電線走火或短路的危險，如此一來才是安全用電的永保安康之道。

「流感病毒是會變異的病毒，因此篩檢工具也要有所因應，才能搶得防疫先機，」吳宗益說，病毒其實比人類所想的更聰明，為了在宿主身上活下來，而想方設法力求生存。其道理就如同達爾文的演化論一樣，病毒會像生物不斷進行演化般，透過變異的方式來達到「適者生存」目的。
為蒐集到更多病毒資訊，中研院團隊特別與疾病管制局合作，取得多種近年來發生於許多國家的流感病毒株，經過分析歸納後，再透過人工合成方式來做出二十七種結構的醣分子。在這當中，共有十七種結構會與禽類流感病毒產生作用，另外十種則會與人類流感病毒產生作用。而這些資訊也成為研發醣晶片的重要源頭。
吳宗益表示，透過這些設計合成的多種醣分子，當我們將檢測者的唾液檢體與醣晶片進行接觸時，就能迅速了解檢測者檢體與醣分子之間的作用關係，進而獲得正確的檢驗結果。
他表示，流感病毒是一種變異速度很快的病毒，所以科學家最擔心的就是流感病毒是否變異成人類從未遇過的新型病毒，因此隨著醣晶片的研發成功，中研院目前也正在努力投入建立流感病毒的「指紋圖譜分析資料庫」，希望透過歷年來流感病毒指紋圖譜資料的蒐集與歸納，藉此對病毒有更深入了解與掌握，一旦發現有新變異的病毒出現時，就可以縮短建立指紋圖譜的時間，為防疫機制助上一臂之力。

雖然時序已經進入立春，但各地氣溫仍未全面回暖，加上這陣子寒流一波接一波報到，不只讓國內罹患流感人數往上攀升，亦凸顯出病毒篩檢與及時治療重要性。
　　隨著科技進步，病毒篩檢技術也跟著與時俱進，像是中央研究院基因體中心研究團隊就花了三年時間，研發出一款可以用來偵測流感病毒的「醣晶片」，只要花幾分鐘時間就能立刻判斷民眾是否有罹患流感、大大提高黃金治療時間。
所謂「水能載舟、亦能覆舟」，拜日益發達的交通工具之賜，天涯若比鄰不再是難以實現的夢想，但隨著人與人、國與國之間的距離縮短，連帶也助長疾病傳播速度。從多年前的SARS疫情到近年的禽流感H5N1、新流感H1N1，如何防堵病毒擴散，儼然成為世界各國的防疫重點。
以今年過年為例，由於流感病毒持續發威，不少人放完年假後就出現咳嗽、發燒、頭痛等流行性感冒症狀，而紛紛前往醫院掛病號。
　　而這波流感病毒侵襲的對象不單只是抵抗力虛弱的長輩和兒童，就連青壯年也難逃病毒摧殘，甚至有流感患者因病情加劇而不幸往生，引起疾管局與社會關注。
成功大學公共衛生研究所所長陳國東表示，「流行性感冒」是一種由流感病毒所引起的急性呼吸道感染。若從病毒類型來看，流行性感冒病毒可根據病毒內部蛋白的不同免疫性質而分為A型流感病毒、B型流感病毒與 C型流感病毒。
事實上，流感病毒不只在台灣傳播，其他海外國家亦有類似疫情傳出。根據統計，國際大約每隔十至四十年就有可能爆發流感大流行，在歐、美等國每年都有數千萬至一億人感染流感病毒。由於流感病毒傳播速度快，也讓不少科學家都努力投入病毒篩檢工具的研發，希望結合醫療科技研發出更快、更精準的篩檢工具。
參與研發醣晶片的中研院助研究員吳宗益表示，目前市面上的快篩試劑，只能分辨出是不是「A型流感」，篩檢時也沒有辦法馬上「一測就知道」。為提高篩檢成效，中研院基因體中心結合團隊之力，投入三年時間研發出可以快速檢測流感病毒的醣晶片，民眾只要以些許唾液檢體測試，就能在短短幾分鐘內判斷自己是否感染流感，同時醣晶片還能辨識出患者究竟是感染到A型還是B型流感，甚至可以進一步細分出是A型亞種病毒還是新流感H1N1，讓篩檢成效更上層樓。
很多小朋友常不懂為何媽媽總是要自己戴上口罩再出門？其實原因是因為流感的傳播途徑主要是透過飛沫與人際傳觸等方式。當我們自身罹患流感時，病毒常會隨著我們打噴嚏而噴出的飛沫趁機傳播到周遭民眾的呼吸道，一旦受到感染後，病毒就會進入呼吸道與細胞內展開病毒複製過程，被感染的人就會因為病毒感染而出現流感症狀。這也是為什麼醫生常呼籲抵抗力虛弱的民眾出入公共場合時要配戴口罩，目的就是為避免病毒「趁虛而入」。

