527NO.

中華民國 105 年 11 月

105

11

52

7

電機資訊工程的現況與未來醫療照護電子化

免電池物聯網的實現

奈米科技開啟微觀文明

微藻生物質的應用

鈧的自述

Science Development

中華民國 105年 11月

Science Development 527NO.

出版者：科技部發行人：裘正健地 址：106 台北市和平東路 2段 106號電 話： 02-2737-7539傳 真： 02-2737-7248網 址： http://ap0922.most.gov.tw/sd/

編輯委員會召 集 人：裘正健編輯委員兼總編輯：馬哲儒編輯委員兼執行編輯：張鑑祥編輯委員：方力行 / 王道還 /李再長 / 李百祺 / 李秀珠 / 李國偉 / 周進洋 / 林崇熙 /

易台生 / 洪茂峰 / 唐震寰 / 徐善慧 / 郭耀煌 / 陳炳宏 / 黃文璋 / 蔡少偉 / 蔡新聲 / 蔡聖鴻 / 顏嗣鈞 / 蘇安仲

助理編輯：洪美慧編輯助理：黃利鑾 / 何欣穎 / 鍾美容

稿件投寄：稿件 1式 3份及電子檔，請寄《科學發展》月刊編輯部地 址：701 台南市大學路 1號　成功大學化工系電 話：06-2383072　 傳真：06-2383085E-mail: nscm@email.ncku.edu.tw

美術編輯：種子發多元化廣告有限公司地 址：11054 台北市信義區基隆路 2 段 189 號 9 樓之 9 電 話：02-23773689

印 刷 者：凌祥彩色印刷股份有限公司地 址：235新北市中和區中山路 2段 340巷 26號 1樓 電 話：02-22458163

定 價：每冊新台幣 120 元 1 年 1,200 元（2 年以上另有優惠價）美金 5 元 1 年 50 元

運費另計

訂閱辦法：1. 五南網路書店：http://www.wunanbooks.com.tw/2. 郵政劃撥：帳號：22255688戶名：五楠圖書用品股份有限公司電話：04-24378010

3. 國外訂戶請以美金支票寄交本部（受款人：科技部）

展售門市國家書店松江門市地址：台北市松江路 209號 1樓 電話：02-25180207三民書局地址：台北市重慶南路 1段 61號 電話：02-23617511五南文化廣場地址：台中市中山路 6號 電話：04-22260330青年書局地址：高雄市青年一路 141號 3樓 電話：07-3324910

免費線上訂閱電子報：https://www.most.gov.tw/中華郵政台北雜字第 2044號執照登記為雜誌交寄

造成文明進步的原動力是科技，而科技發展靠的是重要原理和現象的發現。走在時代尖

端的科學家在獲得突破性的發現時，並不見得是基於任何實用性的目標。例如當年法拉第在

發現電、磁與運動的關係時那樣。一旦有了發電的技術，各種電器便雨後春筍般地由發明家

們如愛迪生創造出來，也賺了不少的錢。

到了現在，電器已成為生活的必需品。颱風造成了暫時的停電，就使大家有不知如何活

下去的感覺。由電機時代演變至資訊時代後，這個大電資領域擴大得更為無所不在了，參與

的科學家也更多了。其中大多數扮演的是產品和應用技術開發者的角色，有如當年的愛迪生。 他們的工作是基於另外一些科學家在重要的原理和現象上所獲得的突破性的創新和發現。在

這個廣大的電資領域中的科學家，有的崗位居於艱難的上游，有許多則居於觸及社會需求的

下游，各自努力發揮著所長。

試問，當前社會上有哪些亟待解決的重要問題？人口的高齡化當然是其中之一。年輕的

一輩多因工作忙碌無法長期照顧他們的長輩。這正提供了資訊工程師大顯身手的機會，創作

各式的產品讓老人家穿戴在身上，或是安裝在居所中，讓晚輩們，甚至醫護人員，隨時掌握

他們的身體狀況，在必要時採取適當的措施。

老人家難免每天要吃不少的藥，什麼時候吃哪一種對他們是很複雜的事。資訊工程師可

以為他們設計一個聰明的藥盒代為掌理。每一個人，不論年齡的長幼，都難免在情緒或心理

上有些憂鬱的現象。生理上的毛病是可以用儀器診斷出來的，用聰明的手機，也能檢測出心

理上的失常嗎？科學家也在作這方面的努力了。

資訊產品已經充斥在社會的每一個角落和每一個人的生活中，在大眾交通工具上或公共

場所中，大家手中拿的、身上戴的比比皆是，為的是通訊、求知、娛樂⋯⋯小朋友的玩具也

多是資訊產品。五花八門的新產品不斷地開發了出來。以前的小朋友沒有現代化玩具，撿幾

粒小石子或是一片大王椰子的落葉，都可以玩得不亦樂乎。怎麼玩？是要自己想辦法的。現

代小朋友玩的是買來的玩具。怎麼玩？設計者都已替他們規劃好了。

這時我們不禁會想到，資訊科技的快速發展會對社會造成什麼樣的衝擊？在工具進步的

同時是否也伴隨著人的能力的退化？古時智者的手中沒有現代化工具，只能用大腦思考，因

而造就了許多思想家，諸如西方的蘇格拉底、柏拉圖、亞里斯多德，中國的諸子百家等等。

假如他們生在現代，陷在資訊的泥沼中，還有思考的餘暇嗎？

傻瓜照相機實際上是聰明的，可以使不了解基本光學，不會調整光圈、快門和距離的人

也能照相。現在各種資訊產品的威力越來越強大也更「傻瓜」了，它們對未來的人類會有什

麼影響？有人擔心主人和工具的角色是否面臨著一個反轉的臨界點。會因人而異吧？這是一

個嚴肅的議題。

編者的話

01科學發展 2016年 11月│ 527期

編者的話01

專題報導

527NO.

04 電機資訊工程的現況與未來 曾永華

06 通俗演算法

我們在日常生活中，時時刻刻都在使用演算法解決問題。

12 醫療照護電子化 李順裕

智慧型居家遠距照護系統能在顧及長者尊嚴及安全的前提下，解決長期照護問題。

20 智慧型藥盒防止吃錯藥 蔡佩璇

內嵌醫療資訊服務系統的自動化智慧型藥盒可達到安全用藥的目的。

26 免電池物聯網的實現 鄭光偉、邱怡禎

以「獵能技術」搭配「低功耗裝置」可解決物聯網電力的需求。

32 奈米科技開啟微觀文明

20 世紀末奈米的發現帶動了各產業的進步，對人類的生活已經影響深遠。

36 遠離憂鬱 — 以智慧型手機察覺負面情緒 蔣榮先、陳彥霖

從手機操作中可反映出人的心情及感受。

一般報導

44 微藻生物質的應用

微藻自古就是一種健康食品，其特殊生物功效中，以色素類成分最受重視。

中華民國 105年 11月

目 錄

謝孫源、李佳衛、洪綾珠

盧達生、江孟學、高國興

顏宏偉、翁堉翔、周金言、陳慶隆

鄭捷倫、陳俊延、林志生、張嘉修

02 科學發展 2016年 11月│ 527期

11

1854

03科學發展 2016年 11月│ 527期

48 熱成像視界 — 台灣野生哺乳動物的體溫表現

透過紅外線熱像儀可獲得更多哺乳動物的生理資訊，以做更廣泛的應用。

56 鈧的自述 蘇明德

純元素的「鈧」未來在電子儀器、雷射和燃料電池中扮演著重要的輔助角色。

62 師法自然 — 生物學殿堂中的繪者 陳一銘

在近代保育浪潮興起後，野生物繪畫被賦予一種喚醒生態保育公眾意識的神聖任務。

70 象山步道的自然地景 楊貴三、葉志杰

象山步道位於台北市區東緣，交通方便，自然生態豐富，可遠眺台北 101 及大屯火山群。

台灣新發現

74 可分擔照護工作的智慧型輪椅機器人 范賢娟

76 失智病患照顧者的「保護因子」 江欣怡

科技新知

78 石龍子的尾巴／人類的天年／花粉的化學組成／

木造摩天樓／代糖影響健康／南島族群的南向殖民

82 科學史可以怎麼讀：從閱讀科學史反省知識架構的嘗試

張育誠、周政翰、毛祈鈞

鄭錫奇

王道還

科學、技術與社會

陳恒安

電機資訊工程的現況與未來曾永華│專題報導特邀編輯

成功大學電機系

電機和資訊是台灣高科技產業的主軸，創造了引以為榮的經濟奇蹟，

也吸引世界各國爭相投資於其創新與研究發展。台灣高科技界面對新的全

球化環境和既競爭又合作的對手，也全力以赴，不斷創新，持續精進，期

望保持領先世界的電機資訊產業。

近年來，奈米科技、穿戴式裝置、超低功耗等相關電機工程和善長演

算法的資訊工程密切結合，創造了欣欣向榮的智慧型電子產業和資訊產業

造福人類。這一期的專題報導由多位熱心的專家聚焦在這些領域上，分別

撰寫專文，提供深入淺出的介紹，再加上滿足日常生活所需的智慧型裝置

實例，進一步說明其現況與未來。

專題報導

04 科學發展 2016年 11月│ 527期

奈米科技是跨領域科技的好例子，現代化半導體元件的最小尺寸已經縮小到十

幾奈米，而次世代元件將小於十奈米。另一方面例如石墨烯的先進材料只有一個原

子的厚度，而多功能奈米量子顆粒正尋求包括在生醫、光電等領域中的應用。希望

這一篇〈奈米科技開啟微觀文明〉能夠引起更多人才對這個領域的興趣。

網路和無線通訊已經使全世界無遠弗屆地連結在一起，未來的網路更要進一步

把各式各樣的物件加上檢測器、驅動器和人工智慧，也經由網路連結在一起，成為

所謂的物聯網。如此大量的物件要能夠依需要而隨時互動，除非所消耗的能量超低，

否則總耗電量非傳統電源所能供應。直接從環境中吸收能量，高效率地轉換為物件

所需的超低電能，將能有效提供物聯網所需的電源。〈免電池物聯網的實現〉介紹

從環境獵取能量以提供物聯網電能的技術。

既然物件可以經網路連結，人們希望一些裝置可以像眼鏡、手錶一樣穿戴在身

上，不離身地提供服務。〈醫療照護電子化〉介紹可以穿戴在身上的裝置和感測網路。

資訊工程善長的演算法，經由無所不在的電腦使得人們更聰明，做事更有效率。

〈通俗演算法〉舉幾個淺顯易懂的例子說明善用演算法的功效。

先進的分析和演算法創造了電腦的人工智慧，其配合先進電機電子裝置而發展

出智慧型數位系統和應用。〈智慧型藥盒防止吃錯藥〉是一個日常生活所需的實例，

而〈遠離憂鬱—以智慧型手機察覺負面情緒〉更進一步利用智慧型手機對影像資訊

分析比對，提早察覺負面情緒，避免憂鬱傾向的惡化，保持身心健康。

電機配合資訊工程，造福人類的例子無數，希望這一期的專題報導能讓更多人

認識其現況及未來。

05科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

06 科學發展 2016年 11月│ 527期

通俗演算法

謝孫源、李佳衛、洪綾珠

在日常生活中，演算法時時刻刻都在幫我們解決問題，

選用了合適的演算法，可以大幅提升生活品質，節省時間、空間或成本。

「演算法（algorithm）」在韋氏辭典的

定義是「在有限步驟內解決數學問題的程

序」；在計算機科學領域上，演算法則是一

個計算的具體步驟，常用於計算、資料處理

和自動推理。簡言之，演算法是為了解決某

一問題所設計的一組有限運算規則的集合，

其中包含精確的問題輸入與輸出。用白話來

說，可以把演算法定義成「解決問題的方

法」，它可以是利用文字敘述、流程圖或虛

擬碼的方式來表示解決問題的步驟。

演算法有什麼用呢？它可以幫我們提

升生活品質，例如節省時間、空間或成本

等。既然演算法可以定義成解決問題的方

法，我們又用了哪些演算法來解決哪些問

題呢？

就以到書局買書為例吧！通常我們都會把欲購買的書籍列在清單上，到書局後就依照清

單上的順序逐一去找，常用的方法就是演算法裡的「貪婪演算法（greedy algorithm）」。這個

方法雖然可以找到所有的書，但是過程中可能需要在書局裡來回奔走，因為書局通常是依書

籍的性質分類，例如小說、童書、醫療等。

倘若我們是依照清單上的順序，則有可能先在小說區找到書本 A，接下來到童書區找書

本 B，然後到醫療區找書本 C，由於第四本書 D是英文的文學小說，因此得先找到外文的小

說區才能找到書本 D。而第五本書 E是文學小說，我們又得回到中文的小說區。至於清單上

的書本 G和 J都是中文的文學小說，因此又得進出中文小說區兩次才能找全所有書籍。

購書清單是否經排序，會影響到我們進出中文小說

區的次數。

購書清單 購書清單

A ，中文，文學小說B ，中文，童書C ，中文，醫療D ，英文，文學小說E ，中文，文學小說F ，英文，醫療G ，中文，文學小說H ，中文，醫療I ，英文，醫療J ，中文，文學小說K ，中文，童書L ，中文，醫療

A ，中文，文學小說E ，中文，文學小說G ，中文，文學小說J ，中文，文學小說B ，中文，童書K ，中文，童書C ，中文，醫療H ，中文，醫療L ，中文，醫療D ，英文，文學小說F ，英文，醫療I ，英文，醫療

07科學發展 2016年 11月│ 527期

如果換個方式找書，先把清單上的書

籍依性質分類，這樣一來，就可以先在中

文小說區找到書本 A、E、G和 J，接著再

到中文童書區找書本 B和 K，然後到中文

的醫療區找書本 C、H和 L，最後再到外文

區尋找書本 D、F和 I。這種程序避免了在

書局裡來回奔走的狼狽情形。

上述依照書籍性質分類的方法，

就是演算法裡的「桶子排序法（bucket

sort）」。這方法想像我們有中文和外文兩

個桶子，先依照書籍的語文分類，書本 A

是中文，因此放入中文的桶子中；書本 B

是中文，因此放入中文的桶子中；書本 C

是中文，也放入中文的桶子中；但書本 D

是英文，因此放入外文的桶子中；如此

這般依序把其餘的書本各放入其歸屬的桶

子中。

接下來，再針對桶子排序。想像有中

文小說、中文童書和中文醫療 3個桶子，

書本 A就該放入中文小說的桶子中；書本

B則放入中文童書的桶子中；如此依序置

放。接著再針對外文的桶子也做相同的排

序。經過桶子排序法的整理之後，就可以

在同一區塊內找到全部同一性質的書籍，

也就避免來回奔走了。

由於每一間書局有各自的擺設格局，

如果可以先知道各類書籍的擺放位置，應

該可以找到一條最佳化的路徑，作最少路

徑的奔波。這個尋找最佳化路徑的問題就

是演算法中非常著名的「旅行推銷員問題

（travelling salesperson problem）」。

你終於把清單上的書找齊了，但是因

數量太多，搬運並不方便，因此需要請書局

宅配回家。然而書局所提供的箱子尺寸是固

定的，如果裝箱越多，荷包會越傷，因此

以購書清單為例的桶子排序法

中文小說

A，中文，文學小說E，中文，文學小說G，中文，文學小說J，中文，文學小說

中文童書

B，中文，童書K，中文，童書

中文醫療

C，中文，醫療H，中文，醫療L，中文，醫療

外文

D，英文，文學小說F，英文，醫療I，英文，醫療

外文小說

D，英文，文學小說

外文醫療

F，外文，醫療I，外文，醫療

A，中文，文學小說B，中文，童書C，中文，醫療E，中文，文學小說G，中文，文學小說H，中文，醫療J，中文，文學小說K，中文，童書L，中文，醫療

中文

使用最先適配演算法，每一次找到適合的箱子，就

把書本直接放進去。

是否有先經演算法運算，所走的路徑差異可能很

大。如進書局大門後，先至中文童書區找到書本 B

和 K，再至外文小說區找到書本 D，接著到中文小

說區找到書本 A、E、G和 J，再到外文醫療區找到

書本 F和 I，到中文醫療區找到書本 C、H和 L，最

後回到大門前的櫃台結帳，總共需要 24個單位距

離。然而若能找到最佳化的路徑，如走大門、中文

小說區、中文童書區、外文醫療區、外文小說區、

中文醫療區、大門的路徑，則只需 13個單位距離。

甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛

AB

C D

EF

G H

I

J K L

08 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

箱子的數目越少越好。但如何使用最少的

箱子，就是演算法中著名的「裝箱問題（bin packing problem）」。這裝箱問題在計算機科學中也是一個相當難的問題，以下介紹

「最先適配演算法（first-fit algorithm）」來解決裝箱問題。

假設所購買的 12本書長、寬大小都一致，只有書本厚度不同，而書局所提供的

箱子，長、寬與書本的一致，且設箱子高

度是 10公分。最先適配演算法的概念就是先找到第一個可以放入書本的箱子。設書

本 A厚度 3.2公分，且目前因還沒有用到任何箱子，因此就把書本 A直接放入箱子甲。又書本 B厚度 2.7公分，而箱子甲還有6.8公分的空間可以使用，因此又把書本 B放入箱子甲。然後是書本C，厚度 4.3公分，但是箱子甲只剩下 4.1公分的空間，因此需要另外拿一個箱子乙來裝書本 C。

