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。

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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?

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(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。

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(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。unnamed

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。

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(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。

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(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。

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(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

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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

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(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:

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(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:

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(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:

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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

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