2016年5月4日 星期三

手機顯微鏡/手機光譜儀 科學Maker社群參展換獎活動 ! Maker Faire Taipei 5/7-5/8



-----------Maker Faire Taipei 5/7-5/8 科教館參展特別企劃-----------------
1. 分享此本頁連接於FB上,會場在科學Make攤位上秀出塗鴉牆上連結,可獲得行動水滴手機顯微鏡/黑色玻片的小禮物。
2. 當場使用手機顯微鏡/光譜儀,上傳照片與使用感想可參加現場顯微鏡/手機光譜儀轉盤抽獎。
3. 第十三次手機顯微鏡製作登記,配合Maker Faire 於 5/7 開始!

登記處
   科學Maker https://www.facebook.com/groups/720651754612879/

4, 現場有多位社團朋友自發與協助的觀察展示活動,各種珍貴樣品如水熊等,非常難得~ 
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關於科學Maker 與公民科學計畫

                                                            by Scimage 2016 科學月刊研討會演講

科學Maker 是一個科學社群,目前網路上約有兩萬七千人加入,主要的成員是老師跟關心科學與教育的各階層朋友。社群主要任務是在設計製作科學儀器與推廣在家進行屬於自己的科學研究。科學Maker成立約兩年多,目前親自參與製作的朋友與贊助製作的朋友已經超過5000位,在台灣送出手機顯微鏡等各種科學儀器超過一萬多台,並建立了一個開放的顯微影像資料庫,免費開放提供顯微影像給教學使用。除了儀器的製作,社群同時也支援了台灣跟顯微觀察相關的研究與教學計畫,贈送偏遠學校手機顯微鏡數百所,另外像是科教館,科博館,科工館,台大博物館,台灣博物館等教育單位裡都有科學Maker社群所贈送的工具在被使用著。

六年多前,本人東京大學完成學業,對學術研究的路也不太確定能不能繼續,那時候Youtube上開始有很多實驗影片的資料,因為想就算以後不做研究還是想繼續接觸科學研究,就開始了科學影片的介紹,設立了科學影像 Scimage 網站。接著四年多前,回到台灣在台大開始任教,能花在科學實驗介紹的時間越來越少,於是在兩年前該始改變網站的特性,從介紹科學研究變成設計科學工具,讓更多人自己參與科學,手機顯微鏡與科學儀器的製作就是這樣開始的。

由於沒有政府計畫,一切的資源與人力都是靠社群自發的協助來完成,一路上越來越多朋友加入,慢慢知道,希望跟這社群一起完成的事情是實現一個每個家裡都有自由科學家,創造工程師,有小小實驗室跟工作室的社會。為了完成這樣的目標,我們成立了自己的數位製造空間,所有的手機顯微鏡都是社團自己做出來的,讓更多人有機會可以參與創造的過程。也因為是自行設計的,所以可以把真正研究需要的功能設計到製作的儀器裡,例如手機顯微鏡有偏光顯微鏡與螢光顯微鏡的功能,而這些都是原本只有在實驗室才能取得的昂貴實驗工具,除了手機顯微鏡,陸續還設計了手機光譜儀,手機分光光度計,離心機,微量吸管,科學積木等等各式工具,讓一般中小學或是沒有資源的學校也都能有良好的科學實驗工具跟環境。過程中也陸續推動一些教學跟資源分享的計畫,希望讓更多人能有一個自由的參與科學的管道。社群漸漸變成一個聚集能量的環境,每次一的活動跟製作都有非常多朋友一起來幫忙,也感受到這樣的能量其實一直都存在台灣,希望經由這次的介紹,有機會分享這些經驗,讓更多有心的朋友能夠一起參予改變我們的科學教育與科學實驗環境。



期待與各位朋友在會場相見!