接著是書本 D厚度 6.7公分，箱子甲、乙所剩空間都不夠裝書本 D，因此另需箱子丙來裝書本 D。書本 E厚度 5.3公分，箱子甲只剩 4.1公分的空間，而箱子乙還有5.7公分的空間，因此把書本E放入箱子乙。書本 F厚度 2.5公分，而箱子甲還有 4.1公分的空間，因此把書本 F放入箱子甲。如此這般，書本 G、H、I、J、K、L終於找到其各自歸屬的箱子，算算眼前的箱山，

總共使用了 8個箱子來裝這 12本書。上述的最先適配演算法顯然沒能找到

最佳解，以上面裝書的例子來說，其實只

要使用 6個箱子就可以了：即把書本 A和D放入箱子甲；書本 B和 L放入箱子乙；

演算法並不是萬靈藥，無法確定在有限的時間與空間下可以找到最佳解，但即便所得到的答案不是最佳解，離最佳解也不會太遠。

書本 C和 I放入箱子丙；書本 E和 J放入箱子丁；書本 F和 H放入箱子戊；書本 G和 K放入箱子己而達陣。

前述例子由於數量並不大，用人工

的方式或許就可以找到最佳解；但是若問

題的數量非常龐大時，就非得仰賴演算法

不可了。然而演算法並不是萬靈藥，無法

確定在有限的時間與空間下可以找到最佳

解。但即便如此，退一步想，縱然所得到

的答案不是最佳解，離最佳解也不會太遠，

這個概念就是演算法中的「近似演算法

（approximation algorithm）」。生活中還有許多運用演算法的例子。

例如統一發票對獎，通常都是逐一核對每

張發票上的數字，檢查其是否是中獎的號

碼。而每核對一張發票時，就需要搜尋中

獎號碼，這個過程就是演算法裡的「搜尋

演算法（searching algorithm）」。假設有100張發票需要對獎，則至少需看過這 100張發票上的末三碼，也就是 300個數字。

然而，若能先依照最後一碼的數字把

發票分類，則需要看的數字量就可以減少。

關於裝箱問題的最佳解，當數量不大時，或許還可

以用人工方式找到最佳解，然而當數量非常龐大

時，就得仰賴演算法了。

甲 乙 丙 丁 戊 己

A B C

D

E F G

HI J KL

09科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

因為若最後一碼的數字與中獎號碼的數字

不同，即使前面 7個數字都相同，依然是

廢紙一張。而這樣的對獎方式，也就是前

述的「桶子排序法」。由此可知，一個設

計良善的演算法的確可以幫助我們提高工

作效率。

在日常生活中，最常使用到的演算法

又是什麼呢？答案是：排序演算法！諸如

依照身高安排座位或成績排名等都需要使

用這個演算法。以下介紹幾種依身高安排

座位的排序演算法。在新生入學時，老師

會先把全班學生依照高矮排序安排座位。

若老師不知道每位學生確實的身高時，該

如何排出高矮順序呢？這個問題就是演算

法裡的「排序問題（sorting problem）」。

氣泡排序法

請學生排成一列，然後比較同學 A和

B的身高，較矮的同學A往前排在第一位，

較高的同學排在第二位。接下來比較同學 C

的身高，因為 C比同學 B矮，則與同學 B

交換位置；也比同學 A矮，再與同學 A交

換位置。接下來的同學 D比排在第三位的

同學 B高，因此不需要更動排位。依序逐

一比較，就可以排出高矮的順序。這個方

法稱為「氣泡排序法（bubble sort）」，因為

在過程中，較矮的同學就如氣泡般一直往

上浮而得名。

插入排序法

挑選同學 A排在第一位，接著再挑選

同學 B與排在第一位的同學 A比較身高，

由於同學 B比同學 A高，因此把同學 B排

在第二位；再挑選同學 C與目前排在序列

中的同學比較，由於同學 C比目前排在第

一位的同學 A矮，因此把同學 C排在第一

位，原本序列中的同學每人都往後退一個

位置。

接著再挑選同學 D，再次與目前序列

中的同學比較，由於同學 D比目前的每一

位同學都高，因此把同學 D排在第四位。

如此依序挑選同學與目前序列中的每一位

同學比身高，再把這位同學插入適當的位

置，就可完成身高排列的順序。這個方法

就是「插入排序法（insertion sort）」，因為

是在過程中逐一找到位置，再把同學插入

這個位置而得名。

統一發票對獎的過程，若先經過桶子排序法就可增

進工作效率。

10 科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

選擇排序法

利用目測的方式找出身高最矮的同學

F，把同學 F排在第一位；接著從剩餘的同學中，再次目測找出最矮的同學 C，把他排在第二位；在剩餘的同學中持續找出身高

最矮的同學，把他排到順序之中，直到所

有同學都排進隊伍中。這個方法就是「選

擇排序法（selection sort）」，因為在過程中，每一次都從尚未排入隊伍的同學中選擇最

矮的同學來排入而得名。

快速排序法

選擇同學 A當作標準身高，其他同學都須與 A比較身高，把比同學 A高的同學B、D和 E分到甲區，比同學 A矮的同學 C和 F分到乙區；接著在甲區的同學中，挑選同學 B當作標準身高，把比同學 B高的同學 D分到丙區，比同學 B矮的同學 E分到丁區；在乙區的同學中，挑選同學 F當作標準身高，把比同學 F高的同學 C分到戊區。如此一來，每個小區域內只有一位

同學，而兩個小區域之間有一位被當作標

日常生活中最常用的演算法就是排序演算法，例如老師為了排座位所做的身高排序。

快速排序法的例子

排序前 排序後

A AB BC CD DE EF F

標準 戊

標準 丁

標準 丙

甲乙

F C A E B D

準的同學。最後，把每個小區域及標準身

高的同學合併起來，這個方法就是演算法

中的「快速排序法（quick sort）」。在日常生活中，其實我們時時刻刻都

在使用演算法解決問題，只是不曉得那個

演算法的名稱，也不曉得是否可以得到最

好的答案，甚至不曉得那個演算法是否有

很好的效率可以省下很多時間。一般最常

使用的是貪婪演算法，這方法雖然可以得

到答案，但通常不是最好的，效率也不見

11科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

得理想。如果能夠學習到更多的演算法，

明瞭該採取什麼方法以解決日常生活上的

問題，就可以有效地節省時間、空間與成

本，並提升生活品質。

演算法在有限的時間與空間內，可以

有效率地解決問題，因此一直是資訊工程

研究中非常重要的議題。例如在設計導航

系統時，希望可以提供一條最佳化的行進

路徑（時間最少或距離最短），這時需設計

一個搜尋路徑的演算法，而 Dijkstra演算法（Dijkstra algorithm）就可以幫助我們找到最佳解。又如常用的搜尋引擎，我們希望

可以迅速地獲得最準確的搜尋結果，這時

就需要設計一個有效率的字串比對演算法。

演算法的應用十分廣泛，而設計演算

法能讓我們更有效率地解決各式各樣的問

題，因此演算法在資訊工程領域中扮演著

非常重要的角色，也一直是值得投入的研

究方向。

謝孫源、李佳衛、洪綾珠成功大學資訊工程學系

專題報導

12 科學發展 2016年 11月│ 527期

照護電子化的需求

受到高齡化、人口結構改變的影響，未來 10年的疾病動態也會發生變化。尤其現今高壓力的生活環境，身體提早老化，使慢性病提早 10年引發的機率升高，心血管疾病、癌症、糖尿病等會是未來高比率的疾病。根據世界衛生組織的資料，在高收入與中等收入國家，心

血管疾病已是十大死因的榜首，每年約 1,700萬人死於心臟病、腦血管破裂、心肌梗塞等。伴隨人口老化而來的是衰老和慢性病盛行，失能人口也會大幅增加，使長期照護需求日

