巨觀自組裝材料的設計! Skylar Tibbits: The emergence of "4D printing"

物體的構成在巨觀世界跟微觀世界有完全不同的方法，在微觀的世界，很多物質具有自組裝的能力，可以巧妙的利用物質間的交互作用力組成各種功能性的結構，在巨觀的世界裡，除了由生物主導的自然界環境之外，幾乎所有的人造物體都是需要經過設計加工的過程與人為細部的組裝來完成。但是這樣的限制是怎麼來的，有沒有可能利用自組裝方式來完成各種具觀物體的外型與功能設計?

 其實這樣的研究一直有科學家在進行，如介紹過的自己折起來的膜，在巨觀作用的分子魔鬼氈，或是記憶金屬等。但是如果要大規模的設計，就需要一套設計的哲學跟發展方式，這個演講介紹了一些利用物體作用力跟局部材料性質設計引起的自組裝方式。希望可以利用程設化的方式，在材料性質與作用力上把微觀自組裝的方式引入巨觀的世界，利用像是振動或是水引起的物理性質變化來組裝不同的材料。這樣個方式或許最後沒有辦法取代現在的工業製造模式，在是在某些方面，例如介紹過的利用折紙技術做成太空的太陽能板，所是利用氣球網狀結構來做血管支架等，在一些人力難及的地方或許可以有更多好的應用跟創新!

生態規則的再發現-逆轉沙漠化與全球暖化的契機! Allan Savory: How to green the world's deserts and reverse climate change

因人為活動而引起的全球暖化與劇烈的生態改變到目前為止似乎是沒有解答的問題。以目前而言，人類做為地球生態的癌症的角色是肯定的，因為人所擁有的力量太大，也已經不得不的干預了地球生態的自然運行，所以如果想要回答人類與地球該如何走下去的問題，答案有一定是建立在對地球生態有更多的了解上，以期能將人類的活動轉成能讓地球可以長久永續的方式。

很多世界性的改變正在發生，其中沙漠化的趨勢是一項重要加速地球環境的惡化的因素，眾多的糧食問題，水資源，經濟政治問題也都跟沙漠化脫離不了關係。但是一直以來對沙漠化原因的認識一直都不清楚。沙漠化一般都發生在有乾濕季的區域(世界大部分的土地都是)，但是同樣大氣水氣含量的土地可以是綠意盎然，可是一但沙漠化之後就可以變的吋草不生。以往對生態學認為太多的食草性動物會把地表的植被吃光，失去植被後後土地就無法維持水分進而導致沙漠化。

講者年輕時以這樣的觀點建議控制非洲象群的數目來保持環境，但是當他發現美國有同樣多的沙漠化區域是在上面根本沒有食草動物下發生時，這樣的傳統生態知識的信念就被動搖了。陸續研究發現，沙漠化最重要的因素之一是濕季生長的植被在乾季無法被自然分解，而無法降解的植被在來年的濕季時會阻礙新植被的生長，這樣的惡性循環慢慢破壞土壤，最終植被消失，產生沙漠化。目前有一些非洲區域用火來燒乾枯的植被以期能促進新植被的生長，但是這樣的方式，一方面成果有限，一方面也製造了空氣汙染。

講者根據自己的研就與實際經驗發現，有計劃性的放牧動物是能幫環境逆轉沙漠化最好的方式。有計畫性的放牧最重要的功能是可以清除自然代謝不了的植被，以溫和的方式讓土壤,水,有機物的循環能以正面的方式累積，慢慢豐富土壤。以往因為沒有掌握生態動態的知識，所以放牧才會是對土地的消耗，目前有計劃的放牧已經在世界不同的區域試行，都獲得很好的成果。這樣的策略另一方面也是經由豐富土壤，把很多碳以有機物的方式存在土壤之中，如果世界上沙漠化的區域都進行的這樣的計畫改造，溫室氣體就可以被存在土壤之中，同時也可以解決大氣溫室氣體的問題。

相信有更多生態的規則而是未知的，也相信或許自然有給人類跟地球可以和平共存的契機，只是人們必須要去用新找出來加以實現。

果蠅驚人的飛行神經! Michael Dickinson: How a fly flies

在生物研究中，果蠅在遺傳學上給出了很多重要的貢獻，但是隨著越來越多的研究也發現，這樣的小生物裡面包含著更多有趣的故事，而這個演講的主題就是要說明這小動物的飛行與神經系統有多讓人驚奇。以講者的觀點，昆蟲相對於哺乳類而言，就是地球上的外星生命，所有的動物功能在米粒大小中實現，而昆蟲的存在也是生命演化過程中最動要的事情(因為與植物的授粉關係)。以飛行而言，人類熟悉的飛機與鳥類飛行模式，在某些工程師的計算中是不可能在像昆蟲這樣大小的生物中實行，所以昆蟲該是飛不起來的。但是詳細的研究發現，果蠅的飛行是利用了另外的方式，利用很大的翅膀攻角拍動，在翅膀的前端產生渦流，利用這樣的渦流來產生上升的推力(影片中有模擬跟固定模型實驗可看!)。而同樣讓人驚奇的是，果蠅每秒兩百次以上的翅膀拍動能被神經準確的控制，在獲得訊息後的幾十分一秒內就能做出轉向的動作! 這樣的肌肉與神經系統是怎麼樣完成的呢? 在飛行的肌肉方面，原來有兩組系統同時運作著，一套是不停自我控制的固定飛行肌肉，產生持續的拍動，另一組比較小的肌肉系統則由中央神經控制，可以經由拉動快速重組翅膀根部的飛行傳動結構。在神經方面更是驚人，不同於一般知道的神經有所謂的軸突樹突確定輸出與輸入，研究人員發現在果蠅的神經上，神經可以沒有動作電位，一個神經細胞的小部份結構同時有輸入輸出功能，可以在局部自己做神經運算。更厲害的是，果蠅的神經細胞比一般哺乳類的神經細胞小了十倍以上!所以在果蠅小小的腦子裡面就可以做出超快速的神經運算來完成差不多所有動物都必須要完成的神經行為指令(覓食，交配，感測..等等，還有飛行!)。或許在未來這樣的小生物裡面所包含的知識會再次革新人們對生物神經系統的認識!