手機顯微鏡介紹: 

       網路上已經很多手機顯微鏡相關的介紹了,從原理用法到心得,稍微整理一下,應該可以看到這台手機顯微鏡的全貌,更歡迎各位朋友來看我們的展覽,實際使用操作。

使用者的推薦與官方資料庫
-----很多使用心得跟官方資料 (請看右方連結)

【開箱】科學maker--Scimage手機顯微鏡 by Tzu-Hsiu Ku 老師
-----開箱與使用

擁有自己的顯微鏡不再是夢想 by 黃奕杰
-----擁有最多模組的高中生 :)

Scimage的手機顯微鏡 by 阿簡老師
------專業的說明

「手機顯微鏡」觀察模式生物-斑馬魚 by 楊建洲 教授
------教學使用實例

科學Maker手機顯微鏡實作及斑馬魚在生物教學的應用 by 月鈴 老師
------資深優秀老師的說明

以下都是實拍影片~








手機光譜儀介紹: 

為了實現讓手機變成光譜儀,讓更多人可以擁有使用研究等級的光譜儀,科學Maker社群即將製作的手機光譜儀在本體設計上,重新根據光學成像與繞射原理,規畫垂直式短光徑設計,可同時提升光強與解析度。在光柵的設計上,使用特殊製作高效率光柵,與新光路結合後不僅光效率提高為研究用,可以免除了一般自製光譜灣曲的問題。

為了達成專業儀器的效果,在改善噪訊比上,使用了所需最小傳播光徑設計,免除任何不預期的光線傳播,也使用全密封的黑色壓克力隔絕外部任何光線的干擾,另外在內部配合特殊的表面抗反射黑色微粒層,讓訊號之外的光幾乎完全都被吸收與遮蔽,來實現高對比與準確的強度顯示,免除耀光雜訊的影響。以下為以手機螢光燈光譜的直接量測,可以看出對比與解析度皆大幅改進,不僅解析度可以提升,亮度也能準確呈現。


為了驗證手機光譜儀的強度的正確性與光譜的解析性,將所獲得的螢光燈光譜圖以ImageJ軟體以直接對強度做圖並與文獻上的比較,可以看出汞譜線與相對強度都能忠實呈現,表示非光譜噪訊已經被有效控制。上圖為文獻飛利浦螢光燈的譜線,下圖為手機光譜儀的量測結果。

在構件設計上,手機光譜儀的特點為可與手機顯微鏡鏡座結合,使用載物台直接調整固定,使得手機只要直接水平放置就可以穩定跟光譜儀結合,變成穩定的手機光譜儀,在光譜儀前端設計可換式狹縫的螺絲,可以依照所需的亮度與解析度,更換相對應的狹縫,在低光照下可以選擇較大的狹縫,而需要高解析度時可選擇較窄的狹縫,滿足不同需求。以下為與手機顯微鏡台結合後量測LED燈的量測構造圖,只要放下手機就能穩定量測。


另外前端的螺絲擴充設計也可直接鎖上分光光度計模組中放置比色管的裝置,來完成分光光度計的量測功能。下方為分光光度計模中前端擴充的樣子,中間有一對狹縫保證光線的直進,左右兩個孔為螺絲孔,中間放置的為與專業分光光度計相同的比色管,可以直接量測或是校正吸光度。


在分光光量測上,需面臨強度的正確性與否,以下是測試手機光譜儀的分光光度計量測功能來直接獲得吸收光譜圖,結果符合,顯示應該在合理的亮度範圍手機應該可以勝任分光光度計的,顏色與白平衡在相對量測值下無大影響。樣本是一片綠色的小壓克力。同時量測有穿(上方光譜)跟沒有穿過壓克力的光(下方光譜),然後直接影像計算,亮度相減除以沒有濾片的亮度然後算出穿透率 。

另外在研究上高效率的光譜儀也可以用來做螢光光譜儀的核心,可以用來檢測例如不同油品的添加,為了測試這可能性以下圖片是Rodamine B 的稀薄溶液跟用紫光LED激發,用手機光譜儀拍的螢光光譜。



希望經由這工具,想像有一天在台灣的課堂,化學老師帶著學生邊看光譜邊跟學生說明化學反應中分子怎麼重新組合,物理老師當著全班的面看著一條條光譜說明量子理論發展的由來,指著不同顏色的光跟出現的位置說明繞射跟光柵結構的關係,地科老師可以照著星體跟礦物,說很多關於地科的故事,生物老師可以培養細菌,用光度計量測生長曲線給學生看,說明生命最基本的動態,或是量著葉子說明能量怎麼被生命給擷取利用。