益殷切。人口的老化讓年輕一代除了要花時間於自己的事業外，也要設法讓父母與長輩得到

更好的照料。如何使青壯年人在拚經濟時不用擔心家中長輩的健康狀況，是國家發展需要重

視的課題。

若能在照護人力短缺和顧及長者尊嚴與安全的前提下，輔以電子設備的協助，建立智慧

型居家遠距照護系統，就可有效解決長期照護的問題。

醫療照護可分 3個階段。第一階段是醫院看護，屬於比較緊急但往往是最短暫的階段；其次是介於醫院與安養中心或醫療照護機構之間的居家長期療養與照護；最後是居家安養安

置階段，而這階段往往是最耗費時間、心力及費用的。透過遠距醫療的輔助，偏遠鄉鎮可以

取得寶貴的醫療資源；透過居家保健照護，慢性病患或老人可以獲得妥善的醫療照護服務。

遠距醫療主要是指利用通訊或網路科技，在不同地點間互作健康與醫療資訊的傳輸，達

到醫療及保健的目的。居家保健照護則是利用新方法與新器材，以居家方式提供原先需接受

醫院持續性醫療照護的病患所需的服務，並透過居家監測儀器監測病情。若能結合這兩者的

技術與服務概念，就可建立智慧型居家遠距照護系統。此外，若能再結合穿戴式裝置，未來

穿戴式裝置是把微型電子裝置與手錶等個人裝置結合，

而可隨時穿戴在身上偵測生理訊號，

並透過身體感測網路把訊號傳輸至智慧型裝置上顯示，

且可進一步經由網路傳輸至雲端進行監控與分析，達到醫療照護的目的。

李順裕

醫療照護電子化

若能在照護人力短缺和顧及長者尊嚴與安全的前提下，輔以電子設備的協助，建立智慧型居家遠距照護系統，就可有效解決長期照護的問題。

13科學發展 2016年 11月│ 527期

由於社會型態的轉變，智慧型裝置已不再只是傳遞訊息及溝通的工具，也成為輔助健康照護的平台。

的醫療服務與健康監控將不會局限於室內，

而可隨時隨地提供病患更多樣的健康資訊，

並降低醫療成本。

穿戴式裝置的發展

由於智慧型裝置的蓬勃發展，加上其

便利性提升且售價趨於平民化，人們的生

活中已充滿智慧型裝置，舉凡帽子、手機、

耳機、手錶、眼鏡，甚至家電等日常用品，

都已與智慧型裝置結合。可預期未來會有

更多可穿戴式的裝置發展出來，如智慧衣、

智慧手鍊與項鍊、智慧鞋。目前，穿戴式

裝置持續朝輕薄短小、多功能，並可與生

活結合的方向發展。

根據工研院產經中心的報告，2014年是穿戴式裝置開發元年，而 2015年是物聯網開發元年，意即穿戴式裝置及物聯網的

發展已成為資通訊產業的主流。例如，時

下最熱門的智慧型手錶便是一項具備輔助

健康與健身的穿戴式裝置，同時具備網路

功能，意即可成為物聯網的應用平台。消

費者透過這手錶，可隨時隨身記錄所有行

動、運動健身數據，並具備提示功能，儼

然成為一相當便利的健康照護輔具。

由於社會型態的轉變，智慧型裝置已

不再只是傳遞訊息及溝通的工具，也成為

輔助健康照護的平台。

健康照護主要包含狀態記錄與監控警

示。對於低風險族群，可使用具有心率記

錄功能的手錶、耳機等穿戴式裝置，輔助

使用者了解自身的生理狀況，達到預防的

目的。而已患有特定疾病的中高風險族群，

可使用具備分析或與醫療機構連線的裝

智慧型健康照護與監控系統

戶外

室內

雲端健康照護監控

區域感測網路

身體感測網路

穿戴式裝置 智慧型手機

醫療院所

常見的穿戴式裝置

置，使其不需到醫院就可定期或隨時記錄

生理狀況，避免意外發生，並降低醫護人

員負擔，減少醫療成本。

1

2 4

3眼

頭

耳

手

圖片來源www.revistadeingenieria.com

圖片來源www.slideshare.net

圖片來源life-beam.com/shop/smart-hat

圖片來源hoergeraete-hacks.s-p-s.de

14 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

整合穿戴式裝置平台

目前市售的穿戴式裝置都是固定平台

搭載固定功能，如透過呼吸帶檢測呼吸、

透過心跳帶檢測心率、透過手環或手錶搭

配光學感應技術檢測心率等。惟各項產品

具備各自的特點，並無一個能有效整合所

有功能的平台，消費者唯有採購數種穿戴式

裝置，才能有效彌補僅有個別功能的不足。

如何發展一具備多功能且易於整合各

個應用功能的平台，是未來科技的趨勢。這

平台所需的技術是：置於身體感測網路穿戴

式裝置端的生理訊號檢測暨訊號控制處理與

通訊功能整合平台；置於智慧型裝置端，具

備訊號分析及智慧提示的智慧型平台應用程

式；置於雲端提供健康照護與監控的巨量資

料統計分析與雲端資訊平台。

這平台的功能是檢測使用者如心率、

呼吸、動作、腦波等生理訊號與體溫，搭

配使用藍牙等無線傳輸模組，彙整相關檢

測生理訊號並傳送至資訊顯示平台（智慧

型手機或平板電腦）分析及記錄資料，再

經由網路把部分資訊傳送至醫療雲端，進

行進階的資料記錄及社群連結。如此，除

可透過智慧型手機提醒使用者的健康資訊

外，也可透過雲端與其他使用者互動，並

讓醫療院所隨時了解病人的健康情形，提

供相關的服務。

身體感測網路的應用

為了把穿戴式裝置所擷取的生理訊號

傳輸至醫療雲端系統，以建立整個醫療資

訊平台，身體感測網路與所需晶片系統就

穿戴式裝置平台

為了把穿戴式裝置所擷取的生理訊號傳輸至醫療雲端系統，以建立整個醫療資訊平台，身體感測網路與所需晶片系統就成了不可或缺的技術。

以貼片式心率擷取為例的身體感測網路情境

成了不可或缺的技術。廣義的身體感測網

路的應用包含現今的體外穿戴式裝置，如

帽子、眼鏡、耳機、手錶等，透過接觸式

生理訊號檢測暨訊號控制處理與通訊功能整合平台

具備訊號分析及智慧提示的智慧型平台應用程式

提供健康照護與監控的巨量資料統計分析與雲端資訊平台

電源

電池

資料 資料

電源

電源

藍芽

體溫 儲存

腦波 行動

心率 呼吸

藍芽模組

記憶模組

心率偵測器

呼吸偵測器

運動偵測器

腦波偵測器

體溫偵測器

顯示 檢測

記錄 處理

診斷 傳輸

15科學發展 2016年 11月│ 527期

的電極或非接觸式的光感測器擷取生理訊

號，並透過智慧平台與後端雲端平台分析，

建立個人健康照護系統。

另一身體感測網路的應用是植入式醫

療電子裝置，這是現代醫療的新思維，把

藥物治療導向個別化的物理性治療方式。

近年來積體電路技術的發展，醫療電子產

品在安全和效率上已大幅提升，因而帶動

植入式醫療電子裝置的成長。

常見的植入式醫療電子裝置如：心律

調節器—把刺激電極植入心臟內壁，改善

心臟跳動的問題，以防止因心律不整造成

猝死的危險；深層腦部刺激器—把微電極

植入大腦視丘下核並加以電刺激，改善帕

金森氏症病患的手足震顫現象；人工電子

耳—在耳蝸內植入電極，直接刺激聽神經，

讓聽損者對聲音有所感知；人工電子眼—

主要透過光感測器與數位訊號處理器，把

感應的光訊號轉成電訊號刺激視網膜神經，

讓失明者可以對光有反應。

另外，脊髓損傷者不同的受損程度會

造成不同層級的官能障礙。如尿道與膀胱

控制受損，會使患者無法正常排尿與儲尿，

然而患者可透過薦前神經根電刺激來幫助

膀胱排尿，透過會陰神經刺激幫助膀胱儲

尿。因此，如何把排尿和儲尿兩種刺激功

能整合，並透過積體電路使穿戴式裝置微

小化至可植入體內，將成為解決控制排尿

與儲尿功能的重要技術。

晶片與醫療輔具結合

為了使生理感測無線傳輸系統微小至

可讓用戶隨身穿戴，且可長時間提供用戶

任何時地、可移動式的服務，讓一般人或

居家長者在日常生活中就可藉由穿戴式裝

置隨時監控自身的生理狀況，如何結合晶

片與醫療輔具設計技術便成為目前資通科

體外身體感測網路的生理訊息擷取

體內身體感測網路的神經調控情境

人工電子眼治療：失明

腦深層電刺激治療：帕金森氏病、癲癇

經皮神經電刺激治療：運動神經癱瘓（中風）

膀胱刺激治療：尿失禁（脊椎神經損傷）

人工電子耳治療：失聰

心臟起搏器治療：心律不整（心血管疾病）

胃電刺激治療：慢性胃嘔吐（糖尿病）

技產業發展的目標。其中，發展一個整合

無線收發機的低功耗、長時穿戴式系統晶

片，更成為近年生物醫學、網路與電子領

域的熱門課題。

生理訊號擷取位置

身體感測網路

智慧手機

平板電腦

筆記型電腦

16 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

由於心血管疾病是十大死因榜首，這

裡針對體外心率偵測無線傳輸接收器與體

內心律調節器的晶片系統作介紹。

體外身體感測網路所需的晶片系統方

塊主要包含貼身端（穿戴式裝置）與近身

端（智慧型裝置）兩部分。以心率偵測無

線傳輸接收器為例，貼身端主要功能是透

過生理訊號檢測電路偵測心率訊號，經由

數位訊號處理器分析心率訊號，再透過數

位資料控制器控制與近身端的聯繫，最後

由無線射頻收發機傳輸資料。

近身端可以是智慧型手機或平板電腦，

主要是接收資料、透過數位資料控制器與數

位訊號處理器還原與分析資料、記錄與診斷

資料，並提供顯示與服務。此外，這智慧型

裝置也可把原始資料或診斷資料經由網路傳

至醫療雲端，提供醫療院所進行醫療照護。

穿戴式心率偵測器晶片系統方塊與情境

天線

貼身端 無線射頻收發機

貼身端 數位資料控制器

生理訊號檢測電路

貼身端數位訊號處理器

感測器

台積電製造

無線射頻發射機

數位資料控制器

類比前端檢測電路

3 m

m

3 mm

天線

近身端 無線射頻收發機

近身端 數位資料控制器

近身端數位訊號處理器

監視器

植入式心律調節器系統晶片與動物實驗情境測試圖

體內心律調整系統晶片

生理訊號感測器

數位系統

線能量轉換儲存晶片

台積電製造

刺激器

1.5

mm

1.6 mm

3 mm

體外控制器

體內晶片

臨界電壓

刺激反應脈搏偵測

失去脈搏

刺激區間

刺激周期

刺激強度

抑制刺激

積體電路技術的發展，以及醫療電子產品在安全和效率上的不斷提升，帶動了醫療電子的成長，

17科學發展 2016年 11月│ 527期

植入式心律調節器系統方塊圖

體內心律調節器一般裝置具神經刺激

的近場遙測系統，包含無線訊號傳輸與接

收、無線充電管理系統、控制刺激訊號的數

位系統、生理訊號感應器、刺激器5個部分。無線訊號傳輸與接收功能是以無線方

式傳送控制訊號與接收檢測的生理訊號，並

且能以無線的方式進行內部裝置充電。這部

分包含資料編碼器（體外發射端）、資料解

碼器（體內接收端）、發射器、調變（解調

變）器。而體內心律調節器系統晶片的能量

主要由一包含整流器、電壓調節器、電荷幫

浦，以及電池充放電所需電路的管理系統

處理，提供穩定的電源給內部電路與刺激

器使用。

此外，包含解調變器與系統控制器的

數位訊號處理器，可進行資料解碼與神經

刺激的控制。為了監控心律訊號，系統需

包含一低電壓與低功耗的生理訊號感測器，

處理生理訊號並傳送至體外監控。而刺激

電路主要是透過脈衝產生器與資料轉換器，

進行心臟肌肉的刺激與心律調整。

實現貼身守護神的夢想

積體電路技術的發展，以及醫療電子

產品在安全和效率上的不斷提升，帶動了

醫療電子的成長，並將改變人類未來的醫

療行為。為降低政府未來醫療照護的支出，

透過穿戴式裝置與身體感測網路的開發，

將可實現貼身守護神的夢想。

不過，現今透過晶片系統所建立的貼

身守護神尚在萌芽階段，其重點技術包含

無線訊號傳輸與接收

資料編碼器調變器

資料輸出

發射器

解調變器

生理訊號感測器

調變器 資料轉換器 濾波器 放大器

體內心律調節器系統晶片體外無線收發器

無線充電管理系統

整流器 電荷供應器

電壓調節器 電荷幫浦

電量偵測器 電池

供電切換器

刺激器

資料轉換器 脈衝產生器

解調變器 系統控制器（解碼器）

數位系統

體內電感（L2）

體外電感（L1）

體外裝置 導線

陰極

正極

皮膚表皮

18 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

貼身守護神的夢想情境

貼身守護神

年長者

安養院或社福機構

貼身守護神

慢性病患者

居家環境

貼身守護神

忙碌工作者

工作場所

貼身守護神

居民

醫療資源缺乏地區

醫療中心

雲端醫療資料庫

家醫診所

提供醫療服務

提供醫療服務

低功耗生理訊號擷取系統晶片、低功耗無

線傳輸與接收系統晶片、疾病辨識系統晶

片、無線充電管理系統晶片、貼身守護神

整合系統晶片。這貼身守護神除了可隨身

監控病人的生理狀況，並即時反映生理不

正常狀況提醒病人外，還可傳達至醫療院

所提供醫師診療參考。

此外，其服務對象包含慢性病患、醫

療資源不足地區的居民、安養院或社福機

構、忙碌工作者、醫療中心與家醫診所。

未來，更可與雲端醫療資料庫結合，隨時

把受照護的病人（老人）健康狀況儲存於

雲端，提供家人與醫療人員進行照護，實

現預防醫學的目標，減少無謂的醫療支出。

李順裕成功大學電機系

19科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

20 科學發展 2016年 11月│ 527期

吃錯藥問題嚴重

根據美國的研究，平均每位病患每天

至少發生 1次用藥錯誤，即使頂尖的醫療機構，病患錯誤用藥的頻率仍高達每 5∼ 6劑就有 1劑。可避免的錯誤用藥事件每年在美國醫院高達四十多萬件，一般長期安

養機構更高達八十多萬件，導致全美每年

七千多個死亡案例、醫院上億元的損失，

以及其他不可估計的隱性財產和生產力的

流失。

美國醫療保健方法公司針對 65歲以上長期服用藥物的慢性病患調查發現，吃錯藥的比率更是 65歲以下病患的 7倍。

就台灣人口結構快速邁入高齡化，加上 65歲以上老人普遍患有一項以上的慢性病來說，用藥安全問題更是不容忽視。

人工排程易生錯誤

市面上有許多藥盒用來輔助病患吃藥，主要功能不外乎提供單次藥物儲存空間、提醒病

人吃藥、記錄每次用藥的時間等，有些功能較強的藥盒甚至會在病人多次忘記吃藥時通知醫

生或家屬。但從最簡易便宜的 7日 4格塑膠藥盒到多功能昂貴的電子化控制藥盒，都有賴使用者自行操作。

每個人從小到大或多或少都吃過藥，感覺它是一件很簡單的事，

但是世界衛生組織的統計卻顯示用藥錯誤的發生率高，到底錯出在哪裡？

現代的資訊科技該怎麼協助解決？

蔡佩璇

智慧型藥盒防止吃錯藥

簡易塑膠藥盒（圖片來源：種子發）

21科學發展 2016年 11月│ 527期

首先需要病人或家人判讀處方箋或用

藥指示，再根據個人的解讀與認知把藥物

分群，把認為可以同時服用的藥物分在同

一群，接著對每一群藥進行藥物排程後，

放進藥盒的同個儲存格中，然後對每個儲

存格設定提醒用藥時間。等設定的時間到

了，藥盒上的鬧鐘會發出提醒通知，病人

再取用分好的當次藥物。這些動作與步驟

看似簡單，但由於都依賴人為操作，就可

能發生錯誤。

在判讀處方箋部分，藥物服用時間有多

種表示方法，有的以生活作息來規劃吃藥時

間，像是三餐飯後吃；有的明確指示吃藥間

隔時間，譬如 4或 6小時吃 1次；有的則僅用頻率來表示，像是 1天吃 3次等。

當使用者僅需服用 1∼ 2種藥物時，藥物排程不是一件難事。但隨著藥物種類

越多，排程的複雜度會越高。對於沒有醫

療專業背景的病患而言，很難從藥袋上不

一致的指示去判斷哪些藥可以分在同一群

同時吃，哪些藥必須間隔一段時間後才可

以吃，分群好的藥又個別該在什麼時候吃。

諸如此類的問題讓排程工作變得不是那麼

簡單，更何況同時需要服用多種藥物的慢

性病患又以老年人居多，要從繁雜的處方

箋指示中排出正確的用藥時間表更是困難。

其次，由於許多藥物的外觀相似，在

從藥袋取出分類裝進儲存格中如果發生錯

誤，很難單從藥物的外觀去分辨藥物的種

類而重新分類。

再者，對於已經分類好分次使用的藥

物，當病患錯過設定的取用時間是否還要

當使用者僅需服用 1∼ 2種藥物時，藥物排程不是一件難事。但隨著藥物種類越多，排程的複雜度會越高。

電子化控制藥盒

服用？而在同一儲存格中的藥物，其用藥

指示與時間可能不同，只是剛好被排在一

起，譬如 1天吃 1次的藥被排在早餐時段，跟三餐飯後吃的藥一起吃，在錯過時該怎

麼處理？

此外，錯過服用時間的藥物該怎麼處

置，直接丟棄或取出重新分類排程？這些

問題現有的藥盒都沒有解決，全賴病患自

行判斷後人為操作處理。

市面藥盒功能不足

除了上述人為操作所可能造成的錯誤

外，目前市面上的藥盒還缺少一項重要的

功能，就是檢查病人同時服用的藥物是否

有重複與衝突。例如，台灣由於醫療便利

且健保制度友善，使得民眾一有不適便可

就近找到醫療院所就醫，因此很容易發生

同一病患同一段時間內在不同的醫療院所

看診而拿到重複的藥物。

22 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

為了保障民眾的用藥安全，衛福部目

前使用健保 IC卡儲存民眾用藥紀錄，透過這功能可查詢病患在其他醫院的用藥情況，

以及比對有無開立重複的藥物。但健保卡

僅可儲存最近的 6次紀錄，且常因下載用藥資訊耗時而導致看診時間過長，加上部

分醫院資訊流程未整合，無法即時分享資

訊等問題，使得部分醫師在看診時，常常

未能落實透過健保 IC卡核對病患的用藥紀錄，以至於民眾在服藥過程中依舊潛伏著

藥害危機，也造成醫療資源的浪費。

智慧型藥盒的新設計

智慧型藥盒應該涵蓋上述問題的解決，

為此筆者設計了一內嵌醫療資訊服務系統

的自動化智慧型藥盒，取名 iMUS，中文音譯為「謬思」。它可有效解決上述問題，達

到安全用藥的目的，也就是正確的人在正

確的時間服用正確的藥物及劑量。

透過智慧型藥盒的設計，可達到安全用藥的目的，也就是正確的人在正確的時間服用正確的藥物及劑量。

市面上現有藥盒與 iMUS 功能的比較

項目 市面現有藥盒 iMUS

處方箋判讀、分藥與藥物排程 全部需要依賴病患或家人操作 所有工作由藥盒子自動完成

藥物互相汙染無法避免，因為排程分次好的藥放在同一格

不會發生，因為採一藥一格

病人錯過吃藥時間無法判斷要不要服用，也不知道怎麼處理

在不違反處方箋的範圍內會自動重新排程

重複處方箋檢查 無 透過網路連線自動檢查

可攜式小藥格

iMUS

23科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

iMUS可以廣泛在醫療機構、家中、安養照護中心使用，以病患為主，但不限定

藥盒操作者，無論是專業護理人員、看護

或家人，都可以透過 iMUS所提供的服務協助病患正確用藥。

為彌補上述現有藥盒缺少的功能，

iMUS在硬體方面做了幾個設計。首先，設計貼有二維條碼的可攜式小

藥格。由於病患非專業醫護人員，在閱讀

藥物資訊時，容易發生錯誤或誤解而吃錯

藥。為了讓智慧型藥盒能代替病人判讀處

方箋與排程，設計了一種新型態的可攜式

小藥格。跟醫院藥袋設計一樣，為避免藥

物互相汙染，每一個小藥格中只裝一種藥，

同時在小藥格上端貼上夾帶藥物資訊的二

維條碼，包括病患姓名、藥物名稱與劑量、

用藥指示等。藥劑師根據醫生開立的處方

箋，把藥物一對一分別裝進可攜式小藥格

中，封裝後讓病患帶回。

其次，藥盒控制模組的設計主要是用

來放置可攜式小藥格，上蓋挖空以顯露可

攜式小藥格上的二維條碼，做為掃描讀取

處方箋用。另外，為了有效避免用藥錯誤，

在每個藥盒控制模組內部搭載機械裝置，

加入了電子鎖、感測器與 LED燈光，用以控制並管理一個小藥格。藥盒控制模組的

功能包含偵測是否有可攜式藥格放入、偵

測上蓋是否緊閉、鎖定藥盒、LED指示藥物位置等。

再次，設計藥盒底座用以放置數個藥

盒控制模組，藥盒控制模組會透過排線連

結位於藥盒底座的整合控制板，再透過底

座裡的嵌入式系統傳達指令，統一管理各

個藥盒控制模組。

最後，嵌入式主機板內建 iMUS管理系統，判讀處方箋、藥物排程、藥物重複偵測，

以及延遲用藥因應措施等智慧化功能，都由

iMUS管理系統內的演算決定。iMUS管理系統會把結果顯示在 LCD小螢幕上，並清楚告知病患每個下一步動作。

使用流程簡便

當病患從藥局領取貼有二維條碼的可

攜式小藥格返家後，只要任意地把可攜式

小藥格擺入 iMUS藥盒中的空格並蓋上蓋子，藥蓋就會自動上鎖，接著 iMUS透過攝影機掃描藥格上的二維條碼讀取處方箋。

（a） 已放入可攜式藥格的藥盒控制模組。

（b） 藥盒控制模組上蓋挖空，用以顯示藥格上的二維條碼。

（c） 藥盒控制模組內部搭載機械裝置，用以控制並管理可攜式藥格。

a b

c

（a） 藥盒底座用來放置藥盒控制模組。

（b） 藥盒底座內置嵌入式系統主機板。

（c） MUS雛形。

a b

c

24 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

iMUS使用流程圖

其後，iMUS管理系統會先檢查是否有藥物重複或衝突情況，如果有，會在螢幕

上顯示其名稱，並且透過 LED燈指示其位置，讓病患取出返診詢問醫生。如果沒有，

iMUS管理系統就會根據內部排程演算法開始進行藥物排程，並設定用藥提醒時間，

時間一到就會以聲音或手機推播的方式通

知病患服用藥物。

iMUS上的用藥紀錄可以直接列印出來或傳輸到手機上，在下次看診時交給醫生，

讓醫生了解病人的現況，並在開立藥物時

避免重複與衝突。

世界衛生組織的報告指出，病患不照

處方箋按時吃藥是一個全球性的問題，原

因有所不同，除了非故意的忘記以及錯過

時間之外，吃藥時間不能搭配生活習慣是

另一個很重要的原因，病患也常有不按時

吃藥的意圖。例如，睡覺中不想起床吃藥，

或有些藥物會造成嗜睡無法工作或開車，

以致故意不按時吃藥。未來藥盒會考量使

用者的生活習慣，在不違反處方箋指示下

更靈活地排程。

蔡佩璇成功大學資訊工程系暨製造資訊與系統研究所

醫院伺服器，根據醫生所開立的處方箋告知藥劑師。

藥劑師根據處方箋把藥物放進可攜式藥格，一種藥物放入一個藥格。

開立處方時，透過重複與衝突用藥偵測系統，避免開立衝突的藥物。

藥劑師把夾帶藥物資訊的二維條碼貼到可攜式藥格上，交給病患帶回家。

醫生可以根據病患帶來的用藥紀錄，更仔細地為病患看診。

病患回家後登入 iMUS系統

病患在看診前，透過手機下載或以印表機列印用藥紀錄，攜帶著前往就診。

病患把所有可攜式藥格放進 iMUS空格，並且蓋上蓋子，蓋子會自動鎖上。

iMUS 利用攝像機掃描iMUS上所有可攜式藥格的二維條碼，獲得藥物資訊。

iMUS可以透過網路連結醫院或診所，判斷與讀取到的處方箋是否相符，確認後進行藥物排程並進入待機畫面。

用藥時間到，iMUS利用LED的變化發出訊息提醒，等待病患觸碰螢幕，代表病患準備吃藥。

螢幕上顯示該吃藥物的資訊，包括圖片、藥名、劑量等，並自動解開這藥的藥蓋，當病患服用完，手動蓋上蓋子就會自動上鎖，當所有這次該吃藥物都被病患拿取完畢，便回到待機畫面。

