智慧城市：STEM創新科技在公共衛生上的應用——無人機

當我們考慮智慧城市的概念時，往往需要顧及到城市人口密集，地形複雜的問題。而能夠從天而降的無人機，能夠以立體上下的角度解決問題。

無人機泛指一切無搭乘人員的飛行載具，而城市中運用的無人機，需要考慮自由升降，長時間滯空等問題。以常見的四軸飛行器(quadcopter)為例：

四軸飛行器搭載了四個螺旋槳。螺旋槳槳葉「前仰後彎」的形狀，造成氣壓的差異。當螺旋槳旋轉時，會將空氣推向一個方向。

上圖中，當螺旋槳順時針旋轉時，會將空氣推向前方（伸出熒幕的方向）。

根據牛頓第三運動定律，當兩個物體交互作用時，彼此施加於對方的力——作用力與反作用力大小相等、方向相反。以上圖為例，當螺旋槳對空氣施加向前（伸出熒幕的方向）的作用力，空氣會對螺旋槳施加向後（進入熒幕的方向）的反作用力。

四軸飛行器通過四個旋翼互相抵銷反作用力，並且透過不同的升力，來實現不同的運動。兩兩對角的螺旋槳轉向剛好相反，透過這種配置，來互相抵銷旋轉上的力矩，在已經平衡的情況下，同時增加或減少四個旋翼的推力的話，可以做出上升與下降的動作；而同時增加或減少相鄰的兩個旋翼的推力，可以做出前後左右運動的動作；同時增加或減少對角旋翼的推力時，則可以做出順逆時針旋轉的動作。

複雜的飛行運動，則通過多個上升、下降、前後左右、順逆時針旋轉的運動組成。

那麼，在公共衛生方面，無人機在智慧城市抵抗疫情這個層面，能夠發揮甚麼功用呢？以下列出一些現存的例子。

1) 結合無人機與編程技術，可以令無人機從高空按指定路線飛行，由上而下監察路面交通情況，規劃出最適合運送醫療物資的路線及行程表，避開交通堵塞，讓醫療物資在第一時間運送到最有需要的地方。

2) 通過安裝攝影機及揚聲器的無人機，巡查村鎮及社區狀況，並提醒當地居民做好安全措施。

3) 大型無人機可以用於噴灑農藥。在疫情期間，部分農業無人機被改裝，用於大規模噴灑消毒藥水，進行社區消毒。

(國內使用無人機提醒村民戴口罩出門)

(無人機空中“消殺”防疫)

題目

1. 四軸飛行器的螺旋槳通過旋轉來產生向上的升力。如果一台四軸飛行器後面的兩個螺旋槳旋轉，但前面的兩個螺旋槳停止，這台四軸飛行器會向哪個方向飛行？
2. 有一個「竹蜻蜓」，它的螺旋槳每旋轉一次能推進「竹蜻蜓」0.1cm。若螺旋槳每分鐘轉動3600圈，求「竹蜻蜓」的推進速度。
3. 除了上述的三個例子，設計一個將無人機應用在公共衛生或/及抵抗疫情的方案。[提示：可以為無人機安裝新的部件或系統]

酒精「啫喱」與食用啫喱

（警告：酒精「啫喱」含有工業酒精，不能食用！）

在談及酒精消毒液時，我們經常會將黏性的酒精消毒產品稱為酒精「啫喱」。不過，酒精「啫喱」和真正的食用啫喱又有甚麼不同？

酒精「啫喱」

當我們說酒精「啫喱」時，其實是指它具備啫喱一樣黏性的特質，並不代表它是真正的啫喱。

那麼，酒精「啫喱」的黏性特質，又是從何而來呢？原來，我們製作酒精消毒液時，會加入甘油(glycerol)。甘油是無色、無味、黏性的液體，也是酯質中甘油酯的骨架成分。在酒精消毒液，食用甘油作為附加成分有以下好處：

1. 增加黏性，讓揮發性的酒精能夠停留在皮膚上更久。
2. 甘油具有吸溼性，能夠一定程度起潤膚的作用。
3. 成本相對便宜，無毒性。

食用啫喱

食用啫喱是一種容易製作的甜品，同學們有試過自己製作啫喱嗎？只需要將市面買到的啫喱粉按照產品指示，將啫喱粉與熱水攪勻，加入果汁（部分啫喱粉成分已經加入果汁），冷卻後就能食用。