走出經驗的網: 科學= 遊戲=自由 Beau Lotto + Amy O’Toole: Science is for everyone, kids included

生命是由無數的感官經驗與思考所組成，越來越多的研究顯示，人所認為可以客觀認識的世界在經由感官接受的時候，都仰賴著內在的經驗，像介紹過的研究，圈圈中的秘密 合理的幻覺跟聽到的聲音跟看到的嘴形有關 (McGurk Effect) 等。這演講開始用了其實英文字可以跳著讀的發現(w ca red tis rigt?)  來說明我們的感官有多麼依賴過去的經驗(英文閱讀其實是用猜的!)。這樣的感官認識方式並沒有不對，不過這也說明著人的感官會被經驗所困，而影響到所認識的世界。講者提出"不確定感"是打破這種"感官被經驗所綁架"不可或缺的方式。 新的經驗會給人成長，但是新的經驗往往又代表著不安與不適，阻礙了心智的成長。

在兒童或是幼兒動物身上很容易看到這問題最好的解答，演化給了生物以遊戲的方式去認識他所在的世界。遊戲與其他行為最大的不同，就是把嘗試與學習的遊戲過程做為遊戲的目的，當沒有目的的時候，不確定所帶來的不安與不適反而變成遊戲樂趣的來源，可以經由探索學習到新的經驗，而給予在面對新感官經驗時的發展自由。其實科學也就是這樣，科學處理的就是不確定的問題，一次一次的帶著好奇心探索，讓這樣探索的過程變成本身的意義。可惜這樣的過程在成人後社會讓越來越難提供這樣自在的環境。

講著試著把科學帶回到小朋友的遊戲當中，讓一群國小的同學經由猜測蜜蜂怎麼找到花的遊戲來建構對這樣科學問題的認識。小朋友利用遊戲的方式提出問題假設與觀測，經由合理的實驗設計幫助，這個研究發現了原來蜜蜂也有屬於個體的學習與個體差異的學習策略，可以記住圖形，揭示了以往所不知到的蜜蜂學習方式。 

講者說明這樣的研究一開始並不支持也不被被期刊所接受，因為這是一群不夠格的小科學家沒有依照嚴格學術寫作來完成的著作。經由努力與找其他科學家背書，最後終於被接受而且廣泛被介紹。裡面提到，科學作為一種社會成長的方式，就如同遊戲一樣，是讓人成長賦與人能力的一種方式，真正的科學教育是給人能力去探索與給人實踐的能力。
 

讓光暫停的觀測技術 - 兆分之一秒下的光波與應用! Ramesh Raskar: Imaging at a trillion frames per second

高速攝影機讓人們有機會看清楚在微小的時間尺度下，這世界長什麼模樣，用什麼方式運作。但是總有些過程快到所有的電子機構都比不上，例如光子的傳播。對於這樣的過程有沒有機會拍下真正進行的模樣呢? 這演講介紹了一種方式，讓人可以看清楚在兆分之一秒 (百萬的百萬分之一秒!)下光是怎麼在空間中傳播與物質互動，以及怎了利用這種技術來看穿物體 (請參看光子計時透視法)。既然所有的電元件速度跟跟不上光子運動，那是怎麼看的呢? 這技術上其實是一種同步的技巧，像是旋轉的電風扇上點上一點立可白，然後用定頻率的閃光燈當作照明，可以看清楚立可白的小白點是怎麼動的一樣，這樣的技術是利用觀察短時間發生的重覆現象來還原超高速現像的過程。研究人員使用飛秒的脈衝雷射以固定的時間間隔射出一包包光子，然後以不同的延遲時間收集這些光子的反射訊號，利用這種方式，就算電子偵測器跟不上光子的運動，一樣的可重建出這些光子是怎麼傳播與跟物體互動方式。其實這樣的技術與利用一般ＣＣＤ攝影機拍攝重複性超高速影片很相似，人們很早就知道即使用慢的偵測器，經由同步控制也可以觀測某些很快的重複性事件。現在利用飛秒雷射與更快的偵測器，人們可以把這樣的技術用來直接觀測光的傳播。這樣的技術給人們一個新的機會去看到光波的傳遞與光與物質在時間上的互動，或許很多科學研究可以因此而受益。影片中有展示很酷的影片，會讓喜歡科學的朋友印象深刻的！