25科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期廣告

專題報導

26 科學發展 2016年 11月│ 527期

下一個產業浪潮

物聯網是指把所有「有形物體」與「網際網路系統」結合的智慧化管理系統。

以現代社會「人聯網」的發展歷程做譬喻，在還沒發明電話的時代，人們想聯繫遠方的

親友，只能長途跋涉親身拜訪或透過書信。而當今，透過電話系統與行動裝置，人與人之間

隨時可用行動電話聯繫，即時、直接、不受距離限制，形成了人聯網。

因此，對照於現在人類尚無法跟遠端的有形物體直接聯繫的限制，物聯網簡單地說，就

是幫各式各樣有形物體安裝行動裝置，給它一個身分號碼供辨識用，令它具備無線上網的功

能。不管這些物體到哪裡去，經歷什麼樣的環境變化，我們都能夠「打電話」給它，也能接

收它的來電，於是不但能得知它的近況，還能指示它做什麼，達到即時、直接、不受距離限

制的智慧化管理。

物聯網可實現人與物品之間的信息溝通，因此被稱為繼電腦、網路、行動通訊之後下一

個影響世界發展的產業浪潮。物聯網將以新一代資訊科技整合人類社會與物理系統，把無線

射頻辨識標籤及感測器裝備到鐵路橋梁、油氣管道等公共設備，或個人隨身物品與穿戴用物

品中，然後與現有的網路整合，由超級強大的中心電腦群對網路內的人員、機器和設備實施

即時的管理和控制。

國際電信聯盟曾描繪物聯網時代的願景：手機會提供主人即時的健康監控與諮詢，公事

包會提醒主人出門忘了帶什麼東西，當司機出現操作失誤時汽車會自動警示，衣服會告訴洗

衣機對顏色和水溫的要求等。毫無疑問的，如果物聯網時代來臨，日常生活會發生翻天覆地

的變化。

無線通訊與環境獵能兩大技術的結合，

將實現一個無處不在並永久供電的物聯網。

鄭光偉、邱怡禎

免電池物聯網的實現

物聯網可實現人與物品之間的信息溝通，是繼電腦、網路、行動通訊之後下一個影響世界發展的產業浪潮。

27科學發展 2016年 11月│ 527期

相較於電池供電，利用環境自主發電的獵能技術具有顯著的優勢—能源幾乎取之不盡，並盡可能地減低對環境的影響。

建立物聯網是一個把現實世界數位化

的龐大工程，根據預測，2020年以前大約有 300億個物品會進入無線傳訊的物聯網中。這 300億個物品可能應用在大型公共設備上，也可能應用於各種穿戴式、行動

式或植入式的個人裝置中。

把 300億個物品建構到物聯網所牽涉的挑戰很廣，包含物聯網裝置的尺寸限制、

如何連接網路、如何確保資料傳輸的安全

性與隱密性、電源供應等。其中，電能來

源是最嚴峻的考驗，因為當電池壽命耗盡

時，無論是更換 300億個電池或替 300億個電池充電，都會耗費高昂的人力、財力

與時間成本。

此外，在尺寸與能源限制下，如何達

到高效率無線傳輸、如何保證資料傳輸的靈

敏可靠、如何延長電池每次充電循環使用時

間，都考驗著無線通訊技術與系統設計。

因此，以下從能源的角度出發，探討如

何在物聯網裝置中，以「獵能技術」搭配「低

功耗裝置」解決物聯網電力的需求。

微型獵能技術

環境獵能技術是一種從周遭環境收集

能量、儲存能量，並轉換成電能的技術。

相較於電池供電，利用環境自主發電的獵

能技術具有顯著的優勢—能源幾乎取之不

盡，並盡可能地減低對環境的影響。由於

物聯網物品的壽命可能長達好幾年，若要

避免電源更換或充電過程中所需要的成本，

使用超低功率的裝置自是一大關鍵。若物

聯網裝置本身能源源不絕地產生電力，就

可能使物聯網裝置永續不斷地運作。

獵能技術並不是新創的，幾世紀以來

人類已經有風車、水車、太陽能等形式的

應用。近年來，迷你型的獵能器已經內建

到計算機、手電筒、玩具、電子鑰匙等之

中，進入了我們的日常生活。而未來更進

一步的發展，就是把體積更微小、效能更

高的微型獵能器建構到穿戴裝置和物聯網

裝置中。

物聯網是萬物相連的新未來（圖片來源：維基百科）

物聯網

連接世界

28 科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

使用微型獵能器維持物聯網裝置永久

持續的操作是物聯網時代的目標。目前的

微型獵能器，根據能量的來源可分為光能、

熱能、振動能、電磁波能四大類。

在光能方面，大型太陽能板是取得光

能最常見的技術。在強烈的日照下，每 1平方公分的太陽能板大約可以產生 10毫瓦 （10−3 W）的平均功率，在 4種獵能方式中產生的能量最大。缺點是產生的電能完全

仰賴日照的強度，需要配合電源管理系統，

在能量充沛時儲存於蓄電池中，以供陰雨

天或夜晚使用。

在溫差方面，熱電式獵能器是利用兩

個不同的金屬或半導體之間的溫度差，形

成熱電效應而產生電壓。儘管只要有足夠

大的熱電板和環境溫度差異，就可以產生穩

定的能量，不過電壓較小，需要使用變壓器

提高輸出電壓，才能供物聯網裝置使用。

獵能技術評估

能量來源獵能功率

（微瓦／平方公分）

光戶外 10,000

室內 10

溫差環境溫差 1,000

體溫差 25

振動機械動能 100

人體動能 4

電磁波行動電話 0.1

WiFi 0.001

至於振動形式的動能，例如橋梁、汽

車和工廠產生的機械結構振動，可以透過

彈簧或壓電材料轉變成電能。這種轉換產

生的電壓可高達 1,000伏特以上，也能產生毫瓦範圍內的電力。

現今都市中有許多頻段的電磁波訊號，

例如廣播、行動電話、WiFi等，除了在通訊或與外界進行資料交換而需使用電磁波

外，其他時間多數的電磁波並未產生效用。

收集四周環境中的電磁波轉為電源，會是

無線充電的另一個新里程碑。目前技術仍

受到充電距離短，以及產生的能量小於應

用所需的數量級的限制。

由於光能、熱能和動能的獵能器具有

不同的特點，產生的電壓並不穩定，產生

的電能可能是間歇性的，有時甚至無法提

供任何電力。因此，一個完整的能量採集

系統必須包括獵能器、儲能器和電源管理

使用微型獵能器維持物聯網裝置永久持續的操作是物聯網時代的目標。

29科學發展 2016年 11月│ 527期

電路來保證穩定的電源輸出，以匹配負載

的應用電路。

上述這些具有發展潛力的微型獵能器產

生的功率數量級大約在毫瓦至微瓦（10−6 W） 等級，已經與一些遙控器、手錶、收音機和

藍牙耳機消耗的功率相當。而在這些低功耗

的應用元件中，最有前景的便是無線感測器。

無線感測網路

物聯網要能夠普遍在商業、醫療、工

業或生態環境中實現，無線感測器網路占

有很重要的地位。新一代無線感測器將由

採集的能源來供電，因而不需使用電池。

無線感測器通常由 1個或多個感應器、無線電收發器與微處理器所構成。感應器

負責偵測外在環境中的溫度、溼度、壓力

等的變化；無線電收發器負責使感測資料

與相鄰的無線感測器分享，或上傳到資料

物聯網要能夠普遍應用，無線感測器網路占有很重要的地位。新一代無線感測器將由採集的能源來供電，因而不需使用電池。

處理中心；微處理器則根據通訊協定處理這

些原始數據，控制無線電收發器傳送訊息。

無線電收發器

無線通訊能力是物聯網裝置中最重要

的功能之一，藉由無線感測器網路的偵測，

網路中的每一個單元或節點才可與鄰近的

單元或基地台溝通，或與外部網路、雲端

資料中心連接而取得外界訊息。

在無線感測器網路系統中，無線接收

器與發射器就占了總體功耗的 90％以上，相對於整個物聯網裝置的功耗，無線通訊

的功耗占顯著的比率，成為技術上最大的

瓶頸。因此，超低功耗的無線電收發器是

實現無遠弗屆的物聯網的關鍵技術。

幾乎所有無線感測器都以降低工作周

期的方式來達到省電的目的。降低工作周

期，可以想像成調整感測器實際上工的時

能源自主無線感測網路應用情境圖

戶外太陽能板

室內太陽能板

無線感測節點裝置

免電池遙控器1.萬用型多頻道選擇2.不需電池，環保又省錢3.小尺寸太陽能面板續電

儲能設備 &電源管理 獵能器

光能

環境自主發電無線感測節點

感應器微處理器無線收發器

溫度、溼度、壓力等

30 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

間，如果感測器每操作 1分鐘就休息 9分

鐘，我們稱這樣的工作周期是 10％，理想

上，在同樣的電能供應下，待機的時間就

可以增長 10倍。降低感測器工作周期的意

義，是只在少數時間激發無線電收發器，

僅在需要的時候發送必要數據，因為大部

分感測器需要傳遞的數據量並不高，因此

無線感測器多數時間（甚至可高於 99％以

上）處在休眠狀態，大幅降低平均功耗。

對於發射器而言，降低工作周期是一

個非常有效的節省電能的方法，但對於需

要隨時保持待命狀態的接收器，卻不能用

同樣的方法節能。因為一旦發射器發送訊

息而接收器卻在休眠，就會造成數據傳輸

的失敗。因此，低工作周期的無線通訊需

要克服發射器和接收器在同步工作上的挑

戰，確保它們在同一個時間「醒來」執行

功能。

同步的方法之一就是提供一個標準時

間給它們對時。安置一個網路共用的標準

時鐘，讓每一個傳輸節點內建的計時器跟

標準時鐘對時，然後由計時器定時把無線

電收發器喚醒來操作。但缺點是，經常性

的對時動作會消耗相當大的電力，而且在

降低工作周期的無線電收發器同步方式

節點 1數據收發器

節點 2數據收發器

天線

計時器

啟動訊號

數據輸出

發射器啟動接收器啟動

節點 1（數據發射端）

節點 2（數據接收端） 接收端

通道監控

啟動時間

數據發射需求

發射端通道監控

接收準備確認 數據

傳輸

接收完成確認

啟動周期時間

沒有任何通訊需求時把收發器喚醒，更會

造成不必要的能源耗費。

另一個方法是需求導向的通訊協定，

也就是收到通訊請求才啟動接受器的通訊

協定。由發射器持續發出前導信號，指示

數據傳輸的需求，而接收器只需要定期地

啟動以監控通訊通道來接收這通訊請求。

這個方法的好處是不要求時間同步、不需

要網路連絡共用的標準時鐘，缺點是會造

成網路通訊的延遲，延遲的時間與接收器

監測的時間成反比。換句話說，低延遲意

味著接收器必須更頻繁地探測、接收時間

加長、發射器應該重複多次請求，以保證

發送與接收能夠接軌。因此這個方法是一

個功耗與時間延遲的權衡選擇。

最近的技術發展是使用一個額外的輔

助接收器，稱為喚醒接收器，可以克服上

述方式中進退兩難的困境。喚醒接收器具

有非常低的功耗，能夠持續監聽通訊網路

中的請求訊號。每當發射單元發送出一個

通訊請求時，喚醒接收器檢測到這一個訊

號就喚醒在休眠中的數據接收器，讓接收

器開始執行接收數據的功能。這樣一個透

過喚醒的通訊協定，不再需要在時間同步

31科學發展 2016年 11月│ 527期

上消耗電力，還能顯著地減少延遲，打破

了在功耗和時間延遲之間的權衡，真正實

現了超低功耗無線通訊。

由於這個喚醒接收器需要的功能較

數據接收器簡單，先進的喚醒接收器功耗

甚至小於原本數據接收器的百分之一，在

沒有通訊要求時，無線感測節點中大部分

的電路會進入睡眠狀態，大幅降低平均功

耗，僅留下喚醒接收器和環境獵能器持續

獵取能源，實驗上已經可以達到無限長的

待機時間。

超低功耗無線感測是一個技術上尚有

重重困難、但應用潛力無限廣大的領域，

因此激發了無數的科學家與工程師源源不

絕的努力和創造力，在各種軟硬體的面向

上突破現有技術的瓶頸，為逐步建構中的物

聯網開啟了新的可能性與發展領域。未來的

利用喚醒接收器的無線電收發器同步方式

節點 1數據收發器

天線

節點 2數據收發器

喚醒訊號

喚醒接收器

數據輸出

發射器啟動

接收器啟動

喚醒接收器啟動

節點 1（數據發射端）

節點 2（喚醒接收器）

節點 2（數據接收端）

數據發射需求

接收端通道監控

啟動數據接收器

接收準備確認

數據傳輸

接收完成確認

接收端通道監控

時間

應用可包括短距離機器對機器、無線個人

區域網路和無線近身通訊中的醫療感測器，

以及針對新興感測和自動化市場的其他需

求。這類無線電應用將不需使用資料密集

的連續通訊方式，改採用低工作周期傳輸

模式，同時採用更小儲能裝置和獵能設備

的可替代能源方案，以期達到能源自主、

永續操作的目標。

鄭光偉成功大學電機工程學系

邱怡禎久光企業有限公司

專題報導

32 科學發展 2016年 11月│ 527期

奈米是 21世紀科技產業最流行的詞彙，日常生活中也時常聽到它，但奈米到

底是什麼呢？奈米是非常小的尺度單位，

長度是十億分之一公尺（10−9 公尺）。這長度遠小於人類視覺能觀察的範圍，但在日

常生活中卻隨處可看到奈米現象，像是蓮

花出淤泥而不染、蝴蝶翅膀光子晶體的繽

紛色彩，以及壁虎腳掌上有數百萬根剛毛

使其在牆壁上行走自如。

在人類歷史上，從蒸氣機的發明、電

氣化到電子計算機，已經歷了 3次產業革命，21世紀奈米科技的發展將帶領人類進入第 4次產業革命。

何謂奈米材料

隨著科技的日新月異，人們對材料微小化的需求日漸升高，其應用範圍已經從原本的微

米（10−6 公尺）進入到奈米時代。奈米材料簡單來說，就是指大小在 1∼ 100奈米之間的微小物體，而更精確的定義是物

體的長、寬、高 3個維度中，只要有任一維度小至奈米尺寸，就稱這材料是奈米材料。奈米材料依維度可區分為零維、一維和二維。零維奈米材料是指長、寬、高 3個維度都

在奈米尺度內，在這空間中電子會受限而無法自由移動，例如量子點、分子團、奈米粒子等。

一維奈米材料是指長、寬、高 3個維度中有 2個都是奈米尺度，形狀是長條狀，這時電子僅

現今市面上許多奈米產品是否有正面效益，還需時間觀察；

但不可否認的是它們已經影響深遠，而奈米世代將開啟人類的微觀文明。

盧達生、江孟學、高國興

奈米科技開啟微觀文明

隨著科技的日新月異，人們對材料微小化的需求

日漸升高，其應用範圍已經從原本的微米（10−6

公

尺）進入到奈米時代。（圖片來源：種子發）

33科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

能在不是奈米尺度的空間中自由活動，例

如奈米絲、奈米棒、奈米管、奈米帶等。

二維奈米材料則是指長、寬、高 3個維度中僅有 1個在奈米尺度的範圍內，形狀是平面，電子在不是奈米尺度的二維空

間中自由活動，意即電子可於平面中自由

活動，例如奈米薄膜、超晶格、石墨烯、

過渡金屬硫族化合物等。

零維奈米材料

零維奈米材料像是奈米粒子、分子團

（如碳 60）與量子點，都是一種由少量原子或分子聚集且尺寸在 1∼ 100奈米之內的點狀物，其物理性質須由微觀的量子物

理所解釋。以量子點為例，電子容易被量

子點局限在點內（即零維空間），如同電子

深陷於洞中不得而出，因此量子局限效應

特別顯著。

量子點的用途相當廣泛，例如藍光雷

射，量子點直徑越小，激發後的光波長越

小（偏藍），藉由控制量子點大小可發出藍、

綠、紅 3種顏色的光。如果能夠混合不同直徑的量子點材料，甚至可以製造出類似

太陽光、自然光那種連續光譜的光，在醫

療上可以成為生物檢測用的奈米條碼。量

子點也可用來長期觀測細胞，追蹤特定蛋

白質在細胞內的活動情形，有助於細胞死

亡的研究。

一維奈米材料

一維奈米材料自 1991年日本物理學家飯島澄男發現奈米碳管以來，一直不斷有新

的材料開發出來。奈米碳管是由碳原子組合

而成的中空管狀物，直徑約為數奈米至數十

奈米。奈米碳管可以製成透明導電的薄膜，

用以代替氧化銦錫做為觸控螢幕的材料。

矽奈米線也是一維的奈米材料，由於

擁有高的長寬比與大的體表面積比，因此

有助於能量的傳輸與增加感測面積。近年

來，已廣泛應用於場發射元件、太陽能電

池、氣體感測器、熱電元件等。

二維奈米材料

2004年，英國曼徹斯特大學科學家安德魯‧蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁‧諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）首度成功以機械剝離法製造出石墨烯。石墨烯本