2016年3月2日 星期三

把學習與技術直接導入腦的方式! Enhanced Training Through Neurostimulation

關於腦部的運作雖然還有很多未知,不過這抵擋不住人想直接跟腦溝通的欲望,以往的學習需要經由一次又一次的練習來讓腦產生特定的連接或運作模式,現在科學家已實驗發現,直接輸入已經訓練好的人的腦部運作模式可以增加學習的能力,實驗以模擬開飛機為例,在測試人員的頭上先戴上特製的感測與刺激的儀器,裡面包含了對頭部血液流量的變化,即時量測腦波EEG,並且利用導電膠把電極根頭皮接觸,導入電流(稱為Transcranial direct current stimulation (tDCS) )。



先收集好學會人的腦波,然後在實驗者身上一邊訓練的同時,一邊把學會人的腦坡經由tDCS輸入與利用EEG同時監測,這樣一來,發現了接受這樣直接刺激輔助學習的人,可以大幅增加學習效果,原本失敗率較高或操作不易的飛行操作可以較快學會。這技術暗示著即將要開啟了一扇很不可思議的門,用在好的地方可以協助腦部失去功能的的功能性回復,另一方面也有可能造成對人能力更多的人為控制,走向未知的未來。





2015年11月2日 星期一

走向繞射極限與千倍放大率 : 光學變焦手機顯微變鏡!

手機顯微鏡的出現因為結合手機的攝影功能與即時性,已經改變傳統對光學顯微鏡遙不可及的觀念,由科學Maker社群共同推動的手機顯微鏡製作計畫,目前全台已經有約上千所的學校的老師,與各教育研究單位開始使用,讓顯微科學觀察的實驗的能力與機會重新回到每個對科學有興趣的人的手中,並一起建設完成上萬張開放顯微影像的台灣科學影像資料庫供非營利使用。

手機顯微鏡除了優越的光學性能與方便的使用特性外,最大的特點在模組化設計,先找出真正的科學原理,然後用數位製造的方式模組化實現,這樣的設計的讓各種觀察方式可以經由附加不同模組的方式完成,目前計有偏光顯微鏡,金像顯微鏡,螢光顯微鏡,倒立顯微鏡等,這些設計原本屬於專業研究領域的觀察都可以實現(關於手機顯微鏡的設計請看手機顯微鏡三部曲),提供原本昂貴研究用顯微鏡才有的功能,讓各種觀察能夠實現。
對於一些較小的物體,如動物細胞與細菌,手機顯微鏡的鏡頭設計雖有足夠的光學解析度,但是受限於目前手機相機不提供光學放大,對於微米等級的物體仍然不易直接觀察,在克服這點上,目前的模組設計中有複式模組與數位相機模組來達到千倍放大倍率,理論上可達到鏡頭設計的光學繞射極限(約略小於1um), 即使單一個大腸桿菌也可以被觀察到。

但是如果可以直接使用手機顯微鏡來達到這樣的放大倍率,會讓使用更方便,其實光學變焦模組在當初設計時已考慮到日後可直接附加在手機顯微鏡上。與傳統顯微鏡設計相同,如果使用一組目鏡與物鏡來放大,先用物鏡投影形成中間像,再用目鏡放大,就可以大幅增加放大倍率,達到高NA鏡頭的理論光學解析度,不會受限手機原本的鏡頭跟感光學件,複式成像的概念如下,只要調整兩個鏡頭的間距就可以調整光學放大倍數。


來源:http://scientificsentence.net/Optics/

而要在手機顯微鏡上實現光學變焦,需要手機顯微鏡與倒立顯微鏡模組,在倒立顯微鏡模組中有另一獨立鏡片,與手機顯微鏡的鏡片組合後,以倒立模組的鏡頭做為物鏡,而手機顯微鏡上平板的鏡頭做為目鏡,來實現適合手機的的複試光學變焦手機顯微鏡。結合後的圖示如下:




因為不同光學放大倍率下對物體焦點的移動只要調整載物台就可以校正,不會有成像問題,所以用這樣單一鏡頭或是複合鏡頭的設計,可以在手機下實現從幾個公厘的個體特徵觀察到微米等級的細胞細菌觀測都在同一組手機顯微鏡下實現。

下圖是以光學變焦模組拍攝老鼠子宮切片的照片,可以看出細胞的結構與染色的細胞核。其實這樣的解析度一直就在手機顯微鏡裡了 :)






2015年9月9日 星期三

讓手機成為專業光譜儀/分光光度計: 科學Maker 社群的科學台灣計畫!