台灣科技大學設計學院建築系助理教授阮怡凱表示，近年許多國家都在積極推廣綠建築，希望多運用可回收再利用的環保建材讓建築可以「反璞歸真」。像是英國就有一個致力於環保節能的「零碳村」；而位於歐洲北國的丹麥，更是許多專家學者眼中力行節能減碳的環保國度。為了讓環保融入生活，丹麥還特別興建一棟節能環保屋，除了建材與建造方式都講求低碳設計外，亦藉太陽能板發電系統讓能源「取之於天然」，當住戶電力使用不完時還可傳送回中央電廠與他人分享，可說是一舉兩得。
而隨著建築工法與思維的進化，國際的綠建築趨勢亦隨之慢慢走向「零碳」概念，讓建築型態與過程更環保。阮怡凱說，所謂的「零碳建築」，其精神主軸就是以不增加地球環境負擔為前提的型式來打造人為建築。最主要的概念就是建築完全不倚賴現有的電力網路，而是藉由再生能源（太陽能、風力、水力等）來作為建築電力的供給。而國際各國亦針對零碳概念提出進一步解釋，認為零碳是一個整體概念，藉由自然植栽所達到的排碳效果，來抵銷建築物「產生」與「消耗」的二氧化碳，藉此達到零碳化的平衡成效。例如，木地板建材在生產過程中，因為砍伐樹木而排出二氧化碳，此時我們就能透過種植綠樹來達到碳氧平衡，使二氧化碳的消耗與產生達到「碳中和」。
阮怡凱語重心長地表示，與國際相比，台灣其實不缺綠建築的設計人才與相關技術，但若要讓綠建築概念發揚光大，得靠政府部門當「推手」來助上一臂之力。
　　他建議，除了透過立法規範來帶動建商跟進外，也應設立一套補助與獎勵機制，像是補助民眾在自家裝設太陽能發電系統來降低成本，才能循序漸進達到「普及化」。