那麼，問題來了：為甚麼將粉末狀的啫喱粉加入熱水，就能形成膠狀？

（圖片來源：Wikimedia）

其實，啫喱粉的主要成分是食用明膠(gelatin)。明膠的原材料是動物體內的膠原蛋白，是一種構成動物皮膚及骨頭部分結構的結構性蛋白。

(膠原蛋白的三螺旋結構。圖片來源：Wikimedia)

當我們將啫喱粉加入熱水時，熱水會破壞明膠螺旋分子之間的鍵，解開它的結構，這就是蛋白質的變性(denaturation)。當熱水重新冷卻時，明膠螺旋分子會重新凝固，但中間會形成大大小小的水泡，形成啫喱獨特的彈性膠狀結構。

練習：

學過酒精「啫喱」和食用啫喱的分別，我們不妨嘗試按照製作方法，製作屬於自己的酒精「啫喱」；又或者使用市面上的啫喱粉，在家長陪同下製作食用啫喱，為逐漸變熱的天氣準備好消暑甜品。

智慧城市：STEM創新科技在公共衛生上的應用——醫療機械人

病人在醫院需要各類照顧，各地醫院均有醫護人員人手不足的現象，且醫護人員一時不慎接觸病人，可能導致交叉感染。在這個時候，在醫院配置機械人是一個不錯的選項。

使用機械人有以下的優點：

1. 機械人本身不會感染細菌或病毒，不會導致交叉感染。（註：細菌或病毒可以附著在金屬表面存活一段時間，所以用於醫療的機械人會有一層特殊的塗層，並需要定時消毒）
2. 機械人不會疲勞，能夠長時間活動。
3. 機械人可以代替一些工作，減低醫護人員負擔，讓醫院中的人力資源重新分配到更適合的層面。

在對抗新型冠狀病毒的疫情中，機械人被應用於部分地區的醫院中。根據報導（連結），武漢雷神山醫院配套了醫療機械人，可以用於運送醫療物資、送餐、消毒（包括對自己消毒），並且有自動識別人群及避開障礙的功能，在醫院中行動自如，協助當地醫生對抗疫情。

(雷神山醫院使用醫療機械人)

題目

1. 醫療機械人有甚麼優點？有甚麼缺點？
2. 機械人的反應系統由感測器(探測刺激)、處理系統及反應器(對刺激做出相關反應)組成。嘗試以合適的感測器和反應器，設計一套讓醫療機械人無須操縱也能自行避開行人和障礙的系統。

溫度計的原理是甚麼？為甚麼我們要量體溫？

溫度計的原理是甚麼？

溫度計利用不同的物理反應去測量溫度，其中一些常見的原理如下：

1) 液體溫度計：正如上一篇文章所述，液體溫度計利用液體的熱脹冷縮量度溫度。

2) 旋轉式溫度計：旋轉式溫度計同樣利用熱脹冷縮的原理，不過由液體改為兩片不同的金屬，沿表面連接在一起而成。雙層金屬片會因為不同金屬在溫度改變時膨脹程度不同而彎曲。當溫度上升時，卷曲狀的雙層金屬片的彎曲程度增加，令指針在刻度面上旋轉。相比液體溫度計，這種溫度計不會有液體洩漏的風險。

(圖片來源：Wikimedia)

3) 電阻溫度計：對導電體而言，溫度上升代表粒子振動的平均動能上升，令電子與振動原子碰撞得更頻繁，導致電阻上升。電阻溫度計利用這個原理，測量通過特定導電體的電流與電阻，從而測量溫度。

(圖片來源：Wikimedia)

4) 紅外線溫度計

紅外線是一種不可見光，波長比可見光的紅光長（因此得名「紅外線」），而短於微波，波長在760奈米（nm）至1毫米（mm）之間。所有溫度高於絕對零度的物體都會發出紅外線輻射：物體越熱，分子就愈活躍，發出的紅外線輻射能力也更大。

