【Gene 愛聊科學】木頭處理後有沒有可能比鋼鐵還硬?

有科學家發現,利用化學浴和熱壓,可以在剛度和強度方面產生了前所未有的增強,把木材轉變成比鋼鐵更堅固的材料。
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木材在我們生活中有許多的應用,例如傢具和建築材料。但是因為木材的硬度大不如鋼鐵,所以應用範圍有限。如今有科學家發現,利用化學浴和熱壓,可以在剛度和強度方面產生了前所未有的增強,把木材轉變成比鋼鐵更堅固的材料。這個發現,可能會使木材成為在汽車和建築物製造中塑料和金屬的環保替代品。

加強木材的嘗試可以回溯數十年。過去一些科學家努力提取纖維素中的奈米纖維來合成新的材料 [1]。也有科學家們試圖使木材更緻密,以獲得適用於高強度應用的材料,但成效有限。

美國馬里蘭大學的力學家李騰和材料科學家胡良斌的研究小組則採取了不同的方法,他們專注於修改天然木材的多孔結構。首先,他們用氫氧化鈉和亞硫酸鈉溶液把不同類型的木材(包括橡木)煮沸七小時,這種化學過程類似於木漿製紙的方法。他們的發現發表在《自然》(Nature)[2]。

天然木材包含許多平行的管狀細胞,其細胞壁主要由纖維素構成。在樹的木質部的大部分地方,細胞已經死亡並留下了富含纖維素的細胞壁,加上木質素和半纖維素形成中空的木質纖維。木質素是一種生物聚合物,在植物中具有許多功能,如穩定木材中的細胞壁並阻止寄生蟲和細菌對木質細胞的侵襲;半纖維素則是用糖鏈覆蓋和結合細胞壁中的纖維素纖維。

然後,他們在 100ºC 下壓塊一天,並將其密度從 0.43 克每立方厘米增加到 1.3 克每立方厘米。結果是,木板成了只有原本厚度的五分之一,但密度是天然木材的三倍,強度提高了 11.5 倍。由此產生的穩定材料密度高到無法漂浮在水面上。而過去對木材緻密化的處理,僅使強度提高了三到四倍。

許多纖維素基材料在與水接觸時會膨脹,但他們的緻密木材的吸水膨脹的可能性不大。德國波茨坦馬克斯·普朗克膠體與界面研究所所長 Peter Fratzl 指出,去除木材中的木質素可能使其更容易受到細菌或真菌侵襲,但這仍有待觀察 [3]。

他們利用掃描電子顯微鏡顯示,最新的過程將纖維素管壓碎在一起,直到它們皺縮並互鎖。為了測試材料的韌性,他們從通常用於測試軍車抗衝擊能力的彈道氣槍,向其發射子彈。將五層木材層壓成總厚度僅為 3 毫米的材料,就能夠擋住以每秒約 30 米的速度行進的 46 克鋼彈。他們表示,這比一顆子彈每秒幾百米的速度慢得多,但它與汽車在碰撞前可能移動的速度相當,使得該材料可能適用於車輛。

然而還是有人不買單,例如俄勒岡州立大學的 Fred Kamke 就認為,即使不去除木質素,其他技術(如施加較高溫度,在處理前蒸汽蒸煮木材並用樹脂處理)也可以讓木材變硬。他認為這些其他方法可能比苛性鹼溶液中 7 小時的煮沸便宜得多,而且還指出在自己的測試中,24 層未經化學處理的緻密木材能夠擋住手槍的 9 毫米子彈 [1]。

馬克斯·普朗克膠體與界面研究所的植物生物力學家 Michaela Eder 指出,壓縮木材以增加其密度自然會提高其強度,但是有多少強度是來自奈米纖維纏結的程度還不清楚。胡良斌和李騰指出,他們的模擬顯示,強度的增加與奈米纖維纏繞時形成的氫鍵的影響是一致的。他們說,進一步的證據是在以前的研究中,他們萃取木質奈米纖維,使紙張的強度提高了 40 倍,強度提高了 130 倍,但密度只有稍微的增加。他們說,這顯示纖維素纖維的鍵結是獲得優異強度的主因。

胡良斌指出,他們的研究主要發現,是去除適量的木質素是讓性能最大化的關鍵。在他們的實驗中,去除太多的聚合物會導致較低密度的脆木材,這表明一些剩餘的木質素在熱壓時有助於纖維素纖維的鍵結。當大約 45%的木質素被除去時,製作出的木材是最強的。