以下要說一個手機怎麼變身專業光譜儀跟分光光度計的故事,這是科學Maker社群繼設計手機顯微鏡一年多後,繼續希望讓台灣各處變成小實驗室的努力,也希望改變台灣的科學學習跟研究環境,歡迎更多對科學有興趣的朋友一起來參與完成~

光譜儀是很多科學研究跟探索自然的必備工具,凡舉分子特性的分辨,濃度的量測,物質的鑑定,天體光譜的量測等,很多精密的實驗也都需要光譜儀的協助。但是光譜儀是昂貴的儀器,最便宜的要數萬起跳,更別提高感度高精密度的研究光譜儀或是分光光度計。

以往有一些方式可以DIY光譜儀,常用方式黑色的紙箱子放進一片光碟做為光柵,設置一狹縫,然後在相對的角度上用眼睛觀測或是用相機拍攝,但是其中有不少問題,如光譜灣曲,雜訊高,不管是因為遮光不全,光徑設置不良,或是內部反射的多次傳播干擾,最後都造成對比不足,解析度不高,加上一般只能直接手持,使用上不穩定,都讓這樣的工具僅止於一些對光源的觀察,難以進一步的使用。另一類的光譜儀使用webcam的感光元件作為核心以USB連接電腦,只有解決穩定觀測的問題,但是引入了有光學鏡片不佳與感測器解析度低等問題,解析度有限。下二圖為一般自製黑色紙筒光譜儀的關察,左方為自製,右方為中研院物理所印行切割之設計 (感謝 科學Maker 社群 St Kao 黃奕杰 提供觀察結果)


















為了實現讓手機變成光譜儀,讓更多人可以擁有使用研究等級的光譜儀,科學Maker社群即將製作的手機光譜儀在本體設計上,重新根據光學成像與繞射原理,規畫垂直式短光徑設計,可同時提升光強與解析度。在光柵的設計上,使用特殊製作高效率光柵,與新光路結合後不僅光效率提高為研究用,可以免除了一般自製光譜灣曲的問題。


為了達成專業儀器的效果,在改善噪訊比上,使用了所需最小傳播光徑設計,免除任何不預期的光線傳播,也使用全密封的黑色壓克力隔絕外部任何光線的干擾,另外在內部配合特殊的表面抗反射黑色微粒層,讓訊號之外的光幾乎完全都被吸收與遮蔽,來實現高對比與準確的強度顯示,免除耀光雜訊的影響。以下為以手機螢光燈光譜的直接量測,可以看出對比與解析度皆大幅改進,不僅解析度可以提升,亮度也能準確呈現。



為了驗證手機光譜儀的強度的正確性與光譜的解析性,將所獲得的螢光燈光譜圖以ImageJ軟體以直接對強度做圖並與文獻上的比較,可以看出汞譜線與相對強度都能忠實呈現,表示非光譜噪訊已經被有效控制。上圖為文獻飛利浦螢光燈的譜線,下圖為手機光譜儀的量測結果。


在構件設計上,手機光譜儀的特點為可與手機顯微鏡鏡座結合,使用載物台直接調整固定,使得手機只要直接水平放置就可以穩定跟光譜儀結合,變成穩定的手機光譜儀,在光譜儀前端設計可換式狹縫的螺絲,可以依照所需的亮度與解析度,更換相對應的狹縫,在低光照下可以選擇較大的狹縫,而需要高解析度時可選擇較窄的狹縫,滿足不同需求。以下為與手機顯微鏡台結合後量測LED燈的量測構造圖,只要放下手機就能穩定量測。



另外前端的螺絲擴充設計也可直接鎖上分光光度計模組中放置比色管的裝置,來完成分光光度計的量測功能。下方為分光光度計模中前端擴充的樣子,中間有一對狹縫保證光線的直進,左右兩個孔為螺絲孔,中間放置的為與專業分光光度計相同的比色管,可以直接量測或是校正吸光度。



在分光光量測上,需面臨強度的正確性與否,以下是測試手機光譜儀的分光光度計量測功能來直接獲得吸收光譜圖,結果符合,顯示應該在合理的亮度範圍手機應該可以勝任分光光度計的,顏色與白平衡在相對量測值下無大影響。樣本是一片綠色的小壓克力。同時量測有穿(上方光譜)跟沒有穿過壓克力的光(下方光譜),然後直接影像計算,亮度相減除以沒有濾片的亮度然後算出穿透率 。