紅外線溫度計便是利用這個原理來量度物體溫度。紅外線溫度計的光學設備收集物體的紅外線輻射，聚集於檢測器。檢測器將紅外線輻射的能量轉化為電信號，經放大及換算後顯示為溫度讀數。這種量度溫度的方式快速、安全，無須接觸患者身體就能測量體溫，減少接觸感染。

(圖片來源：Wikimedia)

為甚麼我們要量體溫？

首先，體溫過高或體溫過低，都會對身體造成傷害。絕大部分體內的代謝反應都需要酶(Enzyme)進行催化。酶是一種蛋白質，溫度太高或太低都無法起作用：當溫度太高時，酶的特有化學結構被破壞，因而變性失活；當溫度太低時，酶的活性會下降。恆溫動物，例如人類，需要將體溫維持在酶的最適溫度，讓酶保持活性。

其次，發燒是許多疾病的常見症狀。當病原體進入體內時，免疫細胞會進行發炎反應，其中產生的複合體或代謝產物會提高體溫；部分病原體及代謝產物也會直接影響身體的溫度調節中樞，導致體溫上升。

由此可見，量度體溫可以讓我們得知身體的健康情況，也能及時發現體溫過高或過低的情況，避免身體受到損害。

溫度計製作及其原理

材料及工具：

1. 玻璃小瓶
2. 膠管
3. 酒精
4. 食用色素
5. 一杯冰水，一杯溫水
6. 溫度計
7. 尺子，馬克筆

製作步驟：

1. 將酒精及食用色素加入玻璃小瓶
2. 將膠管插入玻璃小瓶，封好
3. 準備一杯冰水，一杯溫水；用溫度計量度溫水的溫度
4. 將裝有染色酒精的玻璃小瓶放進冰水，觀察膠管中液體柱的高度，用馬克筆標記為0°C
5. 同樣，將裝有染色酒精的玻璃小瓶放進溫水，觀察膠管中液體柱的高度，用馬克筆標記為溫度計標誌的溫度
6. 在兩個標記之間分為等量的間距，按照比例計算每一個標記代表的溫度

注意事項：

1. 本溫度計適合量度室內溫度，不適合用於測量人體溫度
2. 玻璃易碎，製作時須佩戴保護裝備，並須小心使用
3. 留意膠管中水柱的高度，不要溢出
4. 不要使用沸水製作溫度計，避免燙傷或玻璃爆裂

製作溫度計的原理

液體溫度計利用了熱脹冷縮的原理。物質由粒子組成，溫度就是粒子振動的幅度。在溫度計中，當溫度上升時，膠管中的酒精粒子的振動幅度加大，令酒精膨脹，水位上升；但當溫度下降時，膠管中的酒精粒子的振動幅度便會減少，令酒精收縮，水位下降。

溫度計是一項方便的工具，在測量氣溫，量度體溫有很大幫助。不夠，我們為甚麼要量度體溫？除了利用熱脹冷縮的原理，我們還能使用什麼方式製作溫度計？在下一次的文章中，我們將會探討這些問題。

思考題：

1. 假設一個液體溫度計，0°C與40°C的刻度的距離為5cm。當溫度為100°C時，水柱的高度距離0°C多少cm？
2. 為甚麼加入食用色素的蒸餾水不適合製作溫度計？試列出兩個原因。

疫苗是甚麼？

在對抗病原體的歷史上，疫苗扮演了重要的角色。在我們小時候開始，就會接種不同疫苗以抵抗疾病。不過，疫苗到底是甚麼？要回答這個問題，就要先從二次免疫反應講起。

當病原體、花粉之類的抗原進入身體後，會激活初次免疫反應。在初次免疫反應中，淋巴細胞（白血球的一種）會增殖、分化。有些分化出來的細胞會產生抗體，直接參與初次免疫反應；而有些卻會「記憶」當時入侵身體的抗原，並蟄伏起來。後者，我們稱之為記憶細胞（memory cell）。

這些記憶細胞能夠並存活好幾年，甚至終生。當同一種抗原再次進入身體時，記憶細胞能夠迅速活化、增殖、分化，產生更強烈的免疫反應。這就是二次免疫反應。

（圖片來源：The Partnership in Education, Duquesne University）

疫苗就是利用二次免疫反應的原理，將病原體或「代用品」注射人體內，令人體產生相應的記憶細胞。當真正的病原體入侵身體時，這些記憶細胞就能參與二次免疫反應，形成效應B細胞並產生抗體應對病原體。