只要運用巧思，綠建築也能成為賞心悅目的美麗花園！走進成功大學新落成的「孫運璿綠建築研究大樓」，最先映入眼簾的就是環繞建築物四周的綠意盎然，不但大樓門口就有隨風搖曳的茂密綠樹，另一邊還有運用水生植物淨化汙水的人工濕地，往上抬頭一看，屋頂則有百花齊放的空中花園，讓不少台南人行經成大時，總會誤以為這是學校新建的自然公園，而忍不住想要走進去一探究竟。
事實上，這是成功大學剛啟用的全球第一座「亞熱帶綠建築教育中心」，在建築系教授林憲德的設計監造下，建築團隊不但採用十多種最新的綠建築設計手法來打造，更是台灣首座「零碳建築」，突破傳統的設計思維與生態工法，還吸引Discovery頻道特別來台記錄大樓的建造過程。
成大表示，「孫運璿綠建築研究大樓」不但兼具採光良好與自然通風的節能成效，更採取系統化建築科學研究模式來提高環保效益與節能技術，團隊特別將這棟大樓稱之為「綠色魔法學校」，希望藉此為國內的綠建築技術推廣注入更多創意與活力。而整棟綠建築除運用百分百綠建材興建外，還特別種植四點七公頃的綠林來吸收建築物所排放的二氧化碳。打造這座綠建築大樓的推手林憲德表示，每公頃的人造綠林每年可吸收十五公噸的二氧化碳，藉由這些綠色植物的光合作用，正好可以吸收研究大樓所排放的二氧化碳，達到「零碳」目標。
林憲德指出，隨著環保思維的進化，綠建築的興建方式不只要跟著時代與時俱進，更要「因地制宜」，以台灣為例，由於地處亞熱帶，因此建造模式應考量在地化的氣候條件與自然環境，才能發揮應有的環保效益。
以台南來說，一年之中幾乎有近三百天都是豔陽高照的晴朗天氣，為發揮節能成效，建築團隊特別在屋頂裝置了太陽能光電板與風力發電塔，讓電力可以自給自足。不只如此，為降低日曬所產生的熱能，團隊亦運用創意在研究大樓屋頂種植許多具有耐風、耐鹽、耐汙染的多年生植物，打造出一座獨一無二的「諾亞花園」，就連裡頭的土壤也是運用廢土回收而製成的環保陶土。
林憲德說，為因應南台灣夏雨冬乾的氣候，建築團隊特別回收水庫中的淤泥，經燒製完成具有高吸水性與高孔隙率的輕質陶粒，良好的保水性讓土壤中的植物即使遇到久未下雨的乾季時，也不會因為長期缺水而枯萎。
而不只室外可以常保綠意，就連室內也能透過智慧工法來保持自然通風。建築團隊師法老祖宗的智慧，以灶窯概念來打造研究大樓內的國際會議廳；林憲德說，灶窯通風系統的設計發想是來自於「灶窯」的原理，建築團隊特別在前方講台後面設計了一排用來引入舒爽涼風的開口，而最後方的觀眾席後牆上則設計了一個宛如「壁爐」般的太陽能煙囪，利用煙囪效應的對流原理，打造出讓空氣可以由低而高對流的氣流場，不但有助於會議廳的通風排熱，還能讓空氣對流更加「暢通無阻」。
林憲德笑著說，透過這樣的灶窯通風設計，當會議廳高朋滿座時，冬天即使不開冷氣空調也不會感到悶熱難耐，換言之一年當中有長達四個月的時間都不用開空調，就能達到「自然通風」效果，足足可省下28%的空調用電。而除了通風有撇步外，就連照明設備也別具巧思，團隊特別採用陶瓷複金屬燈二次反射照明設計，藉此滿足國際會議廳的亮度需求，同時達到節能40%的成效。

有趣的是，壓克力光磚不只可讓普羅大眾依自身房屋的地理位置不同而「因屋制宜」、採集最大量的自然光源，未來還可藉助光纖傳導之力來「跨國界」輸送自然光源，用光磚收集日照較充沛的地區光線，將其傳導到日照不足的國家進行照明，將溫暖的太陽光分享給更多人。
黃忠偉說，現在的光纖主要是用來進行網路傳輸，但隨著科技進步，他相信未來有朝一日將可藉助光纖達到「光傳送」。換句話說，不同時區的國家或地區將可藉由光磚的採光與光纖的傳光來達到「互通有無」，讓正處於白天的台灣，也有機會透過光纖傳導將光線傳導到正處於黑夜的美國或加拿大，降低電燈的使用，發揮環保成效。
不過這樣的理想，還有待於光磚採光率的提升。黃忠偉表示，研發團隊接下來將致力於強化光磚的集光效能，希望將光磚的集光率從目前的百分之十提升到百分之三十，進而達到百分之百，讓光磚發揮更大效用。