身是一個二維結晶體且有許多優異的特性，

例如電子在石墨烯中的移動比一般狀態下

迅速，可能因其特殊的能帶結構使其電子

和電洞的有效質量都等於零。此外，石墨

烯還具有高電導率、高機械強度、彎曲性、

高光穿透率等特性，使石墨烯在電子、光

電等領域有相當大的應用潛力。

未來愈做愈小的元件必須在室溫下具

有高載子遷移率（> 105 cm2／V s）與高電流密度（> 109 A／cm2），石墨烯將可成為

低耗能與前瞻性材料的選擇。石墨烯雖然

有以上許多優點，但很可惜缺少能隙，以

至於無法有效使用在場效電晶體領域。

另一個二維材料二硫化鉬因其結構與

半導體的電特性，使它成為電晶體的理想

材料。二硫化鉬是過渡金屬硫族化合物材

料中最常見的，僅 3個原子層厚。單層的二硫化鉬是具有直接能隙（1.8 eV）的半導體材料，可由塊材剝離或由化學氣相沉積

在人類歷史上，從蒸氣機的發明、電氣化到電子計算機，已經歷了3次產業革命，21世紀奈米科技的發展將帶領人類進入第4次產業革命。

34 科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

製備。而多層的二硫化鉬塊材是具有間接

能隙（1.2 eV）的半導體材料。有別於石墨烯，二硫化鉬具有能隙，且

能隙的大小可藉由材料的層數（或厚度）調

控於 1.2∼ 1.8 eV的範圍。這材料可彎曲，且化學與熱穩定性高，表面並沒有裸露的不

飽和鍵，是在室溫大氣中可穩定存在的材料。

二硫化鉬電晶體體積僅相當於傳統矽

電晶體的三分之一，且相較於非晶矽電晶

體有較大的開關電流密度，有穩定的電子

傳導能力，被視為未來更小元件傳導通道

材料來源之一。

奈米科技的實際應用相當廣泛，包括半

導體晶片製程、噴墨式印表機的精密噴頭、

偵測手機移動的奈米陀螺儀、液晶顯示器、

數位照相機屏幕、數位投影機等。以下以半

導體界的最新發明「鰭式電晶體」與「極端

紫外光微影技術」做為奈米科技的應用實例。

鰭式電晶體

電子產品中的晶片（IC或積體電路）可說是奈米科技目前在人類生活中最普遍的應

用，電晶體則是 IC中最基本的開關元件。今日全世界每年生產的電晶體數目約為1020顆， 平均每人每年大約使用到 100億顆電晶體，遍布在個人電腦、智慧型手機、隨身碟、汽

車用微電腦、銀行提款機等處。

電晶體做為電流的開關，如同水閘控制

水的流動，電晶體閘極的電壓用於控制電流

的流通。半個世紀以來，晶片中的電晶體數

目愈來愈多，因此電晶體愈做愈小，閘極的

長度愈來愈短，但閘極長度的縮短將增加電

控制的困難。換言之，閘極關閉（低電壓）

時，電流並未完全停止，尚有漏電流。

漏電流對晶片的耗電有很大影響。今

日手機的核心晶片大約有 10億顆電晶體，即使一個電晶體只漏電 10奈安培，加起來就有 10安培。假設手機電池的電量是1,000毫安培‧小時，則充電 1次僅能使用6分鐘，漏電流所造成的影響不容忽視。

