WEBVTT

00:00:00.000 --> 00:00:03.000
我想我要談一下大自然如何製造材料。

00:00:03.000 --> 00:00:05.000
我帶來了一個鮑魚殼。

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這個鮑魚殼是一個生物複合材料，

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它百分之98的質量是由碳酸鈣組成

00:00:11.000 --> 00:00:13.000
另外百分之二是蛋白質。

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但是比起其他在同個地方成長的物質﹐

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它卻硬了三千倍。

00:00:17.000 --> 00:00:20.000
而且很多人或許會利用類似齙魚殼的東西，

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像是粉筆。

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我對大自然如何製造材料感到著迷﹐

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對於如此精巧的工作﹐

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過程中有許多機密。

00:00:28.000 --> 00:00:30.000
部份的原因是因為這些材料

00:00:30.000 --> 00:00:32.000
雖然在結構上是肉眼可見的，

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但卻是在奈米尺度下形成。

00:00:34.000 --> 00:00:36.000
它們是在奈米尺度下形成的，

00:00:36.000 --> 00:00:39.000
而且它們利用基因編碼的蛋白質

00:00:39.000 --> 00:00:42.000
讓它們能夠製造出這些如此精巧的結構。

NOTE Paragraph

00:00:42.000 --> 00:00:44.000
所以讓我感到非常著迷的是

00:00:44.000 --> 00:00:47.000
如果你可以將生命賦予給

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無生命結構，

00:00:49.000 --> 00:00:51.000
像是電池和太陽能電池？

00:00:51.000 --> 00:00:53.000
又或他們擁有些像鮑魚殼一樣

00:00:53.000 --> 00:00:55.000
的能力，

00:00:55.000 --> 00:00:57.000
就是說可以

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在室溫及室壓下

00:00:59.000 --> 00:01:01.000
利用無毒化學物質，

00:01:01.000 --> 00:01:03.000
再加上無毒材料

00:01:03.000 --> 00:01:06.000
來製造非常精巧的結構。

00:01:06.000 --> 00:01:09.000
這是我正在想的願景。

00:01:09.000 --> 00:01:11.000
如果可以在培養皿內製造電池會是怎樣的呢？

00:01:11.000 --> 00:01:14.000
又或如果你可以給電池基因訊息

00:01:14.000 --> 00:01:16.000
讓它可以隨著時間

00:01:16.000 --> 00:01:18.000
表現更好，

00:01:18.000 --> 00:01:20.000
而且又是用環保的方法﹖

NOTE Paragraph

00:01:20.000 --> 00:01:23.000
所以﹐講回這個鮑魚殼，

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除了是奈米結構，

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另外一個有趣的是

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當一公和一母的鮑魚相會時，

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他們會把「如何建造出這種精巧材料」的

00:01:31.000 --> 00:01:34.000
基因訊息傳遞下去。

00:01:34.000 --> 00:01:36.000
這就是如何在室溫室壓下利用

00:01:36.000 --> 00:01:38.000
無毒物質生產。」

00:01:38.000 --> 00:01:41.000
在矽藻上也是一樣，就是這種玻璃般的結構。

00:01:41.000 --> 00:01:43.000
每一次矽藻分裂，

00:01:43.000 --> 00:01:45.000
他們就會把這樣的基因訊息傳遞下去：

00:01:45.000 --> 00:01:47.000
「這是如何在海裡製造玻璃。

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完全是奈米尺度的。

00:01:49.000 --> 00:01:51.000
而且你可以一而再、再而三地做相同的事情」

00:01:51.000 --> 00:01:53.000
所以如果你可以對太陽能電池或是電池

00:01:53.000 --> 00:01:55.000
做同樣的事情？

00:01:55.000 --> 00:01:58.000
我會說我最喜歡的生物材料就是我的四歲小孩。

NOTE Paragraph

00:01:58.000 --> 00:02:01.000
任何一個有過或認識小朋友的人都知道