風和日麗的晴朗午後，設計新穎前衛的台北花博未來館，湧入了一波波參觀民眾與戶外教學師生，在數百種花卉爭奇鬥艷的展覽館中，有一處擺放室內盆裁的展區吸引不少來訪者目光，許多民眾訝異於為何這些植物即使擺放室內，卻仍如此綠意盎然，更好奇綠色植物每天所需的太陽光是從何而來！
其實，箇中的關鍵就在於未來館中特別鋪設的「光磚」，透過這些像磁磚般的一片片光磚，不只能將戶外的自然光導入屋內，讓放置於室內的植栽即使不出門也能「陽光普照」，還能應用於綠建築，作為提升房屋照明的巧妙集光器。
為什麼「光磚」可以收集光線呢？負責研發的台灣科技大學電子系教授黃忠偉表示，名為「SunLego」的光磚，顧名思義就是運用集光元件將戶外的太陽光收集起來，結合光學折射原理來「採光」，利用「面光源」轉成「線光源」再轉成「點光源」的科學原理，將自然光引入光導系統中，再傳導進入室內空間，提升亮度，降低人工光源的使用，達到環保的節能成效。
而談起研發動機，黃忠偉表示，其實不少國家近年來也紛紛投入太陽集光器的研發，像是日本就發明了一種名為「向日葵」的自動集光器 ，藉助電力運作，讓集光器可以主動追著光跑，就如同向日葵會面向太陽的原理般，達到採集光源的功用。
然而，這種集光器雖然聽起來很方便，但造價成本卻不低，以至於現階段還無法普及於家家戶戶中。有鑑於此，研發團隊才會花了兩年半時間投入光磚的研發，希望藉此降低研發成本。
而為了讓光磚可以像房屋建材般方便鋪設，黃忠偉表示，團隊特別運用壓克力材質來製作出像地磚般大小的正方形光磚，長度為三十公分、厚度則有一公分，光磚外部的平滑面可用來收集太陽光，內部則排列了許多菱鏡，將採集到的光線匯聚成「光束」，再透過輸光管來傳送光線，就可以成功將戶外太陽光引入屋內。
黃忠偉說，每片壓克立光磚大約可採集到十分之一的戶外太陽光，換句話說，如果將光磚舖設成一坪大的面積，採集到的光線將可為十坪大的室內空間帶來光亮。對於一般民宅來說，只要將光磚鋪設在採光良好的「向陽處」，就可在白天採集自然光線、照亮太陽曬不到的陰暗空間。而這樣的「採光巧思」也獲得台北花博的青睞，將光磚運用於未來館的「植物與光」展示區的天花板上，藉此改善室內植栽無法獲得陽光照射的問題。

此次諾貝爾物理獎公佈後，除了石墨烯製造法的創新，將材料科技推向新紀元外。另一個備受討論的議題是，此次研究當中，兩位科學者以最簡單、便宜的普通膠帶，成功獲得各大實驗室用精密儀器也無法取得的石墨烯，引起人們對於科學研究在大科學時代的反思。
相對於小科學時代，很多研究可以透過簡單的燒杯與試管，甚或科學家一己之力觀察自然界的演變歸納而得。大科學時代的科學研究，常需透過龐大的實驗經費，與動輒數十人甚至上百人的團隊來完成，例如：橫跨八十五國共九千名科學家，動輒百億美金的大強子對撞機（LHC）實驗。此次獲獎研究僅透過簡單的工具，即可取得實驗結果，引起科學研究是否不應過份迷信昂貴實驗儀器的討論。
從事科技社會研究（STS）多年，中正大學通識教育中心黃俊儒教授表示，大科學時代中，對於LHC、基因定序、太空計畫等基礎科學研究，還是得透過龐大的研究團隊與經費才能完成，原因是此類基礎科學研究，建立在長時間的知識累積上，且此類實驗往往需要極大的能量方向前突破。此次獲獎項目偏向應用科學，應用科學著重如何將基礎科學橫向延伸，並運用到人類生活上，有機會透過創新的實驗方式，或較低實驗成本與較少的人力來達成，兩者間較難相提並論。
此外，獲獎科學家也不全然僅靠膠帶剝離石墨，即完成此項實驗，仍須透過精密的顯微鏡確認石墨烯的結構，和其他精密儀器檢測其特性，方能據以發表在學術期刊上。然而，如何透過創意解決實驗與研究上的問題，仍應是此次諾貝爾物理獎背後，值得科學家們思考的意義。