傳統上，半導體業界使用的都是平面

電晶體，由上方控制，不易擋住電流，電

流會從通道離閘極較遠的下方流過。2000年，美國加州大學柏克萊校區教授也是中

央研究院院士的胡正明提出鰭式電晶體的

概念，即把電晶體通道做成魚鰭形狀，閘

極由三面包夾，把漏電流控制得非常小。

2011年，英特爾首先在其 22奈米製程技術中使用鰭式電晶體量產最新的微處理器，

而台積電、聯電及三星也隨後跟進。

鰭式電晶體利用閘極三面包夾通道可

大幅改進漏電現象，更理想的是把電晶體的

通道做成圓柱型四面包夾，對漏電的控制是

最好的。在圓形通道中流動的電流，如同在

水管中流動的水，要完全關閉是相當容易

的。因此，未來電晶體有可能是奈米管的結

構。IBM的研發部門早已實驗證實奈米管對漏電流控制極佳的特性。然而，利用半導

體製程做出包住奈米管的閘極是較困難的技

術，目前尚在研發階段，未實際量產。

極端紫外光微影技術

傳統照相技術是利用光學原理把底片

的圖形曝光投影於相紙上，再利用顯影技

電子產品中的晶片（IC或積體電路）可說是奈米科技目前在人類生活中最普遍的應用。

35科學發展 2016年 11月│ 527期

術沖洗相片。這種技術也可用在奈米製程

中，利用光學原理把電路布局圖縮小並投

影在晶圓上，再顯影刻出實際圖形，稱為

微影技術。微影技術應用在半導體製程中

能夠非常快速刻出圖案，是所有大規模量

產的最佳選擇。奈米晶片中寬度比人類頭

髮直徑（約 2萬奈米）微小數百倍的電晶體閘極，就是利用微影技術刻出的。

然而，當閘極寬度縮小至數十奈米時，

就遇到了瓶頸。曝光用的光波長大於投影

影像本身時，會有物理學中著名的干涉現

象。干涉造成圖案形狀的改變，例如原電

路布局圖上長方形的圖案，投影在晶圓上

成了橢圓，因而影響晶片的工作。人類可

見的紅光、藍光等，其波長約為 400∼ 700奈米，而今日半導體業界為了刻出極小的

圖案，微影製程使用的雷射光源波長已減

小到 193奈米。但當電晶體閘極寬度縮小至 65奈米左

右時，卻發現小於 193奈米波長的光學微影技術相當困難，因此開始把晶圓泡在水中進

行微影，這就是液浸微影技術。由於水的折

射率高，193奈米的光由空氣進入水中，其波長會再度降低，有利微影圖案的真實性。

不過，今日電晶體閘極已縮小至 20奈米左右，比 193奈米小了約 10倍，電路布局圖案印到晶圓上產生非常嚴重的扭曲現

象。為解決這問題，便研究利用接近 X光波長的極端紫外光來微影，使用的是波長 13奈米的紫外光，而能大幅改進微影圖案的

品質。

極端紫外光技術能印出極精細高品質

的奈米級圖形，但曝光速度沒有傳統微影

技術快。極端紫外光技術利用雷射光照射

真空中熔化的金屬錫，其散射出的光波恰

奈米級電晶體的演進：平面電晶體、鰭式電晶體、

奈米管電晶體

閘極（Gate）

閘極（Gate）

閘極（Gate）

通道（channel）

鰭（fin）

奈米管（nanowire）

好是 13奈米。而這種方式產生的光的強度

十分微弱，因此曝光時間較傳統微影長，

對量產不利。此外，由於 13奈米的紫外光

波長極短，容易被玻璃透鏡吸收，曝光機

台必須使用特殊鍍膜的反射鏡組取代傳統

的玻璃透鏡組，因而曝光機價格非常昂貴，

目前 1台約為 1億美元。

影響人類生活深遠

科技發展突飛猛進，20世紀末奈米的

發現帶動各產業的進步，各國奈米專家也

致力研發新產品，使得奈米時代來臨。

現今，市面上已有許多奈米產品，除

了電子業外，在食品業、化妝品業及紡織

業中也都占有一席之地。許多產品是否有

正面效益還需要時間觀察，但不可否認的

是奈米對人類的生活已經影響深遠，奈米

世代將開啟人類的微觀文明。

盧達生、江孟學、高國興成功大學電機系

專題報導

36 科學發展 2016年 11月│ 527期

蔣榮先、陳彥霖

智慧型手機是一種極為個人化的行動裝置，在手機上追蹤使用者的情緒，

能即時察覺到自身的狀況，適時脫離負面情緒，

很適合做為個人憂鬱傾向的追蹤平台。

現代人生活壓力大，很多人罹患了憂

鬱症卻仍不自知。長時間的抑鬱如悲傷、憂

鬱、焦慮、疲憊、喜怒無常等，甚至是身體

功能失調、食欲減退、睡眠紊亂，都可能是

憂鬱症的前兆。惟大多數人對憂鬱症的了解

不深，認為這些毛病只是心情不好，不需理

會它，過段時間自然就會改善而不需治療。

其實，憂鬱症的成因包含遺傳、心理、

社會、環境等因素，並且有很高的復發率。

憂鬱症患者中每 100名約有 50人會復發，其中 35人可能面臨第三次復發，甚至有 32人會第四次復發。根據世界衛生組織預估，

到西元 2020年全球十大疾病與傷害中，憂鬱症將名列第二。

遠離憂鬱 ─ 以智慧型手機察覺負面情緒

憂鬱情緒

Depression

倘若未能適時紓解憂鬱情緒，不僅影響生活品質，甚至會造成周遭親友的困擾。

37科學發展 2016年 11月│ 527期

現代人在長期的壓力累積下，對於負

面情緒的察覺力越來越低。若能有機制提

升自我的察覺力，就可即時提醒當事人於

挫折時進行紓壓、平復情緒，如此將有助

於避免憂鬱情緒的長時間累積。

憂鬱情緒與憂鬱傾向

根據調查，平均每四個人中就有一人

可能有憂鬱傾向而需要專業協助。Science Daily的報導也指出，憂鬱情緒會影響工作效率，甚至生活品質。由此可知，即使沒

有嚴重到確診為憂鬱症，憂鬱情緒也已經

干擾到日常生活。

但憂鬱情緒等於憂鬱症嗎？其實兩者

並不同。前者是每個人都會有的壓力反應，

當我們遇到不順心、難過的事件時，會感

到挫折、情緒低落，惟事件過後雨過天晴，

憂鬱情緒便會慢慢好轉。然而憂鬱症，即

使是事件過後，負面情緒仍難以平復，對

原本喜歡的東西會失去興趣且持續很長一

段時間，甚至出現生理劇變及心理的障礙，

對個人生活造成重大的干擾及傷害。

倘若未能適時紓解憂鬱情緒，不僅

影響生活品質，甚至會造成周遭親友的困

擾。若想避免惡化至這地步，自我追蹤與

自我覺察是非常有效的方式。心理學有一

種「生態瞬時評估法（ecological momentary assessment）」的憂鬱症療法，就是使用這概念，它透過收集使用者當前的狀態、徵

狀與心境，據以判斷使用者的情緒感知並

給予適當的協助。

大多數人對憂鬱症的了解不深，認為這些毛病只是心情不好，不需理會它，過段時間自然就會改善而不需治療。

與生活貼近的 APP 程式

現代社會中，不管是街邊、列車上或

其他公共場合裡，常可見到人們拿著智慧

型手機當「低頭族」，沉迷於螢幕另一端

的世界。實際上，過度或不適當使用社群

網路與手機的人，普遍對於外界的感受度

較低，較易產生孤立感，也較容易有憂鬱

傾向。

當人對手機的依賴性日益升高時，從

手機操作中可一定程度地反映出人的心情

及感受，也因此近年來出現了不少分析手

機使用者情緒狀態的研究議題。早期的研

APP程式範例

38 科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

究多以手機基本功能來分析，例如通話、

簡訊等，只有少數研究是透過使用者對手

機螢幕的點擊或拖曳動作來判斷使用者的

情緒。於今，智慧型手機除了有基本的手

機功能外，APP程式也是一個重要的窗口。若能針對使用者在手機上操作的 APP特性做分析，應能更有效地評估使用者的情緒

狀態。

智慧型手機市場已出現許多情緒標記

的 APP程式，可幫助使用者了解自我的心理狀況，可見情緒相關議題已受到手機程

式開發者的重視。以歐盟MONARCA計畫為例，可利用智慧型裝置進行躁鬱症病患

每日的自我追蹤，記錄心情、睡眠時間、

酒精攝取量等。此外，智慧型裝置也會自

動收集使用者的講話頻率、通話紀錄以及

活動量，再透過這些資訊持續追蹤患者的

心理狀態，當發現異常時，專案護士就會

即時介入；微軟公司的MoodScope則使用智慧型手機上的 APP操作紀錄來推估使用者的情緒。

另外，有許多研究利用額外的感測裝

置連接到智慧型手機，藉著長時間蒐集使用

者的生理資料，例如心率變異度（heart rate variability, HRV），研究焦慮症、憂鬱症與心臟血管疾病之間的關係。以焦慮症來說，

HRV的降低意味著副交感神經調控的減少，便是自律神經系統失去調控彈性。目前已

知憂鬱症患者的 HRV值普遍偏低，即 LF％（low frequency）、LF／HF（代表自律神經活性平衡）比值都有偏高的現象。

情緒紀錄

感受量尺

最焦慮激動

最平靜放鬆

焦慮

我現在感到平靜、安詳、放鬆；

或者，我現在感到焦慮、激動、不安

確定

點此聽語音 感受量尺

確定

點此聽語音

最糟最難過

正常很普通

心情

我的心情是正常，普通的，

或者我感到憂愁，難過？

智慧型手機的憂鬱傾向早期偵測系統可提供自動辨識情緒及推薦即時紓壓活動，以提升使用者對負面情緒的自我覺察能力。

一般的情緒追蹤方式都需外接訊號儀

器，這方式若應用在手機上，會有電池續

航力以及外接儀器對使用者生活介入的困

擾。因此目前相關的 APP都是以使用者自

行標記的方式追蹤，但這又造成了資訊遺

漏與資訊正確性的問題。

APP 與改善情緒

智慧型手機是否可以改善使用者的情

緒？答案是肯定的。國外的研究曾嘗試把

39科學發展 2016年 11月│ 527期

APP與情緒變化

傳統憂鬱症的療程移植到安卓（Android）應用程式中，讓憂鬱症病患試用，實驗證

明實作於智慧型手機平台的憂鬱症療程，

確實可有效改善憂鬱症患者的症狀。

微軟公司的MoodScope系統曾利用使用者對手機的操作紀錄，判斷使用者的心

情，證明了使用者的內心情緒的確會反應在

手機的操作上。另外，Mobilyze! APP透過手機內建感測器量得的資料，加上使用者定

時輸入的憂鬱情況資料，預測使用者憂鬱症

可能發生的時間。此外，近年來有關身心的

醫療技術以及心理學中的正念（Mindfulness）概念，也都著重於讓使用者了解自身的情緒

狀況，並加以引導治療或改善。

現今有許多研究致力於透過智慧型裝

置來判斷人的情緒，但情緒判斷後的動作

也相當重要，例如需適度提醒使用者或推

薦紓壓活動等。因此這研究的重點也在於：

當系統判定使用者確是情緒低落時，會以

引導式對話協助其舒緩情緒，並告知其近

況當作回饋，以提高使用者的自覺力。

成功大學智慧型資訊擷取實驗室研究

團隊與專業身心科醫師合作建立了一個 APP偵測系統，當系統自動辨識到使用者有負面

情緒，或預判使用者感受度降低時，會主動

反饋醫師所提供的引導建議，讓使用者察

覺自身狀況，並改善使用者的情緒感受。此

外，也會給予適當的紓壓活動與正念語句推

薦，藉以有效緩和使用者的情緒。

研究目標

這研究團隊在安卓智慧型手機上實作

了一個個人化的憂鬱傾向早期偵測系統，

可提供自動辨識情緒及推薦即時紓壓活動，

期以緩和使用者當下的負面情緒，並給予

適當的回饋，以提升使用者的自我覺察能

力。另透過使用者平時的標記資料，系統

也會學習使用者在不同感受下對手機 APP

的操作及活動特性。

當使用者開始有異常操作、感受下降

的前兆時，則利用專業身心科醫師提供的

建議，引導使用者進行放鬆訓練、紓壓活

動，以改善其負面情緒狀況。這方式能讓

使用者在前偵測模型訓練好以後，不一定

需要持續標記，系統也能評估使用者的感

受，以減少對使用者的介入，彌補遺失的

資訊更可達到無縫記錄追蹤的效果。

一般而言，量化情緒常用兩種系統：

第一種是普魯奇克（Plutchik）的情緒色盤

（Wheel of Emotions），第二種是環狀模型

（The Circumplex model）。前者定義了六

個基本情緒，認為人的一切情緒都由這六

個基本情緒組成，相關研究利用情緒在這

六種元素上的變換來比較不同情緒表現的

關係。後者則是建立一個二維空間，由正

負感受（valence）和強度（arousal）兩個

40 科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

向量組成，是相關研究中較常使用的方式，

其量表的特性、回歸的方法很適合分析兩

個向量的表現並加以分辨情緒。

另外，有一些研究額外設計了一維指

標，從完全沒有到極度嚴重，區分為 11等

份進行情緒記錄。經過一段時間後，研究

員會與情緒較平均值低的討論，並安排其

參加心理或精神科治療，以改善他們的情

緒，並幫助他們提升自我的覺察能力。

這個研究主要的流程如下：

首先請使用者填寫問卷，持續蒐集其

在手機上的操作紀錄、情緒標記，並記錄

該時間的環境因子、天氣等。達到一定的

資料量後，利用蒐集到的資料訓練出情緒

模型，再根據環境因子、操作行為等自動

辨識使用者的情緒。

最後，依照不同情緒程度進行引導式對

話，且在發現使用者有負面情緒時，根據系

普魯奇克的情緒色盤

統判斷的依據，告知他可能造成負面情緒的

原因，並推薦簡易的放鬆方式，藉以幫助其

穩定情緒，進而提升自我覺察能力。

建立情緒模型時，會參考使用者過去所

有的紀錄，因此可以隨著使用者操作資訊的

累積而不斷更新模型。此外，考量到每個人

的情緒會因為時間的過往而有所改變，因此

最近兩周的資料會給予較高的權重。

訓練方式是以感受量尺的標記時間點，

決定要取出哪一段區間內的活動紀錄當作

判斷或預測感受量尺的依據。區間決定後，

便會對區間內的資料做特徵值擷取以及篩

選，找出最能夠反映使用者感受的特徵集，

最後再利用這特徵集做預測模型的訓練。

環境因子

考慮到工作日與非工作日的心境、壓

力都不相同，操作行為與情緒之間的關聯

泰爾的二維情緒模型

ecstasy（狂喜）

admiration（渴慕）

terror（恐怖）

amazement（驚異）grief

（喪働）

loathing（反應）

rage（狂怒）

vigilance（警戒）

joy（快樂）

trust（信任）

fear（恐懼）

surprise（驚訝）

sadness（悲傷）

disgust（嫌惡）

anger（憤怒）

anticipation（期待）

serenity（恬靜）

acceptance（認命）

apprehension（擔心）

distraction（分心）

pensiveness（苦惱）

boredom（無聊）

annoyance（困惱）

interest（興趣）

love（愛）

submission（順服）

awe（畏怯）

disapproval（不喜歡）remorse（悔恨）

contempt（輕視）

aggressiveness（攻擊）

optimism（樂觀） Arousal（情緒激發）

（情緒價向）

（積極）

Relaxed（輕鬆）

Peaceful（平靜）

Sleepy

（困倦）

Bored（無聊）

Sad（傷心）

Angry（惱怒）

Annoying（惱人）

Nervous（緊張）

Calm（冷靜）

（low）（低落）

（negative）（消極）

（high）（高昂）

（positive）

Pleased（愉悅）

Valence1

43

2

Excited（興奮）

Happy（快樂）

41科學發展 2016年 11月│ 527期

也可能有差異，因此把紀錄區分開來以提

高精準度。此外，連續的雨天也可能造成

情緒低迷，因此這因子也當作特徵值引入

訓練模型。

根據心理醫生的說法，當一個人情緒

低落時，可能會在某些地方徘徊，或某些

特定地點會引起使用者的負面情緒，如不

好的回憶、逝去的事物等，因此把地點也

納入訓練模型的特徵值中。

情緒標記

多年來心理學學者對情緒的分類做了

相當多的研究，如普魯奇克提出情緒輪盤，

把人類的基本情緒分為八種：恐懼、生氣、

快樂、悲傷、感謝、厭惡、期待與驚訝。

情緒的分布則以「正負感受」及「強度」

來做區分。前者所表示的是情緒的強度，

手機操作行為與情緒關聯之研究流程圖

事前準備 資料蒐集 模型建立

預測情緒 舒緩情緒 資料回饋

Emotion Prediction

範圍高低從激動到冷靜；後者則表示情緒

的評價，範圍從正向到負向。不同的情緒

會依照強度評價來做標記。

這項研究採用了身心科醫師對於憂鬱

症狀評估的感受量尺，這感受量尺包括正

負感受及強度兩種，利用顏色視覺類比的

方式，讓使用者選擇目前符合自己感受的

刻度。

由於想捕捉的是持續時間較長的心情

狀態，而非短時間的情緒。相較於後者，

前者的心情狀態對於使用者的感受影響力

較大，也因此這項研究在設計上要求使用

者每 3小時為自己在這段時間內的感受做

一次標記，之後會以標記的時間為參考點

進行資料分析，一方面當使用這一段時間

的感受時，會以持續時間較長的心情為出

發點，這方法的好處是減少了系統對使用

者生活習慣介入的程度。

42 科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

專題報導

使用紀錄

這研究系統實作於安卓作業系統平台，

除了手機的基本功能外，在這系統的環境

中，手機的操作行為都離不開APP的使用，若能知道目前使用的 APP性質與目的，便能推知使用者的操作行為。APP程式最主要的來源是官方的 Google Play商城。在Google Play中，所有 APP都有一個標籤，因此利用這個標籤當作 APP的分類依據。

考慮到少數 APP並沒有出現在 Google Play上，例如使用者自行開發，或只發行在其他商城（例如中華電信HamiAPP商城）的 APP，系統會讓使用者依自己的使用習慣把 APP分到這些分類之下。同時，會依照使用者的習慣，把最常使用的 10個 APP做為特別的分類來參考。依操作時間記下

APP的使用紀錄，並從中擷取需要的資訊，例如 APP使用頻率、使用時間、最常使用的 APP等。

再舉個生動的例子，例如有個研究生

使用了我們的系統，他的使用紀錄出現以下

狀況：社群網站→遊戲→社群網站→圖書

與參考資源→社群網站→通訊軟體（Line）→圖書與參考資源⋯⋯社群網站頻繁且反

覆地出現，使我們辨識出他應是處於十分

焦慮的狀態。經實際詢問後，得知他因正

在準備報告，想專心卻又頻頻遇到瓶頸，

為了能放鬆心情，因此反覆地查看社群網

站，卻又因為報告的壓力而關閉社群網站

以重新準備，這等步驟一再地周而復始顯

示了他的焦慮。

許多有憂鬱傾向的人並不了解自己的

情況，他們以為自己只是情緒低落而已。

我們團隊運用了資訊科技透過使用者對手

機的操作行為，訓練出一種可預測情緒的

模型，並提供舒緩情緒的方法，以幫助使

用者適時脫離負面情緒。

蔣榮先、陳彥霖成功大學資訊工程學系

深度閱讀資料

Charanya, T., & Vijayalakshmi, R. (2015). Music emotion recognition using support vector machines and regression approach. International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, 4 (1), 117-121.

43科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

廣告

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

44

需以顯微鏡才可觀察到的單一細胞微

藻有很高的經濟價值。例如以微藻為原料，

把藻體中的脂質經轉酯處理可生產生質柴

油，經加氫處理可生產航空燃油；藻體的

醣類可經水解發酵後做成生質燃料和各類

化學品；藻體的蛋白質可做為飼料；藻體

中含有色素、藻膽蛋白等物質；藻株整體

也可經高溫高壓轉化處理和化工煉製以生

產燃料與化學品。

這種藻株完全利用的微藻精煉未來可取代部分以石油為原料的煉製，減緩石油消耗的速

率。再者，微藻利用二氧化碳做為自營性生長碳源，微藻燃料使用後再排出二氧化碳，這種

生質燃料碳中和的概念可提高能源使用的永續性。因此，如何進行微藻高值化已成為微藻發

展技術中相當重要的一環。

油脂的應用

生質柴油因有安全性高、便於貯存與運輸、可直接應用於現行的柴油引擎等優點，成為

近年來各國生質能源開發應用的主流。

生質柴油的原料可使用動物脂肪或植物油脂。常用的植物油包含大豆油、葵花油、椰子

油、棕櫚油、菜籽油、橄欖油等，但以這些植物油為原料，會發生與民爭食、與糧爭地的情形，

微藻中含有豐富的脂質、醣類化合物、蛋白質、色素等有用生物質，

在經過精煉高值化處理後，可生產生質燃料與各類化學品，

而得以減緩石油消耗速率及提高能源使用的永續性。

顏宏偉、翁堉翔、周金言、陳慶隆、鄭捷倫、陳俊延、林志生、張嘉修

微藻生物質的應用

藻株完全利用的微藻精煉未來可取代部分以石油為原料的煉製，減緩石油消耗的速率。

微藻生質柴油生產流程，第 1個途徑是先萃取出藻

油再轉酯化，第 2個途徑則是藻體收集乾燥後，就

直接以含油藻體為原料進行轉酯化。

微藻養殖 微藻收集 藻體乾燥 藻油萃取藻油

轉酯化生質柴油

微藻直接轉酯化

科學發展 2016年 11月│ 527期 45

微藻利用二氧化碳做為自營性生長碳源，微藻燃料使用後再排出二氧化碳，這種生質燃料碳中和的概念可提高能源使用的永續性。

造成糧食危機。一些低品質油品如廢食用

油就成為新一代的料源，但數量無法完全

滿足市場所需，各國乃致力於新生質柴油

原料的開發。

微藻因為具有下列優點而備受矚目：

可在海水中培養，大幅減少淡水資源的耗

費；可以工廠煙道氣為碳源培養，也可利

用含氮磷的廢水為營養源，符合減碳概念

且大幅降低養殖成本；不需要使用耕地養

殖，不會與糧食作物爭地；生長速率與單

位重量所含的熱值都遠高於其他能源作物；

能同時產出生物燃料的原料及其他高經濟

價值的產物；太陽能的利用率遠高於陸生

植物，單位耕作面積的藻油產量更遠大於

其他產油作物。

在可預見的化石能源匱乏年代，生質

柴油的發展是微藻精煉製程中最主要的議

題，如何獲得便宜且具有能源效益的微藻

生質柴油是關鍵所在。

碳水化合物的應用在眾多再生能源選項中，生質酒精是

最容易直接利用的生質能源，因其具有多

項特點，如傳統糖質與澱粉系統的酒精發

酵生產技術成熟、可立即添加於目前使用

石化汽油的內燃機系統、能降低二氧化碳

排放量與環保減廢。因此，生質酒精一直

是各國非常重視的再生能源之一。

至 2012年止，全球利用傳統糖質與澱粉為原料所得到的生質酒精約 820百萬公秉，估計 2020年將達 1,600百萬公秉以上。以傳統澱粉質為原料，最主要是美國的玉