疫苗可以分為兩種：

1. 活性疫苗：將減低毒性的病原體注射身體，讓身體產生輕微的感染，並產生對應該種病原體的記憶細胞。
2. 非活性疫苗：死亡的病原體、病原體的一部分、甚至病原體產生的物質，都可能刺激身體產生對應病原體的記憶細胞。近代，科學家更利用基因重組技術，合成病原體的特徵部分，來製作基因重組疫苗。

無論哪一種疫苗，都需要經過長時間的動物實驗及人體實驗，確認疫苗能否產生效果，以及疫苗會否產生嚴重的副作用，才能實際應用於社會，造福人群。

以下是一段關於疫苗戰勝天花病毒的影片：

（影片來源：TED-Ed）

參考資料

[1] Clem, Angela S. “Fundamentals of vaccine immunology.” Journal of global infectious diseases vol. 3,1 (2011): 73-8. doi:10.4103/0974-777X.77299

口罩製作及其原理

材料及工具：

1. 透明膠套/防水棉布
2. 廚房過濾紙
3. 吸水面紙
4. 縫紉工具
5. 棉質橡皮筋
6. 鐵線（可選）

製作步驟：

1. 剪裁透明膠套/防水棉布、廚房過濾紙及吸水面紙。（參考圖樣。來源：Daya.cz）
2. 按照下列順序將布料縫在一起：透明膠套/防水棉布（面層）、廚房過濾紙（中層）及吸水面紙（內層）
3. 按照面型及耳朵的位置，在左右兩側固定棉質橡皮筋
4. 可選：在鼻樑位置以水平方向固定鐵線，佩戴時調整口罩弧度

注意事項：

1. 上述製作方法僅供參考，不保證具備醫學口罩同等功能
2. 佩戴口罩前後應使用梘液及清水，或酒精搓手液清潔雙手
3. 當口罩內側吸水面紙溼潤後，應立刻更換口罩
4. 請勿重複使用同一口罩

製作口罩的原理

市面販售的醫用口罩，其主要作用為防止飛沫傳播病毒顆粒。它的結構分為三層：

（圖片來源：衛生防護中心）

1) 面層是一層防水的材料，防止外來飛沫穿過口罩。另外，面層可以阻擋較大的粉塵。

2) 中層是過濾病原體的材料，視乎材料會有不同的過濾效果。過濾的原理有許多種，其中最為人熟悉是通過控制濾材的孔洞大小，攔截大於孔洞的物質。

另外，部分口罩的濾材使用熔噴不織布(Meltblown Nonwoven)。將聚丙烯(Polypropylene，簡稱PP)加熱至熔點，然後壓成布料。熔噴不織布的纖維排列無定向，形成不規則的空洞；除此之外，熔噴不織布的纖維對病原體顆粒產生靜電吸引，從而隔絕病原體穿過口罩。

3) 內層是一層吸水的材料，吸收佩戴者呼出的濕氣。

生物進行有氧呼吸作用時，會將養分轉化為葡萄糖，轉化能量，並釋放二氧化碳及水。所以，呼出的空氣與未經呼吸的空氣相比，二氧化碳及水的含量會較高。除此之外，說話及呼吸時，亦會產生飛沫。為了防止佩帶者的病原體通過飛沫穿過口罩，口罩的內層會使用吸水的材料製作。

 

口罩的外形設計

口罩需要覆蓋使用者的口與鼻。通常製作口罩時，只需要按照面型計算圖樣大小及形象製作圖樣，然後按照圖樣剪裁布料。口罩通常會加入金屬線，方便調整鼻樑突出部分。

不過，事情總有例外。例如，美國疾病管制中心就提出，男性的鬍鬚形狀可能突出工業口罩的範圍，令口罩失去效果：

（圖片來源：美國疾病管制中心部落格）

其實，我們可以使用3D設計軟件，按照自己的面型，設計及製作別出心裁的口罩外形：

大家不妨使用參考圖樣或3D軟件，按照上文的步驟製作屬於自己的口罩，發揮創意對抗疫情。

資料來源：

1. 衛生防護中心
2. Daya.cz
3. 美國疾病管制中心