00:02:01.000 --> 00:02:04.000
他們是非常複雜的個體。

00:02:04.000 --> 00:02:06.000
所以如果你想要說服他們

00:02:06.000 --> 00:02:08.000
去做他們不想要做的事情﹐是非常困難的。

00:02:08.000 --> 00:02:11.000
所以當我們在思考未來的科技，

00:02:11.000 --> 00:02:13.000
我們會想利用細菌和病毒

00:02:13.000 --> 00:02:15.000
那樣簡單的生物體。

00:02:15.000 --> 00:02:17.000
你能不能說服它們用新的方法

00:02:17.000 --> 00:02:19.000
讓它們能夠建造出一個

00:02:19.000 --> 00:02:21.000
對我有用的結構？

NOTE Paragraph

00:02:21.000 --> 00:02:23.000
而且，我們思考著有關未來的科技。

00:02:23.000 --> 00:02:25.000
我們從地球的開端講起。

00:02:25.000 --> 00:02:27.000
基本上，地球經過了幾十億年

00:02:27.000 --> 00:02:29.000
才有生命。

00:02:29.000 --> 00:02:31.000
且很快的，它們變成多細胞生物，

00:02:31.000 --> 00:02:34.000
它們會複製﹐它們可以用光合作用

00:02:34.000 --> 00:02:36.000
來取得它們能量的來源。

00:02:36.000 --> 00:02:38.000
但直到五千萬年前--

00:02:38.000 --> 00:02:40.000
在寒武紀地質時期--

00:02:40.000 --> 00:02:43.000
生物才從海洋移到陸地。

00:02:43.000 --> 00:02:46.000
在那之前，生物都是柔軟蓬鬆的結構。

00:02:46.000 --> 00:02:48.000
也是在這個時期

00:02:48.000 --> 00:02:50.000
環境中的鈣、鐵和矽

00:02:50.000 --> 00:02:52.000
逐漸增加。

00:02:52.000 --> 00:02:55.000
然後生物們學會製造出硬的材料。

00:02:55.000 --> 00:02:57.000
那就是我想要做的--

00:02:57.000 --> 00:02:59.000
說服生物學界

00:02:59.000 --> 00:03:01.000
與週期表上的其他元素合作。

NOTE Paragraph

00:03:01.000 --> 00:03:03.000
現在如果你看看生物學中，

00:03:03.000 --> 00:03:05.000
有很多像是DNA和抗體

00:03:05.000 --> 00:03:07.000
還有蛋白質和核糖體這些你有聽過的東西

00:03:07.000 --> 00:03:09.000
都已經是奈米結構的。

00:03:09.000 --> 00:03:11.000
所以自然界早已經給了我們

00:03:11.000 --> 00:03:13.000
在奈米尺度下如此精巧的結構。

00:03:13.000 --> 00:03:15.000
如果我們能夠駕馭它們

00:03:15.000 --> 00:03:17.000
說服它們不要當抗體

00:03:17.000 --> 00:03:19.000
就像HIV那樣﹖

00:03:19.000 --> 00:03:21.000
或是如果我們可以說服它們

00:03:21.000 --> 00:03:23.000
為我們製造太陽能電池﹖

00:03:23.000 --> 00:03:25.000
所以這是一些例子：這些自然的貝殼。

NOTE Paragraph

00:03:25.000 --> 00:03:27.000
這是天然的生物材料。

00:03:27.000 --> 00:03:29.000
這個鮑魚殼，如果你打裂它，

00:03:29.000 --> 00:03:31.000
你可以看到它是奈米結構的。

00:03:31.000 --> 00:03:34.000
而矽藻是由二氧化矽組成

00:03:34.000 --> 00:03:36.000
且它們是超磁細菌

00:03:36.000 --> 00:03:39.000
製造出微小、單一結構磁鐵來幫助導航。

00:03:39.000 --> 00:03:41.000
共同點是

00:03:41.000 --> 00:03:43.000
這些材料都是在奈米尺度上建造的，

00:03:43.000 --> 00:03:45.000
且他們都有DNA序列

00:03:45.000 --> 00:03:47.000
可以轉譯成蛋白質序列

00:03:47.000 --> 00:03:49.000
給它們製造這些

00:03:49.000 --> 00:03:51.000
美好構造的藍圖。

00:03:51.000 --> 00:03:53.000
現在，回到齙魚殼，

00:03:53.000 --> 00:03:56.000
鮑魚因為有這些蛋白質才能製造這個殼。

00:03:56.000 --> 00:03:58.000
這些蛋白質帶有大量負電。

00:03:58.000 --> 00:04:00.000
且它們可以在環境中吸引鈣，

00:04:00.000 --> 00:04:03.000
鋪下一層鈣然後碳酸化、加鈣、再碳酸化。

00:04:03.000 --> 00:04:06.000
它擁有氨基酸的化學序列，

00:04:06.000 --> 00:04:08.000
說著：「這是如何建造結構。

00:04:08.000 --> 00:04:10.000
這是DNA序列、這是蛋白質序列

00:04:10.000 --> 00:04:12.000
才能完成這件事。」

00:04:12.000 --> 00:04:15.000
所以有趣的是，如果你可以選擇任何一種材料

00:04:15.000 --> 00:04:17.000
或是元素週期表上的任何一個元素，