另外在研究上高效率的光譜儀也可以用來做螢光光譜儀的核心,可以用來檢測例如不同油品的添加,為了測試這可能性以下圖片是Rodamine B 的稀薄溶液跟用紫光LED激發,用手機光譜儀拍的螢光光譜。



新設計的手機光譜儀取了名字了,叫做SciView,取這名字是希望可以從小小的觀景窗讓更多人看到動人的科學的視野,非常輕巧簡潔的設計,除了喜歡這種質感,也是心中最好的設計了,不管科學上,使用上或是整體外觀結構上

希望經由這工具,想像有一天在台灣的課堂,化學老師帶著學生邊看光譜邊跟學生說明化學反應中分子怎麼重新組合,物理老師當著全班的面看著一條條光譜說明量子理論發展的由來,指著不同顏色的光跟出現的位置說明繞射跟光柵結構的關係,地科老師可以照著星體跟礦物,說很多關於地科的故事,生物老師可以培養細菌,用光度計量測生長曲線給學生看,說明生命最基本的動態,或是量著葉子說明能量怎麼被生命給擷取利用。

而在台灣對科學有興趣的同學,不用再去大學實驗室,就能在家還是在自己學校完成想做的科展,不僅能觀察顯微的世界,也能做定量定性的量測,不是有關係的有辦法去實驗室的人才能做。一些假東西還是汙染的東西一驗光譜就會原形畢露,或許投鼠忌器也會變少。

SciView手機光譜儀與分光光度計模組,即將要在科學Maker 社群登記製作,依照過去的科學儀器製作計畫,會讓參與的朋友一起做或是自由贊助來獲得,歡迎各位對科學有興趣的朋友加入科學Maker來一起完成!

故事說完了!

2015年6月4日 星期四

會跑會游還會自我消滅的MIT新微型自摺紙機器人! Miniature Origami Robot Self-folds, Walks, Swims, and Degrades

機器人最基本的組態就是支撐的硬結構,活動的軟關節還有驅動的馬達。以往這些元件需要用不同的材料跟電機結構來完成,最近MIT跟慕尼黑工業大學展示了一種新的可能性-用自組裝的摺紙技術加上磁場激發來做成小的機器人。主要的構造很簡單,PVC跟磁性材料被包覆在兩層以紙或PS組成的薄片中,其中在放置一塊小的釹鐵硼磁鐵,包覆的這兩層薄片先以雷射切割,所以留下了可以彎曲的溝槽做為關節。然後把這機器人放到加熱板上,一但加熱,PVC開始變形,因為所夾的薄片有不同的溝紋,所以就自己摺起來成不同形狀,其中硬的板狀結構跟軟的活動關節也都有了。

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會動的原因是因為有磁性材料層跟中心磁鐵兩個對磁場有反應的材料,所以當外加磁場時這兩種材料間的吸引力就會增加 (物理小知識: 磁場中磁性物質會頃向順著磁場排列且相吸),所以如果加上一個震盪的磁場,這小機器人就會開始抖動起來,如同振動馬達馬達一樣,所以只要整體結構有非對稱性,震動就會造成運動,就可以跑了!(實驗中使用15 Hz的磁場頻率,這跟整體材料的共振條件有關,也是就關節有綸軟跟質量的分布)
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實際操作上實驗中加了四組電磁鐵,所以也可以用磁場強與方向分布控制運動的方向,所以可以做到躲開障礙物這種運動。當然可以產生運動的結構,除了利用震動周期中摩擦力的不對稱來運動外,也有可能靠震動變形中流體阻力的不對稱性來游泳,所以這款磁激發的機器人也可以在水面運動。最後最後,因為材料特性,如果放在可以溶解的溶液中,就會分解了。 整個展示影片如下:


其實,同樣的加熱摺疊原理去年已經展示過了,如同下面的影片,只是去年的馬達是外加的振動馬達,今年變成磁鐵震動...



而振動機器人也是已經熟知的科學玩具,可以參看牙刷機器蟲的運動 ,自我摺疊的實驗在近年也很多,如自己折起來的薄膜! Plastic sheets perform auto-origami,或許下次有心的朋友花些巧思融合一些科學原理,也可以做出更好更厲害的機器人喔~ :D


國外報導參看
http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/origami-robot-folds-itself-up-does-cool-stuff-dissolves-into-nothing