緻密的木材仍然比金屬材料輕,能與更貴的碳纖維相媲美,所以它的剛度和強度為許多工程應用開闢了應用潛力。另外,胡良斌指出,像松木或輕木這樣的軟木,生長速度快,更加環保,可以用這種方法替代家具或建築中生長較慢但密度較高的木材如柚木 [4]。

這些新興技術正在透過馬里蘭大學分拆出去的公司 Inventwood LLC 進行商業化。

參考文獻:

1. Zastrow, M. Crushed wood is stronger than steel. Nature News. 07 FEBRUARY 2018. 
2. Song, J. et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature 554, 224–228 (2018).
3. Fratzl, P. Wood made denser and stronger. Nature 554, 172–173 (2018).
4. University of Maryland. "Super wood could replace steel: New process could make wood as strong as titanium alloys but lighter and cheaper." ScienceDaily. ScienceDaily, 7 February 2018. 


【社會數位轉型】交通安全不能靠運氣!經濟部AI智慧運輸新解方預防事故發生

居住在都市的人們,大多早已習慣使用電子票證搭乘大眾運輸,能自然而然透過即時公車動態資訊掌握交通時間,也多有騎乘共享單車的經驗,旅遊時更享受著機場無人化自動通關、國道 ETC 電子道路收費的便利。這些畫面也許你不曾留意,但都是智慧運輸科技改善生活的證明。
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Photo Credit:Unsplash
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疫情衝擊下,結合人工智慧、區塊鏈、加密貨幣、虛擬實境、物聯網等數位科技的創新應用服務不斷成長,加速產業數位轉型,為經濟帶來正面效益,不知不覺間也成了改變社會的力量。隨著時代進步,人類的食衣住行越來越離不開數位科技,而交通運輸作為維繫社會系統運作的關鍵之一,正是臺灣邁向數位國家必須關注的重大議題。

近年特斯拉在全球大賣,經濟部技術處也看準無人載具、自駕車趨勢,推動創新實驗專案計畫,秉持沙盒精神,授權產學研於北中南各都進行落地實證,促進臺灣智慧運輸科技的研究發展與創新應用。

串聯法人技術合作 開發 AI 自動煞車系統罩大型車

馬路如虎口,臺灣交通事故多,為提升交通安全,資策會系統所在經濟部技術處科技專案的支持下,以自駕感知次系統技術能量於 2021 年發表全球首創的智慧巴士 AI 內輪差自動剎停技術,結合車輛視野輔助攝影機及 AI 影像辨識技術,陸續在台北市、新北市、桃園市等交通場域進行系統實證。現已能在預測內輪差區域發生碰撞前 1 公尺在 0.6 秒內發出預警並自動煞車,降低大型車駕駛盲點車禍事故問題。

資策會系統所智慧駕駛組組長張均東表示,臺灣交通環境為二輪與四輪複雜混合車流,車流密度高,駕駛習慣參差不齊,相較歐美更為複雜,對於發展無人載具來說是很大的挑戰,但也充滿機會。臺灣大型車平均一年造成 1,500 件事故,主因就是在混合車流環境下於視野死角容易發生死傷事故,「最常見就是所謂的 A 柱(註)與內輪差視野盲區,大型車輛(公車、貨車、聯結車等)轉彎時無法清楚看到機車、行人是否在行駛區域內,於是在轉彎行進過程來不及反應,造成此類車禍傷亡率很高。」

張均東解釋,目前車輛大多使用毫米波雷達感知周遭環境,但毫米波雷達雖對金屬物件偵測較敏銳,但無法得知物件類型,「毫米波雷達在偵測行人、兩輪車方面的穩定度沒有很好且無法辨識其類別。尤其是上下班時間,公車周圍滿滿都是汽機車,很難準確反應 A 柱與內輪差視野盲區內是否有機車、自行車、行人。」 據統計,正常駕駛人行車時,從目視到緊急情況,到做出反應、踩下煞車,反應時間約 0.6 秒左右。而大型車所需要的煞車距離又更長,往往駕駛在意識到危險時已來不及因應,生死就在一瞬間。

為此,資策會系統所與巴士業者合作,透過在公車上裝設之 5 顆攝影鏡頭,拍攝車輛行駛中容易發生碰撞之視野範圍,結合資策會開發的臺灣行車街景深度學習資料庫(Formosa Dataset),以 AI 深度學習辨識技術發展 AI-ADAS(AI 先進駕駛輔助系統)。