米酒精，但其能源與減碳效益有限。至於

糖質原料主要是甘蔗與甜菜，巴西甘蔗酒

精是目前能源及減碳效益最高的。

然而，由於能源（主要是汽油）的需

求遠高於現有的糖質與澱粉原料所能提供

的酒精產量，在有限可耕地與目前的農業

微藻酒精製程示意圖

微藻培養系統

卡式循環

Calvin cycle

葉綠體Chloroplast

澱粉Starch

生物法水解

化學水解

水解糖化

葡萄糖Glucose

乙醇發酵系統

混合器Mixer

乙醇

CO2 CO2

CO2

CO2CO2

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

46

生產架構下，全球使用傳統原料生產的酒

精僅能替代部分的汽油。

近年來，第 3代微藻料源的發展使微藻酒精生產製程備受重視。微藻藻體的碳

水化合物主要來自細胞壁及葉綠體上的澱

粉，而微藻細胞壁的主要成分是纖維素，

不含木質素且鮮少半纖維素，由於微藻不

含木質素，不需像木質纖維素一樣進行前

處理就可水解糖化，因而可降低成本、減

少環境汙染與能源消耗。又由於微藻鮮少

半纖維素，以水解液進行酒精發酵，可避

免半纖維素發酵效率不彰的問題。

微藻酒精因料源微藻藻體來自環境中，

並藉由吸收二氧化碳光合作用所形成，且

能生生不息地循環使用，因此成為最受矚

目的替代能源之一。

色素類的應用

自古以來，藻類就是一種健康食品，

近年來的研究也證明了許多微藻的特殊生

物功效，其中又以色素類成分最受重視。

微藻含有許多色素，不僅只有為人熟知參

與光合作用的葉綠素，還有其他主要功能

在於提高光合作用效率的輔助色素，這些

色素類物質都具有高抗氧化能力，其中又

以葉黃素與蝦紅素最受矚目。

存在於人類視網膜上的葉黃素，主要

是吸收紫外線及輻射光源所產生的自由基，

若能維持足夠的葉黃素，就能降低對視網

膜的氧化傷害，預防白內障及黃斑部病變。

但葉黃素無法由人體自行合成，必須透過

飲食適當地補充。

微藻含有許多色素成分，這些色素類物質大都具有高抗氧化能力，其中又以葉黃素與蝦紅素最受矚目。

目前市售的葉黃素大多從金盞花的花

瓣萃取而得，但利用金盞花生產葉黃素有

氣候、土地面積等的限制。相較於金盞花，

微藻生長速度較快，且品質與產量有較高

的可預期性；培養所需要的土地面積小；

葉黃素的含量較高。因此，近年來使用微

藻生產葉黃素的研究逐漸增加。

生產蝦紅素的主要微藻種類是雨生紅

藻。相對於常見的抗氧化劑如維生素 E、Coenzyme Q10等，蝦紅素擁有極佳的抗氧化能力。雖然蝦紅素屬於天然類胡蘿蔔素

家族的一員，但不會轉換為維生素 A，且可以通過血腦障壁與視網膜以保護腦部中

微藻可做為水產餌料和家禽家畜飼料添加物

餌料生物食物來源

水產餌料

家禽飼料添加物

家畜飼料添加物

科學發展 2016年 11月│ 527期 47

樞神經。因此，近年來高產量蝦紅素的藻

類篩選與改善培養製程也頗受重視。

蛋白質與其他成分的應用

微藻的藻體中含有高量的蛋白質，如

某些小球藻株的蛋白質含量高達60％以上，且胺基酸種類多且含量豐富，比一般食物

更具有完整的胺基酸組成。加上微藻含有

脂質、維生素、微量元素等生物功效性物

質，營養價值很高，十分適合開發成水產

餌料和動物飼料添加劑 。常見的餌料生物有微藻、輪蟲、橈足

類及豐年蝦，微藻除了是某些魚蝦苗生長

必要的餌料外，其所含的ω−3多元不飽和脂肪酸如 EPA、DHA，對魚苗生長發育也有所助益，可增加幼魚的活動力與存活率。

而且，維生素 C是魚體中神經傳導的重要調控成分，微藻中的維生素 C可經由食物鏈累積於魚體中，增加魚體中維生素 C含量，加強神經傳導功能。微藻還可做為輪

蟲、橈足類、豐年蝦等餌料生物的食物，

強化餌料生物的營養成分，使幼魚攝食後

獲取豐富的營養。

微藻也可做為蝦貝類如牡蠣、鳳螺、

海水蝦、海膽、海參、九孔等的餌料使用，

且可解決水產生物幼苗於初期餵食時常見

的餌料大小和營養需求問題。

微藻中的色素也常用於水產生物的增

色，如餵食鮭魚富含類胡蘿蔔素（如蝦紅素）

的微藻後，魚肉色澤提升，增加了商業價值。

另外，微藻含有動物所必需的胺基酸

高達 8種，其中又以離胺酸是動物飼料中最重要的胺基酸添加物，對於畜牧產業中

的養豬業尤為重要，有助於增加豬隻日增

重與瘦肉率，有效提高豬隻的品質與產量。

再者，藉由飼料中微藻的添加，其中

的特定色素可使畜禽肌肉組織呈現更健康的

色澤、多醣成分如葡聚醣可提升免疫力以降

低動物致病率、ω−3多元不飽和脂肪酸與抗氧化物質可降低動物總膽固醇含量及肉品

儲存時的氧化速率。飼料中添加微藻可增加

公豬精子量和促進母豬乳汁分泌，增加幼豬

的存活率；微藻飼料添加物應用於蛋雞上，

可明顯增加蛋產量和重量；富含蝦紅素的微

藻添加於蛋雞飼料中，不僅能提高蛋黃的色

澤，也能生產富含蝦紅素的機能蛋，對精緻

化蛋雞產業有很大效益。

隨著民眾生活水準的提高及海洋漁業

的提供量逐漸減少，乾淨衛生的水產養殖

和畜牧飼養的產品需求與日俱增。目前，

微藻產業僅有小球藻和螺旋藻可大規模量

化生產，因此微藻在生物飼料的應用上，

未來有很大的發展空間。

台灣四面環海，具日照充足與溫度適

合微藻生長的條件，發展微藻工業有得天

獨厚的優勢。

顏宏偉東海大學化材系

翁堉翔、周金言 台灣中油股份有限公司綠能科技研究所環保科技組

陳慶隆、鄭捷倫、張嘉修成功大學化工系

陳俊延成功大學生物科技中心

林志生交通大學生物科技系

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

48

熱能傳遞及測溫原理

哺乳動物及鳥類藉由新陳代謝產生熱

能來維持恆定的體溫，但我們無法直接量

測這些熱能，而是透過測量物體表面的熱

能效應，即體溫表現，經過運算來得知。熱

能通常由高溫傳至低溫，傳遞方式主要有熱

傳導、熱對流和熱輻射三種。其中，熱輻射

不需任何介質便可傳遞熱能，而且物體溫度

只要大於絕對零度（攝氏 −273.15度）便會放射紅外線輻射。

如何量測物體的溫度呢？大致可區別為兩大類，一類是接觸式量測，主要依據熱傳導及

熱對流效應來量測溫度，如熱電偶溫度計和電阻式溫度計；另一類屬非接觸式量測，主要是

依據物體熱輻射效應來量測溫度，即紅外線熱像儀。紅外線熱像儀是以熱感型檢知器偵測受

人類肉眼或透過相機鏡頭在全黑暗環境中無法看見任何物體，但紅外線熱像儀卻可以。

紅外線熱像儀的視界與肉眼或相機鏡頭下的視界有何不同？

運用在野生哺乳動物的研究調查上又提供了哪些資訊？

張育誠、周政翰、毛祈鈞、鄭錫奇

熱成像視界 ─ 台灣野生哺乳動物的體溫表現

把肉眼不可見的紅外線輻射經過影像處理成為可視圖像，便能顯現受測物體的表面溫度。

利用紅外線熱像儀進行白鼻心（左）及台灣小鼯鼠

（右）測溫的實際作業情形。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 49

在動物研究上應用紅外線熱像儀的優點，除了不須直接碰觸動物外，在不干擾野生動物作息狀況下就可獲得牠們的體表溫度。

由於拍攝熱影像與物體的熱輻射相關，因此可在各種不同的光源條件下，甚至是全黑暗環境中拍攝、錄影並測溫。

測物體放射的紅外線輻射，並把它轉換成

電子訊號，然後經過運算得知溫度的數值，

再藉由影像處理後產生以不同顏色標示不

同溫度的熱成像。簡單說，是把肉眼不可見

的紅外線輻射經過影像處理成為可視圖像，

來顯現受測物體的表面溫度。

為求精確獲得溫度資訊，利用紅外線熱

像儀量測溫度時，需修正放射率、周邊環境

溫溼度、儀器與受測物距離等參數。在修正

的參數中，以物體放射率最為重要，它是物

質放射輻射能量的能力，介於 1與 0之間。以動物毛皮來說，放射率是 0.98，已知的不同材質物體放射率可查閱放射率表。

紅外線熱像儀

在動物研究上應用紅外線熱像儀的優

點，除了不須直接碰觸動物外，在不干擾

野生動物作息狀況下就可獲得牠們的體表

溫度。再者，不僅可獲得量測視野範圍內

整體的溫度分布，並且可獲得受測物體某

特定單點或數點的溫度資料。此外，由於

拍攝熱影像只與物體的熱輻射相關，因此

可在各種不同的光源條件下，甚至是全黑

暗環境中拍攝、錄影並測溫。

為了研究台灣野生哺乳動物各種行為

下的體溫表現，行政院農業委員會特有生

物研究保育中心（以下簡稱特生中心）於

2011年添購了一部紅外線熱像儀，它的基

本規格是：波段範圍 8∼ 14μm熱感型檢知器；鍺塗料鏡面光學標準鏡頭（視角是

24°）；解析度是 320×240，相當於每個熱影像畫面有 76,800個溫度數據；敏感度是攝氏 0.05度，也就是最小可區別的溫差是攝氏 0.05度；分析軟體是 InfReC Analyzer NS9500 Standard。

本文描述的受測哺乳動物除了台灣葉

鼻蝠是野外族群外，其餘種類都是特生中

心研究用的圈養個體，以及經由特生中心

野生動物急救站傷病救治後，經評估無法

野放的救傷個體。

紅外線熱成像視界

受測的台灣野生哺乳動物計有 10種：台灣黑熊、白鼻心、台灣野山羊、台灣山

羌、台灣獼猴、台灣小鼯鼠、彩蝠、台灣

長耳蝠、黃胸管鼻蝠、台灣葉鼻蝠。

台灣黑熊是台灣特有亞種，體長範圍

120∼ 150公分，肩高 60∼ 70公分，尾長20∼ 30公分，體重最重約 200公斤。紅外線熱像儀測量的台灣黑熊是靜坐的雌性成

體，測得體表最高溫攝氏 34.4度位於眼窩處。根據特生中心野生動物急救站健檢資

料，此個體在 2015年 4月 16日體檢時，當時量測的體溫（直腸溫）是攝氏 36.7度，其他圈養的台灣黑熊個體體溫（直腸溫）

範圍在攝氏 35.4∼ 37.5度之間，明顯比

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

50

紅外線熱成像體表最高溫的眼窩處（攝氏

34.4度）高。白鼻心是台灣特有亞種，成體體長約

50公分，尾長約 41公分，體重在 3.5∼5.0公斤之間。受測的白鼻心是靜坐休息的個體，性別不明，紅外線熱像儀測得體表

最高溫是位於眼窩處的攝氏 31.6度。根據吳永惠等人 1999年發表「台灣白鼻心例行性臨床檢查之參考值」以及特生中心野生動

物急救站資料，白鼻心的體溫（直腸溫）範

圍是攝氏 37.1∼ 40.7度，明顯高於紅外線熱成像體表最高溫的眼窩處（攝氏31.6度）。

台灣野山羊是台灣最大型的特有種哺

乳動物，不論雌雄的頭頂都長有一對洞角，

體長 80∼ 114公分，尾長約 6.5公分，體重 25∼ 35公斤。受測的台灣野山羊是救傷治癒後收容的雄性個體，牠的左後肢因受傷

僅存四分之三殘肢，平時活動時僅能用 3隻腳支撐身體前進，測量當時正在覓食。

測得體表溫度最高溫是眼窩處的攝氏

36.3度，並發現臉部耳朵和鼻吻部的溫度（至少達攝氏 33.5度以上）也較高，比較特別的是表面是死組織的洞角溫度也頗高

（約攝氏 33.5度上下）。根據余珍芳 2012年「協助運送大陸劉公島公園之長鬃山羊

生產協助與幼獸看護」報告資料，初生的

台灣野山羊仔羊體溫（直腸溫）是攝氏

38.8度，明顯高於紅外線熱成像體表最高溫眼窩處（攝氏 36.3度）。

台灣山羌是台灣特有亞種，是台灣最小

型的野生鹿科動物，雄性有一對鹿角，雌性

則無，體長40∼70公分，尾長5∼10公分，體重 8∼ 12公斤。受測個體有 3隻，分別是雌性成體、雄性成體和雌性亞成體。

台灣山羌生性緊張敏感，受測當時 3隻個體都呈活動警戒狀態。從紅外線熱成

像顯示體表溫度最高溫都在臉部的眼窩處，

台灣黑熊紅外線熱成像（左）及可見光影像（右），

體表最高溫度是攝氏 34.4度（點 a）。紅外線熱像

儀與受測動物距離約 2公尺，環境溫度是攝氏 18.1

度，溼度 76%，放射率修正為 0.98。

白鼻心紅外線熱成像（左）及可見光影像（右），

體表最高溫度是攝氏 31.6度（點 a）位於眼窩處。

紅外線熱像儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度

是攝氏 18.2度，溼度 71％，放射率修正為 0.98。

台灣野山羊紅外線熱成像（左）及可見光影像

（右），體表最高溫度是攝氏 36.3度（點 a）。紅

外線熱像儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是

攝氏 21.0度，溼度 63 ％，放射率修正為 0.98。

紅外線熱成像 可見光影像

紅外線熱成像 可見光影像

紅外線熱成像 可見光影像

34.4

36.3

31.6

℃

℃

℃

科學發展 2016年 11月│ 527期 51

但三者略有溫差，其中雄性成體體溫攝氏

38.1度最高，雌性成體體溫攝氏 38.0度次之，雌性亞成體攝氏 37.4度較低。根據特生中心野生動物急救站資料，雄性山羌的

體溫（直腸溫）是攝氏 38.2度，與紅外線熱成像體表最高溫眼窩處（攝氏 38.1度）相近。

台灣獼猴是台灣特有亞種，體長 36∼45公分，尾長 26∼ 46公分，體重 5∼ 12公斤。受測的台灣獼猴是正在樹上攀爬的

個體，性別不明。從紅外線熱成像中可知

體表最高溫攝氏 34.4度位於眼窩處。根據吳永惠 1997年發表「台灣獼猴與食蟹獼猴臨床資料之比較」以及特生中心野生動物

急救站資料，台灣獼猴體溫（直腸溫）範

圍是攝氏 37.2∼ 40.3度，明顯高於紅外線熱成像體表最高溫眼窩處（攝氏 34.4度）。

台灣小鼯鼠是台灣特有亞種，是台灣

最小型的鼯鼠（俗稱飛鼠），體長 17∼ 20公分，尾長約 17公分，體重約 200克。受測的台灣小鼯鼠是正在樹枝上休息的雄性

個體，從紅外線熱成像中可知體表最高溫

位於眼窩處的攝氏 35.7度，目前尚未有直腸溫度資料可供比較。

山羌紅外線熱成像（左）及可見光影像（右），3

個個體的體表溫度由高至低分別是雄性成體最高攝

氏 38.1度（點 a），雌性成體攝氏 38.0度（點 b）

次之、雌性亞成體攝氏 37.4度（點 c）最低。紅外

線熱像儀與受測動物距離約 3公尺，環境溫度是攝

氏 16.6度，溼度 87％，放射率修正為 0.98。

台灣獼猴紅外線熱成像（左）及可見光影像（右），

體表最高溫度是攝氏 34.4度（點 a）。紅外線熱像

儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是攝氏 18.3

度，溼度 77％，放射率修正為 0.98。

台灣獼猴直腸溫量測工作情形，以多功能生理監測

儀搭配溫度探頭進行直腸溫量測。

多功能生理監測儀

YSI-402J溫度探頭

紅外線熱成像 可見光影像

紅外線熱成像 可見光影像

台灣小鼯鼠紅外線熱成像（左）及可見光影像

（右），體表最高溫度是攝氏 35.7度（點 a）。紅

外線熱像儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是

攝氏 27.2度，溼度 62％，放射率修正為 0.98。

紅外線熱成像 可見光影像

38.038.137.4

34.4

35.7

℃

℃

℃

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

52

黃胸管鼻蝠是一種中型蝙蝠，是台灣

特有亞種，前臂長 3.7∼ 4.2公分，體長4.7∼ 4.9公分，尾長 4.1∼ 4.5公分，體重6.2∼ 11.3克。受測的黃胸管鼻蝠雖然是在樹枝上休息的個體（性別不明），但從紅外

線熱成像中可得知牠全身體表的溫度都很

高（紅色區域顯示約攝氏 30.7度上下），其中以鼻吻部的溫度攝氏 34.6度最高。目前沒有直腸溫度資料可供比較。

台灣長耳蝠是一種小型蝙蝠，是台灣

特有亞種，前臂長 3.7∼ 4.1 公分，體長3.8∼ 4.5公分，尾長 4.3∼ 5.4公分，體重5∼ 8克，牠的耳殼很大，長度幾乎與體長相當。受測的台灣長耳蝠雖然是在樹枝上

休息的個體（性別不明），但從紅外線熱成

像中可得知牠全身體表的溫度都很高（紅

色區域顯示約攝氏 30.3度上下），其中仍以眼窩處的溫度攝氏 35.4度最高。目前尚未有直腸溫度資料可供比較。

彩蝠也是一種小型蝙蝠，前臂長 3.0∼3.7公分，體長 3.8∼ 5.0公分，尾長 3.9∼4.9公分，體重 3.4∼ 6.8克。受測的彩蝠是正在樹枝上休息的個體（性別不明），從

