本期文章

無所不在 建構感測器世界

撰文/丁于珊    

未來的世界,每個人都有自己的仿生代理人(Bio-inspired Avatar),擁有機械的耐久性,以及真人般的精緻外表,且多種選擇任君挑選。只要坐上主控椅,你可以透過腦波將所有的想法、思緒傳送給代理人,並讓他們做出相同的反應。



透過他們,你可以看到他們所看到的,感受他們所感受的,不必踏出家門,就能夠擁有真實世界的所有感知。



這是電影「獵殺代理人」所勾勒出的未來世界。



這種類似的情節在許多電影中也都能夠看見。人類透過各種感測器,經由電子訊號及數字演算轉化後,從虛擬的世界中擁有真實的感受。在感測器技術的逐漸進步下,人們希望透過感測器能夠更精準、細膩的感受世界。



而現今,感測器種類不斷增加,應用也變的更加多元,感測器已經開始擴展到我們的「十、醫、助、行」當中。



十面八方 電子鼻嗅商機



金庸倚天屠龍記中,張無忌說道:「此藥勝在無色無味,卻是殺人的毒藥,服用之後過不了十二個時辰。」雪山飛狐中,程靈素點頭:「論及毒性,不下於那二物,它無色無味,能令人中毒于無形中。」何玉姝一味香舌,眨了眨明眸,嘆道:「無色無味,這般厲害,那豈不是沒人抵得住?」



在武俠小說中,常有這些使用無色無味毒藥,讓人在毫無防備下武功全失的情節。不只小說,在現實社會中,也時有所聞在一些工業區發生有毒氣體外洩,或者化學工廠利用晚上偷偷排放有毒氣體。雖不是無味,但卻經常面臨氣體揮發後,環保局抓不到兇手的情況,造成周遭居民人心惶惶。



不過,隨著科技的進步,這些情況將不會再發生。清華大學奈米工程與微系統研究所團隊開發出「電子鼻」,可以「聞到」各種不同的味道,比人類鼻子還要靈敏。清華大學奈米工程與微系統研究所教授饒達人仁表示,這是一種仿生系統。



在人類的鼻子中約有一萬個嗅球,每個嗅球對於各種味道靈敏度不一,在接收氣體後,透過神經傳送至大腦,再由大腦依據過去所聞過的味道做判定。嗅球越多,對於味道越敏感,如狗鼻子中有十萬個嗅球,因此對於味道比人要敏感的多。



電子鼻也是使用類似原理來做為味道的判別。透過氣體感測器,利用「表面生波感測」技術,當氣體中的分子附著在表面薄膜時,產生不同的波動頻率,再轉換成電子訊號,經過運算後,由資料庫中找到符合的氣體。有了電子鼻之後,就能夠將其安裝在各種地方,二十四小時監控環境品質,使得空污元兇手再也無所遁形。



事實上,電子鼻的應用範圍廣大,除了環境監控外,食物新鮮程度、假酒判別、果實成熟度、黑心商品鑑定、工業安全、居家安全、醫療用途等,舉凡一切和氣味有關係,都可以使用電子鼻來做為判別標準。



饒達仁舉例說明,曾有警方找上門來,希望能夠合作,使用電子鼻來判定死亡時間。以往,在判定屍體死亡時間,大多只能粗略估算出時間範圍,沒辦法精準的判斷出時間,造成警方在查案過程可能造成一些疏失。



而電子鼻高靈敏度且高敏感度,能夠「聞出」人類沒辦法感受到的氣味,透過死亡時間長短不同,所散發出的味道也不同,以此更精準判定。



「醫」脈相通 感測從呼吸開始



花博夢想館的環形劇場裡,人們透過心跳、呼吸感測,讓影片中的小樹成長為大樹、蝶蛹幻化為美麗的蝴蝶,和自然環境產生緊密的連結。這種看似簡單的互動方式,背後卻應用使用了複雜的感測裝置,這是由工研院所研發出的非接觸式超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)生理訊號感測技術。



呼吸感測方法眾多,可分為接觸式及非接觸式兩大類。而UWB技術因非接觸的特性,從原本應用在軍事發展與學術研究上,延伸出醫療應用、居家照護及文創等方面。其中,醫療應用及居家照護可說是呼吸感測一大市場。



根據研究指出,全台目前有六百多萬人患有睡眠障礙。UWB非接觸的特性,患者無須穿戴任何設備在身上,不僅睡眠不會因此受到干擾,也能夠準確監測呼吸變化。而UWB在車用上,則能夠透過監控駕駛人的呼吸、心跳,來辨別是否為疲勞駕駛,並利用無線網路發出警告,讓危險駕駛機率減少。



工研院量測技術發展中心前瞻微型感測實驗室技術經理林宏墩說到,對於燒燙傷這類的病患,如使用接觸式感測將會造成二次傷害,而UWB技術能夠透過發射超高頻率電磁波,以非接觸的形式來偵測患者呼吸及心跳變化,並透過無線傳輸方式傳到智慧手機或平板中,讓醫生或患者可簡單地了掌握呼吸狀況。



而另一項非接觸式呼吸感測是使用Kinect來感測呼吸變化,這是由國立臺灣大學資訊網路與多媒體研究所研究團隊所開發出來的。研究人員余孟杰表示,不同於UWB使用電磁波,Kinect是透過人體呼吸時動作的變化來進行感測,能夠更進一步的偵測左肺、右肺或是腹式呼吸的呼吸情況。



對於一些重症病患或者肺部開過刀的患者,呼吸通常顯得紊亂,這對醫生來說,也較難以對症下藥。如能夠更精準的監測患者呼吸,將會醫療診治上更有幫助。



推波助瀾 打造開心農場



感測器另一大市場在於消費性電子市場。受惠於智慧型手機和平板裝置等與行動裝置產品熱銷,以及物聯網的興起,感測器(尤其是採用MEMS技術)包括加速計、陀螺儀、麥克風等也獲得大幅度的成長。



感測器可說是物聯網構成的基礎元件,在物聯網熱潮下,感測器也延伸出各種應用。而MEMS由於微型化、整合度高等特色,其應用除了行動裝置外,也發展出農漁業等應用。



如養殖業可用來偵測水含氧量、溫度、溼度等。在植物工廠中,也利用了多種感測器來監控植物生長。另一方面,透過這些行動裝置,加上雲端運算興起、資料傳輸速度更快且能夠有效被擷取,感測器更有了許多新奇創意的應用。



例如一間瑞士公司發明一種「WiFi Plant Sensor」無線感測器,使用類似植物工廠的概念,只要將感測器放在植物旁,便能搜集土壤濕度、光照強度、環境溫度等資訊,並透過無線方式傳達到用戶的手機中,告知用戶植物目前生長情況,提醒用戶幫植物澆水、施肥或光照。針對每種植物不同的需求,用戶也可設定不同條件,來幫助植物的生長。



該公司執行長Phillipp Bolliger表示,這是第一個能夠及時通知用戶植物生產情況的感測器設備。其設計理念來自於90年代曾紅極一時的電子雞(Tamagotchi),因此,使用Koubachi來為感測器命名。希望用戶藉由Koubachi更真實的感受到植物的生命力,就如同飼養電子雞一般。


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