00:04:17.000 --> 00:04:20.000
然後找到它對應的DNA序列，

00:04:20.000 --> 00:04:22.000
將它轉譯成相對的蛋白質序列

00:04:22.000 --> 00:04:25.000
來建造一種結構，但不是建造鮑魚殼--

00:04:25.000 --> 00:04:27.000
透過大自然來建造出一個

00:04:27.000 --> 00:04:30.000
大自然還沒有機會建造的東西。

NOTE Paragraph

00:04:30.000 --> 00:04:32.000
還有這是個元素週期表。

00:04:32.000 --> 00:04:34.000
我超愛元素週期表的。

00:04:34.000 --> 00:04:37.000
每年MIT進來的大一新生

00:04:37.000 --> 00:04:39.000
我都會給他們一張元素週期表在上面寫著：

00:04:39.000 --> 00:04:42.000
「歡迎來到MIT。現在你在你的元素中了。」

00:04:42.000 --> 00:04:45.000
然後你把它翻過來就是氨基酸

00:04:45.000 --> 00:04:47.000
以及它們在不同酸鹼度時的不同電荷。

00:04:47.000 --> 00:04:50.000
所以我給了好幾千人這樣的表。

00:04:50.000 --> 00:04:52.000
我知道它上面寫著是MIT﹐而這裡是加州理工學院，

00:04:52.000 --> 00:04:54.000
但我這有多出來的表﹐如果有人想要的話。

00:04:54.000 --> 00:04:56.000
且我很幸運的

00:04:56.000 --> 00:04:58.000
今年歐巴馬總統來MIT參觀的時候

00:04:58.000 --> 00:05:00.000
參觀到我的實驗室，

00:05:00.000 --> 00:05:02.000
而我真的很想要給他一張元素週期表。

00:05:02.000 --> 00:05:04.000
所以我熬夜跟我老公討論：

00:05:04.000 --> 00:05:07.000
「我要如何給歐巴馬總統一張元素週期表呢？」

00:05:07.000 --> 00:05:09.000
如果他說：「喔！我已經有一張了。」

00:05:09.000 --> 00:05:11.000
或是「我已經背起來了」的話那我該怎麼辦？

00:05:11.000 --> 00:05:13.000
所以他來到了我的實驗室

00:05:13.000 --> 00:05:15.000
到處晃晃 -- 那是一個很棒的拜訪。

00:05:15.000 --> 00:05:17.000
而之後我跟他說：

00:05:17.000 --> 00:05:19.000
「總統，我想要給你這張元素週期表，

00:05:19.000 --> 00:05:23.000
以備你在處於困境時會需要計算分子量。」

00:05:23.000 --> 00:05:25.000
而且我覺得比起分子質量

00:05:25.000 --> 00:05:27.000
分子量聽起來比較不會有那麼書呆子的感覺。

00:05:27.000 --> 00:05:29.000
然後他看了一下

00:05:29.000 --> 00:05:31.000
接著說﹐

00:05:31.000 --> 00:05:33.000
「謝謝你。我會週期性地去看它。」

00:05:33.000 --> 00:05:35.000
（笑聲）

00:05:35.000 --> 00:05:39.000
（掌聲）

00:05:39.000 --> 00:05:42.000
而之後他在一個乾淨能源的演講中

00:05:42.000 --> 00:05:44.000
把它拿出來說：

00:05:44.000 --> 00:05:46.000
「MIT那邊的人會分發元素週期表。」

NOTE Paragraph

00:05:46.000 --> 00:05:49.000
所以基本上我沒有跟你們說的是

00:05:49.000 --> 00:05:52.000
大約五億年前，生物體開始製造材料，

00:05:52.000 --> 00:05:54.000
但他們花了大約五千萬年才擅長製造材料。

00:05:54.000 --> 00:05:56.000
他們花了大約五千萬年

00:05:56.000 --> 00:05:58.000
才學會如何完美地製造出鮑魚殼。

00:05:58.000 --> 00:06:00.000
而且那樣是很難推銷給研究生的。

00:06:00.000 --> 00:06:03.000
「我有一個很棒的方案 -- 要花五千萬年的。」

00:06:03.000 --> 00:06:05.000
所以我們需要發展出一個

00:06:05.000 --> 00:06:07.000
可以更快做到的方法。

00:06:07.000 --> 00:06:09.000
所以我們利用病毒，

00:06:09.000 --> 00:06:11.000
一個叫做M13的無毒噬菌體，

00:06:11.000 --> 00:06:13.000
它們的工作是感染細菌。

00:06:13.000 --> 00:06:15.000
它有很簡單的DNA結構，

00:06:15.000 --> 00:06:17.000
讓你可以在裡面複製和貼上

00:06:17.000 --> 00:06:19.000
新加的DNA序列。

00:06:19.000 --> 00:06:21.000
這麼做可以讓病毒

00:06:21.000 --> 00:06:24.000
表現隨機蛋白質序列。

NOTE Paragraph

00:06:24.000 --> 00:06:26.000
這是非常簡單的生化技術。

00:06:26.000 --> 00:06:28.000
而且基本上可以重複幾億次。

00:06:28.000 --> 00:06:30.000
所以你可以進到幾億種

00:06:30.000 --> 00:06:32.000
基因序列相同的病毒中，

00:06:32.000 --> 00:06:34.000
