跨界也能發光發熱!電腦之父圖靈在生物學上的研究被利用在濾水器上

最近,來自浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌上發表了一項最新研究成果。他們發現,通過運用「圖靈結構」來製造的一種納濾浄水膜,可以快速地將海水中的鹽分和水分離出來,速率是以往的數倍。這個「圖靈結構」,來源於圖靈在自己職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。
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photo credit: The Pink Humanist
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原文刊登於合作媒體 愛范兒 ,INSIDE 授權轉載。

身為計算機專家,圖靈(Alan Turing)對密碼破譯和人工智慧領域的貢獻毋庸置疑。但誰也沒想到,他在職業生涯晚期對生物學方面的「跨界」研究,會對如今的淨水技術產生革命性的影響。

photo credit: The Pink Humanist
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最近,來自浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌上發表了 一項最新研究成果 。他們發現,通過運用「圖靈結構」來製造的一種納濾浄水膜,可以快速地將海水中的鹽分和水分離出來,速率是以往的數倍。

這個「圖靈結構」,來源於圖靈在自己職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。

那個時候,剛剛完成「圖靈測試」的他,開始對生物學領域產生巨大的興趣。他發現,自然界中存在的多種多樣的圖案及形態——動物的紋理、植物的形狀等等,都有其誕生和形成的奧秘,而這也許可以通過數學模型來進行「解密」。

著名的斐波那契數列(簡單來說,就是從 0 和 1 開始,之後的數都等於前兩者之和)就在生物學界有著廣泛的應用。植物的花瓣數、葉片枝幹的排列、昆蟲的繁殖規律等等,似乎都以某種黃金比例存在著,展現出規律的數學之美。

斐波那契數列的「黃金螺旋」,photo credit: Imgur
斐波那契數列的「黃金螺旋」,photo credit: Imgur

受到斐波那契數列的啟發,圖靈也開始通過建立數學模型來對生物的形態變化進行進一步的研究。

在他的理論框架中,引發形態變化的有兩種不同的反應物(細胞):其中一種被稱為「啟動因數」(Activator),它可以促進反應的發生;另一種被稱為「抑制因數」,跟字面意思一樣會對反應產生抑製作用。

當這兩種反應物相遇之後,會出現兩種現象:

  • 反應後均勻擴散,則整個系統平衡,不會產生圖案;
  • 反應後擴散不均衡,系統開始形成具有週期性特徵的複雜圖案。

這個理論被圖靈稱為「反應-擴散方程」,被記錄在他於 1952 年發表的名為 《形態發生的化學基礎》的論文 中。而這種在「反應-擴散」機制下形成的具有規律性的生物圖形,也被稱為「圖靈結構」。

photo credit: Science

乍一看,這個理論與海水淡化技術是沒有什麼直接關聯的,不過來自浙江大學的這個團隊在一次偶然中突發奇想,決定測試一下這種模型在製備淨水納濾膜時的應用效果。他們先試驗了呱嗪(Piperazine)和三甲醯氯(Trimesoyl)這兩種反應物,但兩者的反應擴散效果差異不大,無法形成「圖靈結構」。

後來,他們又在呱嗪中加入了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)。這一次,呱嗪的反應擴散速度放緩,與三甲醯氯拉開了差距,成功啟動「反應-擴散方程」,在基底上形成了一種具有三維「圖靈結構」的濾水膜。

photo credit: Science
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在這個濾水膜的表面,「圖靈結構」的圖案能隨著反應物的不同配比而產生變化;最關鍵的是,因為增加了更多可透水的圖形,這種帶有「圖靈結構」的濾水膜在濾水效率上面更高。實驗的結果顯示,一平方米的新濾水膜可以在一小時內處理 125 升以上的水,這意味著,它的效率要比傳統濾水膜快 3 倍。

這是自「圖靈結構」被發現後,第一次被應用於實際生活中。研究團隊還指出,如果可以得到有效利用,未來在海水淡化、工業用水回收等方面,都有可能出現很大的效率突破。

所以誰說「跨界」就一定是不務正業呢,要不是有了差點搶了生物學家飯碗的圖靈,科學家今天也不會這麼容易就突發靈感了。


【影音】老不一定要孤獨—「一粒麥子基金會多功能日照中心」,重新找回偏鄉長者對生活的熱忱與重心

「我還是會老,但不會孤獨老。」不讓老和孤獨劃上等號,是許多人的盼望,也是一粒麥子基金會「多功能日照中心」的任務。
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Photo Credit:一粒麥子基金會
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你認為「老」是什麼樣子?是一個明確的年齡界線?還是進入某一種身心狀態?即將邁入知命之年的創業家暨網路紅人「我是崴爺」,以及才剛過而立之年的知名電視主持人蔡尚樺,各自從自己的性別與年齡探討對於「老」的想像。

走到「老」的生命階段是幸運的,這意味著老天願意多給我們一些時日,品嚐晚年的生活滋味;同時「老」也有屬於它這個階段的考驗與精彩,不只是個人的生命功課,也是周遭社區的共同學習。崴爺說起他對「老」的想像與擔憂:「對於晚年,有些人會覺得坐在輪椅上看夕陽是很祥和的畫面,對我來說卻像是恐怖片,好像除了看風景,就沒有辦法做其他事了。」蔡尚樺也說:「老讓我覺得可怕的地方在於,我的思想和靈魂還很衝,但是身體和代謝卻都變得緩慢,彷彿被禁錮在一個軀殼裡。」  

Photo Credit:TNL Brand   Studio/知名電視主持人蔡尚樺(左)、創業家暨網路紅人「我是崴爺」(右)討論對於年老的想像

不讓老和孤獨、無能為力劃上等號,不只是崴爺和尚樺的共同目標,也是一粒麥子基金會「多功能日照中心」的任務。誠如影片中一粒麥子基金會執行長林木泉所說,每一個長者都有屬於他自己的生命經驗,邁入老年並非就要拋棄自己過往的能力或興趣、成為一棵呆坐的枯木,而是猶能發揮生命力,活出每個精彩的當下。

Photo Credit:TNL Brand   Studio/一粒麥子基金會「多功能日照中心」配合長輩興趣和專長發展活動,像是木工或編織

對此,林木泉執行長向崴爺與尚樺展示了花蓮縣「光福多功能日照中心」的實地樣貌,不僅是提供生活照顧,更重要的是支持長者找回對生命的好奇與盼望;像是多功能日照中心透過木工班、編織、植栽、桌遊等活動,讓長輩重拾過往的生命經驗、為生活增添許多樂趣和色彩。此外,還須有護理、社工、營養師、物理治療師等專業人員以及在地社區青年的共同參與,才能撐起長者的晚年生活,讓「老」不孤獨,而且可以更加自主、有尊嚴地生活。

捐款支持,讓「一粒麥子多功能日照中心」在更多偏鄉社區發芽

Photo Credit:TNL Brand   Studio/一粒麥子基金會持續募集各界善款,支持偏鄉長者擁有幸福晚年