資策會系統所團隊現行於台北市、新北市、桃園市實際道路之實證結果已經可以在發生碰撞前 3 至 5 公尺以語音提醒公車駕駛在警戒區有行駛物件類別,且在發生碰撞前 1 公尺於 0.6 秒內,若駕駛無進行剎車動作時則由系統自動剎停。「本技術在日夜晴陰雨及複雜街景中皆能穩定辨識出行人、機車騎士、老人代步車及三角錐等交通物件,都不是問題。」張均東說,接下來預計技術進程將發展進化到預測大型車輛若要進行轉彎或變換車道時,系統會主動觀測鄰近車輛、行人行進軌跡並預測未來 3 秒行駛路徑有碰撞風險,則會主動減速緩剎並打正方向盤等 Level 3 自主駕駛技術,進而發展為智慧駕駛系統關鍵技術,擴大到不同車種的應用,創造更大市場價值。

著眼我國路上交通特性  全球首創機車車聯網安全應用

而要預防車禍意外,也不能不注意機車。臺灣的機車密度全球第一,平均每 2 人就擁有 1 台機車;在所有的交通事故中,有超過 75% 的車種與傷亡人數都是「肉包鐵」的機車,其中死亡人數每年都超過千人,包括因車速過快而自撞、自摔所造成的傷亡。

為此,資策會從機車用路人的角度,針對周遭路況及早反應,提供機車安全防護,除了降低機車整體藉此事物與傷亡比例,更能藉此改善駕駛行為。智慧機車安全警示系統便是因此而生,整合智慧型路側設備與機車車上裝置,偵測車速與路線,預測行車風險,再透過 LED 看板顯示路況警訊,打造低成本、高滲透的安全騎乘環境。2019、2020 年分別獲資通訊領域最高殊榮全球 ICT 卓越獎(WITSA Global ICT Excellence & Award),以及美國素有創新界奧斯卡之稱的愛迪生獎(Edison Awards)肯定,使臺灣成為第一個將車聯網技術應用在機車的國家。

資策會系統所規劃師廖彥程表示,團隊觀察到臺灣機車使用量非常大,而且很難從政策面減少機車數量,「只能從防止肇事的安全角度著手改善」。為此,資策會系統所在經濟部與交通部的支持下,攜手臺灣車聯網產業協會,並與擅長交通控制、交通安全的臺大教授許添本合作,共同研發智慧化解決方案。

「有些都是很早就成熟的技術,關鍵是要怎麼把不同科技串連起來」,廖彥程說明,在經濟部與交通部的指導下,本系統以無線射頻辨識(RFID)技術為基礎,並結合 AI 影像辨識與決策機制進行分析,能提醒駕駛注意來車、減速慢行等,爭取更多反應時間。

經 9,300 輛機車、70 組路測設施大規模實測,收集分析了幾千萬筆的駕駛行為資訊後證實,機車通過易肇事路段的平均車速可有效降低 12%,減少交通事故比例 50%。同時,計畫第二期試驗所選擇校園場域中山大學,粗估平均車速下降 30%、事故數減少 80%,成效驚人。廖彥程表示,因為和市區相比,校園交通環境較封閉、單純,導入新系統的衝擊較小;另外,發生機車車禍的年齡層以 18 到 24 歲占絕大多數,「正好趁著年輕學子剛拿到駕照、血氣方剛的時期,幫助他們及早養成良好的駕駛習慣。」

社會發展帶動交通產業轉型 打造智慧科技新舞台

現在全世界都在關注社會數位轉型,除了在交通運輸上的變革之外,數位科技帶給社會的影響還有 8 大關鍵問題,包括:資訊中立與數位近用權、數位技能落差與教育、數位專業之性別權、跨領域鏈結與人才培育、開源協作與開放生態系、去中心化與分散化數位治理、數位國土與資訊安全、資訊與人工智慧倫理等,都是臺灣發展數位經濟的過程中,必須時時回頭關注的社會議題。

臺灣的交通環境雖然複雜,但也因此成了智慧運輸科技的絕佳試煉場,形成另一種「臺灣經驗」。不同於國外汽車產業發展 AI 應用時,大多以房車為出發點,經濟部技術處也重視臺灣大眾運輸、機車族的需求,希望藉由科技應用實現社會數位轉型,先解決民生交通問題,再帶動市場,未來在國際發光發熱。

儘管現在臺灣自動駕駛市場還不成熟,這些創新計畫也仍處於試驗階段,尚未正式落地,但當實證階段完成,掌握差異化優勢,相信從公共領域到產業發展都精彩可期。

  • 註:汽車A柱為擋風玻璃兩側主要結構,為顧及車體強度,設計多半較為粗壯,但也因此容易產生視覺死角