它們之間唯一不同的在於它們尖端上的

00:06:34.000 --> 00:06:36.000
一個序列

00:06:36.000 --> 00:06:38.000
轉譯出一個蛋白質。

00:06:38.000 --> 00:06:40.000
現在如果你拿這幾億種病毒，

00:06:40.000 --> 00:06:42.000
把它們放進一滴液體中，

00:06:42.000 --> 00:06:45.000
你可以迫使他們跟週期表上的任何元素互動。

00:06:45.000 --> 00:06:47.000
透過選擇性進化，

00:06:47.000 --> 00:06:50.000
你可以在這幾億種病毒中找到一株能做到你想要它做的事的病毒，

00:06:50.000 --> 00:06:52.000
像是會製造電池或是生產太陽能電池的病毒。

NOTE Paragraph

00:06:52.000 --> 00:06:55.000
所以基本上，病毒不能自行複製，他們需要有寄主才行。

00:06:55.000 --> 00:06:57.000
當你找到你要的那株病毒，

00:06:57.000 --> 00:06:59.000
你可以感染細菌，

00:06:59.000 --> 00:07:01.000
你就可以得到幾千幾萬的

00:07:01.000 --> 00:07:03.000
相同序列的複製品。

00:07:03.000 --> 00:07:05.000
還有生物學上另一個有趣的地方

00:07:05.000 --> 00:07:07.000
就是生物可以給你非常精巧的結構

00:07:07.000 --> 00:07:09.000
且帶有好的鏈接效應。

00:07:09.000 --> 00:07:11.000
這些病毒是又長又瘦的，

00:07:11.000 --> 00:07:13.000
且我們可以讓它們表現出

00:07:13.000 --> 00:07:15.000
可用來生產電池

00:07:15.000 --> 00:07:17.000
像半導體或其他類似材料的能力。

NOTE Paragraph

00:07:17.000 --> 00:07:20.000
這是一個在我們實驗室長出來的高性能電池。

00:07:20.000 --> 00:07:23.000
我們製造出能夠撿起奈米碳管的病毒。

00:07:23.000 --> 00:07:25.000
就是說病毒的一部份可以抓住奈米碳管，

00:07:25.000 --> 00:07:27.000
另外一部份有一個序列

00:07:27.000 --> 00:07:30.000
讓它們能夠長出電池電極材料。

00:07:30.000 --> 00:07:33.000
然後它會自己跟自己連成一個電流集電極。

00:07:33.000 --> 00:07:35.000
透過選擇性進化，

00:07:35.000 --> 00:07:38.000
我們從一株可以致造不怎麼樣的電池的病毒

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進步到一個可以製造好電池的病毒

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再到一個破紀錄、高性能電池的病毒，

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且這都是在室溫下達成的，基本上就是在實驗桌上做出來的。

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這個電池到白宮參加了一個記者招待會。

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我把它帶來這裡。

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你可以在這個盒子裡看到--正在照亮這個LED。

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如果我們可以有規模的做，

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你可以用這電池

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來驅動你的普銳斯，

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這是我的夢想：可以開一臺病毒驅動的車。

NOTE Paragraph

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但基本上，

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你可以從幾億種病毒裡面挑出一株。

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你可以大量放大它。

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基本上，你可以在實驗室裡放大。

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然後你讓它自己組裝

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成為一個類似電池的結構。

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我們可以利用催化劑來做到。

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就像是利用光能

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分解水分子。

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我們目前正在做的是

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製造出一株病毒﹐讓可以吸收染料的分子們在

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它表面上排排站

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作用像是個接收器，

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這樣就能將能量轉移到病毒全身。

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然後我們給它第二段基因，

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讓它能夠長出無機材料，

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可以用來將水分解成

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氧氣和氫氣，

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可以作為乾淨能源。

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我今天帶來了一個樣本。

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我的學生跟我保證這個樣本是能運作的。

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這些是病毒組裝的奈米電線。

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當光照設在上面的時候，你可以看到這些氣泡。

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在這個例子中，你看到的是氧氣氣泡。

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基本上利用控制基因，

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你可以控制多種材料來改善你的器具效能。

NOTE Paragraph

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最後一個例子是太陽能電池。

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你也可以對太陽能電池這麼做。

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我們可以製造

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可以拿起奈米碳管的病毒，

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然後在周圍形成二氧外鈦，

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就可以用在器具中來傳遞電子。

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我們發現，透過基因工程，

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我們真的可以增加

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這些太陽能電池的效能

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讓這類染色敏感的系統

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達到新的境界。

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我也帶來了一個這樣的東西，

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演講完畢後你們可以到外面玩一玩。

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這是個以病毒為建立基礎的太陽能電池。

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透過演化和挑選，

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我們將一個百分之八效能的太陽能電池

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增加到百分之11效能。

NOTE Paragraph

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所以我希望我已經說服了你們，

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關於大自然如何製造材料﹐

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有很多很棒、很有趣的事情等著我們去學習。

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然後再進一步的，

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看你們是否可以用強迫的方式，

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或是利用大自然製造材料的方法

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來製造出一些大自然還沒想到要去做的東西。

NOTE Paragraph

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謝謝。