紅外線熱成像中可知體表最高溫攝氏 29.1度位於眼窩處，但相對於上述的台灣長耳

蝠，這一隻彩蝠的最高溫顯然偏低，且全

身僅部分呈紅色（紅色區域顯示僅約攝氏

25.8度上下），應尚處於日休眠狀態。目前尚未有直腸溫度資料可供比較。

台灣葉鼻蝠是台灣食蟲性蝙蝠中體型

最大的物種，主要棲息在天然洞穴、廢棄

坑道、隧道等的人工建築內，是典型的穴

居性蝙蝠，棲息的群集通常是數十隻至數

百隻，偶可發現數千隻的群集。筆者選擇

南投縣中寮鄉（海拔約 300公尺）的台灣葉鼻蝠群集，約有六百多隻。

黃胸管鼻蝠紅外線熱成像（左）及可見光影像

（右），體表最高溫度是攝氏 34.6度（點 a）。紅

外線熱像儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是

攝氏 17.2度，放射率修正為 0.98。

台灣長耳蝠紅外線熱成像（左）及可見光影像

（右），體表最高溫度是攝氏 35.4度（點 a）。紅

外線熱像儀與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是

攝氏 17.2度，放射率修正為 0.98。

筆者在 2012年 6 月 14日下午 3點進入棲所（廢棄隧道）內，以紅外線熱像儀

進行蝙蝠個體體表溫度測量。由測得的紅

外線熱成像發現，絕大部分的蝙蝠個體呈

現綠色約攝氏 28度（體溫較低，是仍處於日休眠的個體），僅少數個體呈現紅色約

攝氏 32度（溫度較高，是逐漸自日休眠甦醒的個體）。紅外線熱像儀自動標定出溫

紅外線熱成像 可見光影像

35.4

℃

紅外線熱成像 可見光影像

34.6

℃

科學發展 2016年 11月│ 527期 53

度較高的前 20個個體（p1∼ p20），最高

溫者 p1的體溫是攝氏 34.30度，p2∼ p20

則是其餘 19個次高測溫點，20隻個體的平

均溫度是攝氏 31.77度。

透過紅外線熱像儀，初步獲得各個受

量測野生動物體表最高溫分別是：台灣黑

熊攝氏 34.4度、白鼻心攝氏 31.6度、台

灣野山羊攝氏 36.3度、台灣山羌攝氏 38.1

度、台灣獼猴攝氏 34.4度、台灣小鼯鼠攝

氏 35.7度、黃胸管鼻蝠攝氏 34.6度、台灣

長耳蝠攝氏 35.4度、彩蝠攝氏 29.1度和台

灣葉鼻蝠的攝氏 34.3度。

其中最高溫者是處於活動警戒狀態的

台灣山羌的攝氏 38.1度，而最低溫者是正

處於日休眠狀態的彩蝠的攝氏 29.1度，雖

然符合哺乳動物行為表現時的體表溫度呈

現，但不同種間的落差竟達到攝氏 9.0度。

而同樣是蝙蝠類，已甦醒個體（如黃胸管

鼻蝠、台灣長耳蝠）和正處於休眠狀態的

個體的體表溫度最大差距也達攝氏 6.3度。

另就紅外線熱成像資料的最高體表溫

度與文獻報告中的 5種哺乳動物（台灣黑

熊、白鼻心、台灣野山羊、台灣山羌、台

灣獼猴）的直腸溫度來看，除台灣山羌外，

其餘 4種體表溫度都明顯較直腸溫低，吻

合動物皮膚溫度低於體內核心溫度的通則。

此外，單位時間內可獲得個體較大範圍

的體溫表現或不同個體體溫表現，是紅外線

熱像儀測量動物體表溫度的優勢之一，可以

讓研究者在較短時間內較全面地了解動物全

身的體溫。這些體表溫度的資訊，以個體而

言可以做為可能病變徵兆的初步篩檢判斷依

據（如有無異常溫度點位或區塊），而以族

群而言，可運用於族群量的估算（如台灣葉

鼻蝠的棲息族群數量估算）。

彩蝠紅外線熱成像（左）及可見光影像（右），體

表最高溫度是攝氏 29.1度（點 a）。紅外線熱像儀

與受測動物距離約 1公尺，環境溫度是攝氏 15.6

度，溼度 83％，放射率修正為 0.98。

南投縣中寮鄉棲所台灣葉鼻蝠個體體表溫度，左是

紅外線熱成像資料，右是數位單眼相機拍攝照片。

熱成像資料 p1∼ p20是前 20個較高測溫點，後

接數字是該點溫度（單位：攝氏度）環境溫度是攝

氏 26.2度，放射率設定為 0.98。

紅外線熱成像技術自 1968年起就開始

運用在生物科學及生態學的研究上，近年來

由於技術提升，例如設備體積減小便於攜

帶、解析度增加提升測量精確度、設備價格

降低等，再加上可全面地了解個體、族群或

牠們所處棲地環境的各種溫度表現，以及能

即時獲得動物活動狀態下的動態溫度變化

等優點，增進了紅外線熱像儀運用於野外環

境中的調查研究或尋找隱棲動物的可行性。

紅外線熱成像 可見光影像

29.1

℃

紅外線熱成像 可見光影像

℃

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

54

目前在台灣，紅外線熱像儀主要應用

在國防軍事、消防救災、中西醫醫療診斷、

工廠高溫機械監控、海關檢疫、發燒篩檢

等方面，幾乎尚未運用於動物疾病偵測或

野生動物的生理、行為研究上。本文所描

述的嘗試試驗尚屬首見。

不過需要注意的是，不同材質的受測

物其放射率修正與否可能會影響測得的數

值表現（約占 52％），因此當比較不同物質的表面溫度時，應考量各項量測參數的影

響並予以修正，如哺乳動物的放射率應修

正為 0.98，紅磚牆材質則需修正為 0.93。此外，紅外線熱像儀與受測物間的量

測距離（理論上量測距離越遠，熱輻射耗

損會越多），和受測物所處環境溫溼度、

風速等微氣候因子也會影響測得的數值（約

占 18％），應詳加記錄並予以調整修正。如此一來，紅外線熱像儀探索發現的紅外線

視界能量表現及動物體表溫度數值會更為

精確。

未來，可透過紅外線熱像儀獲得更多

哺乳動物的生理資訊及體表溫度變化的資

料，以及做更廣泛的應用。

張育誠、周政翰、毛祈鈞、鄭錫奇行政院農業委員會特有生物研究保育中心

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 55

廣 告

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

56

鈧的自述

我「鈧」（Scandium）的化學符號是

Sc，本身是一種柔軟、銀白色的「過渡性

金屬」（transition metal）。

我「鈧」在地球上算是儲存量稀少的

元素，產量也很少，據估計在地殼中的含

量僅約為 0.0025％，相當於每一公噸的土

壤裡只含 25公克的我「鈧」。有趣的是，

我「鈧」卻在太陽和其他一些星球上含量

頗高。而我「鈧」的主要生產國有中國、

俄羅斯、烏克蘭等。

早在我「鈧」元素真正被發現的

十年前，俄國化學家門捷列夫（Dmitry

Ivanovich Mendeleyev, 1834−1907）在 1869

年發表的第一版化學元素周期表中，就注

意到元素性質在鈣（Ca）和鈦（Ti）之間

有一個空隙，於是預言應該還有一個未被發現且性質介於這二元素之間的未知元素。門捷列

夫把這一未知元素暫時命名為「似硼」（Eka-Boron），暫取名字為「Eb」，並預測出這個元

素的一些物理和化學性質。

不過這個預言就像放在漂流瓶中的信箋一樣，暫時被學術的汪洋大海淹沒了。

門捷列夫的預言在當時沒有得到人們的注意，直到在 19世紀晚期，世人對「稀土元素」

（rare earth elements）的研究開始成為一股熱潮。附帶一提的是，所謂「稀土元素」並不是

說這些元素真的很稀少，而是因為它們很難從地球土壤中提煉出來，且彼此間也很難分離開

來，因此稱為「稀土元素」。

我雖是個不起眼、用處不多的元素，

但在元素周期表歷史上的表現卻一直令人津津樂道。

蘇明德

鈧是一種柔軟、銀白色的金屬。

科學發展 2016年 11月│ 527期 57

在我「鈧」被發現的前一年，瑞士

的 馬 利 納 克（Jean Charles Galissard de Marignac, 1817−1894）從帶有玫瑰紅顏色的鉺土（Er2O3）裡，利用局部分解的方式得

1 2

3 4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1

2

3 4

5 6 7 8 9 10

11 12

13 14 15 16 17

18

20

21

Sc

鈧

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

37 38 39 47 48 49 50 51 52 53 54

55 5657-

7178 79 80 81 82 83 84 85 86

88

788

89-

103

門捷列夫當年發表的舊周期表

原先門捷列夫預測「似硼」（Eb）元素和後來真實發現的「鈧」（Sc）元素各種性質的比較。

Eb（似硼） Sc（鈧）

（1）原子量約為 44 （1）原子量約為 45.1

（2）密度約為 3.0 （2）密度約為 3.0

（3）是金屬，不揮發，不會用光譜分析方法發現 （3）是金屬，無揮發性

（4）形成鹼性氧化物 Eb2O3 （4）形成鹼性氧化物 Sc2O3

（5）高溫使水分解 （5）沸騰時使水分解

（6）Eb2O3不溶於水，密度約為 3.5 （6）Sc2O3不溶於水，密度是 3.864

（7）Eb2O3很難形成硫酸鹽 （7）Sc2O3形成複鹽 3K2SO4 • Sc2(SO4)3

到了一種不同於鉺土的白色氧化物，他把

這種氧化物命名為「鐿土」（Yb2O3）。

元素周期表

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

58

當時馬利納克手頭樣品沒有多少，就

建議手頭有充足「鉺土」的科學家多製備

一些鐿土，以研究它的性質。

這時瑞典的烏潑沙拉大學（Uppsala University）的尼爾森（Lars Frederik Nilson, 1840−1899）手頭上正好有鉺土的樣品，他就想按照馬利納克的方法把鉺土做進一步

的提煉，並精確測量「鉺」（Er）和「鐿」（Yb）的原子量（因為他這個時候正專注於精確測量稀土元素的物理與化學常數，

以期對元素周期律做出驗證）。當他經過

13次局部分解之後，得到了 3.5g純淨的鐿土。但是這時候奇怪的事情發生了，馬利

納克給出的「鐿」的原子量是 172.5，尼爾森得到的則只有 167.46。

在鈧被發現的前一年，瑞士的馬利納克從帶有玫瑰

紅顏色的鉺土裡，利用局部分解的方式得到了一種

不同於鉺土的白色氧化物，他把這種氧化物命名為

「鐿土」。

鉺土

克利夫從鉺土出發，把鉺土一再提煉後，再分出鐿

土和鈧土，又從剩餘物中找到了「鈥」（Ho）和

「銩」（Tm）兩個新的稀土元素做為副產物。最

後才進一步了解「鈧」的物理和化學性質。

尼爾森敏銳地意識到可能有其他的

元素魚目混珠在裡頭，才使得這個原子量

的測定值怪怪的。於是他把得到的鐿土又

用相同的流程繼續處理，最後只剩下十分

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 59

之一樣品時，測得的原子量更是掉到了

134.75，光譜中還發現了一些新的吸收光譜

線。尼爾森的判斷果然正確，因此也就獲

得了給新元素取名的權利，他用他的故鄉

「斯堪第納維亞」（Scandinavia）把「鈧」

命名為 Scandium。

1879年，他正式公布了自己的研究結

果，在他的論文中，還提到了鈧鹽和鈧土

（Sc2O3）的很多化學性質。不過在這篇論

文中，他沒有給出我「鈧」的精確原子量，

也還不確定我「鈧」在化學元素周期表中

的位置。

尼爾森的好友，也是同在烏潑撒拉大

學任教的克利夫（Per Teodor Cleve, 1840-

1905）剛好在一起做這個工作。他從鉺土

出發，把鉺土一再提煉後，再分出鐿土和

鈧土，又從剩餘物中找到了「鈥」（Ho）和

「銩」（Tm）兩個新的稀土元素做為副產物，

他最後才進一步了解我「鈧」的物理和化

學性質。

如此一來，門捷列夫放出的漂流瓶沉

睡了十年之後，終於被克利夫撈了起來，

他認識到我「鈧」元素正是十年前門捷列

夫預測的「似硼」元素。

在那個不但對於元素的電子層結構一

無所知（連電子都是 1899年才發現的），

甚至還有當時化學界權威如杜馬（Jean-

Baptiste André Dumas, 1800−1884）這樣的

化學家對原子論都持懷疑態度，能把一個

未發現元素的性質描述得如此精準，和後

來對我「鈧」元素的實驗觀測值吻合，於

是全世界科學家開始普遍接受門捷列夫的

化學周期表。

我「鈧」質量很輕，熔點很高（攝氏

1,541度）且耐腐蝕性強，適合做為飛機材

尼爾森用他的故鄉「斯堪第納維亞」（Scandinavia）

把「鈧」命名為 Scandium。

當年化學界權威如杜馬這樣的化學家對原子論都持

懷疑態度

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

60

料，因此引發航空工業的很大興趣。我純

「鈧」金屬直到 1937年才由電解熔化的「氯化鈧」（ScCl3）生產出來，最早期的一些

我「鈧」的銀白色樣品是專門為美國空軍

製造的。不幸的是，一旦我「鈧」暴露於

空氣中，顏色會逐漸變成淡黃色。

我「鈧」元素最常被人們使用於棒球

場或足球場照明的金屬鹵化燈中。所謂金

屬鹵化燈，就是在發光管內灌入含鈧－鈉

（Sc-Na）合金的物質，藉由放電可發出類似太陽光的光芒。這種燈比單純的鹵素燈

管還要亮，壽命也更長，耗電量大約只有

鹵素燈管的 50％，不論用於展示品、電影拍攝時的照明，或做為植物栽培用照明，

都獲得相當高的評價。

其實，我「鈧」元素本身幾乎沒有任

何商業用途，純元素的我「鈧」多半應用

在合金上。

由於我「鈧」密度（2.985 g／cm3）和

「鋁」密度（2.70 g／cm3）接近，因此最主

要用途是用在和鋁元素混合為鈧鋁合金。

如此一來，不僅可以增加合金的金屬強度，

還可降低合金晶粒的尺寸大小，進而縮小

面積及減輕重量。現在大約已經開發出十

多種的鈧鋁合金，在俄羅斯，其中一些應

用於航空上。在歐洲和美國，已評估把鈧

鋁合金用在飛機結構零件上，因為鈧鋁合

金具有高強度、重量輕的優點。這種鈧鋁

合金也已經運用在運動器材上，像是棒球

棒和壘球棒、自行車架、曲棍球棒，甚至

手槍和汽車的引擎！

鈧－鈉金屬鹵化燈。（圖片來源：種子發）

目前已在評估把鈧鋁合金用在飛機結構零件上，因為鈧鋁合金具有高強度、重量輕的優點。

鈧鋁合金的球棒（圖片來源：種子發）

我「鈧」也是「鐵」的優良添加劑，

少量的我「鈧」可顯著提高鑄鐵的強度和

硬度。另外，我「鈧」還可做為高溫鎢和

鉻合金的添加劑。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 61

氯化鈧

鈧－ 46是我「鈧」的同位素之一，在石油精煉中做為原子追蹤劑。它具有放射

性，半衰期是 83.8天，在原油精煉過程中加入鈧－ 46後，可通過放射性跟蹤、監視某些希望了解的石油組成，大幅地提高了

把原油分離成不同成分的效率。

至於我「鈧」對人體健康的影響，至

今仍不是很清楚。在這種情況下，通常會

建議人們小心處理我「鈧」元素及含有我

「鈧」元素的相關用品。

據估計，我「鈧」元素在電子儀器、

雷射研究和未來的燃料電池中很可能扮演

鈧鋁合金已使用在自行車車架上（圖片來源：種子

發）

重要的輔佐角色。當然，我「鈧」元素要

能夠長期發展及應用，還有賴於能夠穩定

地長期供應。相信我「鈧」的鼎盛時期會

在不久的將來出現。

蘇明德嘉義大學應用化學系

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

62

史前的洞穴壁畫

在人類早期的繪畫藝術中，野生動物是

最常見的題材之一，就像西班牙北部阿爾塔

米拉（Altamira）洞穴裡的史前壁畫中那頭

已經滅絕的草原野牛。在阿爾塔米拉長達 3

百公尺的曲折洞穴中，岩壁上可見各種野生

動物的形象，這些繪畫創作於舊石器時代，

至少有 1萬 4千年以上的歷史。筆者經常以

野生動物為創作主題，對於這一件作品特

別感到不可思議。從整體看，這隻野牛的

體態均衡，質量感表現很出色。另外動物

的四肢原本不容易畫，但畫中野牛關節、

蹄部的轉折處理得生動有力，手法相當老

練。史前的畫家僅以赭石、赤鐵礦、木炭

等簡單的材料徒手創作，然而除了色料深

淺變化外，畫者還匠心獨運，巧妙地利用

岩石紋理、起伏，讓我們彷彿看見野牛的肌肉屈張，充滿了生命力與藝術感染力。

石器時代的畫者對野生動物的了解來自生活，在當時野牛應該是重要的食物來源，也難

怪能把這壁畫詮釋得如此鮮活。然而，畫者創作的原動力是什麼？是宗教？或者單純是因原

野上漫遊的野生動物帶來感動呢？

以藝術強大的感染力啟發對美的領會，來改變現代人貪求天然資源的惡習，

轉而友善環境、保護生態，是所有生態藝術工作者共同的夢想。

陳一銘

師法自然 ─ 生物學殿堂中的繪者

阿爾塔米拉洞穴裡的史前壁畫—野牛。（圖片來源：

wikimedia commons, public domain）

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 63

早期的歐洲生物素描版畫

藝術的感染力曾經在自然史發展上產

生過一些不可思議的影響，歷史上最有名的

公案可能就是〈杜勒的犀牛〉了。在大航

海時代，西元 1515年夏季，一隻名為甘妲（Ganda）的亞洲獨角犀（印度犀）從印度西岸的葡萄牙領地出發，以船舶運載越過

非洲南端好望角，歷時 3個月抵達里斯本，做為禮物贈予葡萄牙國王曼紐一世（Manuel I of Portugal）。犀牛在當時的歐洲算是難得一見的奇珍異獸，果然在社會上引起了很

大的騷動。

當時在藝術上成就非凡的寫實版畫家

杜勒（Albert Durer）立即在同年為犀牛甘妲創作了木刻版畫，這件作品因受到大眾的

喜愛而印製、傳播，滿足人們想一探究竟的

好奇心。然而，從現實的眼光來看，版畫中

的犀牛卻是一隻奇幻莫名的生物。牠的身上

披覆怪異的鎧甲、鱗片，以及各式各樣的瘤

突、紋路與棘刺，其中最顯眼的就是後頸部

那一根螺旋狀硬角。原來，杜勒並沒有親眼

見過犀牛甘妲，而是根據一張由不知名的藝

術家所繪製的素描轉製而來。有趣的是，同

樣在 1515年，另外一位德國版畫家柏克麥爾（Hans Burgkmair）也製作了犀牛甘妲的木刻畫。儘管這件作品的真實性明顯優於

杜勒版本，卻無法得到公眾的認同，遠遠

不如杜勒版本那般普及。

犀牛甘妲隨後在同年冬季又被運往羅

馬，卻在航程中遭遇船難而溺斃，結束了

她在歐洲短暫的生涯。而〈杜勒的犀牛〉

沾水筆手稿至今仍完整保存在大英博物館，

如果我們稍忽略細節，遠觀來看這張筆稿，

就會發現畫中犀牛整體的比例、立體感、

質量感十分到位，並不突兀。杜勒所參考

〈杜勒的犀牛〉木刻版畫。（圖片來源：wikimedia

commons, public domain）

〈杜勒的犀牛〉沾水筆手稿。（圖片來源：

wikimedia commons, public domain）

柏克麥爾的犀牛甘妲木刻畫。（圖片來源：wikimedia

commons, public domain）

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

64

的那份素描早已佚失，不過從這裡可以想

見必然也有一定的水準。然而，當我們想

把一張素描轉製成可以大量印行的版畫時，

應該會面臨所謂「布線」的抉擇問題，也

就是必須從原畫的灰階或紛雜的線條中整

理、勾勒出明確的線條，確實「交代」這

個物件的形狀與細節，不能模稜兩可。於

是，筆者猜想在這個階段，由於沒有親眼

見到實體，杜勒也無法擺脫自身對異國奇

物的想像，而在畫中做了許多超乎自然的

演繹。

經過這些轉折，最終製成的版畫還是

無愧大師之名，線條流暢靈活，布局精巧，

而且整體視覺效果與細節也一如預期地強

化了。甚至，在杜勒的手稿中犀牛後頸上

的尖角原本並不是那麼明顯，現在也有意

或無意地被放大了一點。那麼回過頭來看

看柏克麥爾版本的犀牛。現在無從得知他

的創作參考依據為何，但是這兩個版本在

比例、姿態，以及一些細節上都非常相似，

只除了柏克麥爾版本幾乎少有失真之處。

例如，他忠實地描繪了犀牛喉頸部的皮膚

皺褶，這在杜勒的版本中竟然變成一片片

重疊的盾板。

柏克麥爾是否在里斯本親眼看過犀牛

甘妲？這兩位藝術家創作的依據資料是否

是同一份文件？或是根本杜勒就是參考柏

克麥爾的作品？如今已經無從追溯。總之，

〈杜勒的犀牛〉雖然謬誤不少，卻因為他

在藝術上的成功，使作品的形象更鮮活、

更有實體感與說服力。還有，可能是更符

合當時人們對異國珍稀事物的想像，因而

大為風行，且錯誤地影響了歐洲人對犀牛

的認知長達 2個世紀以上。非但如此，〈杜勒的犀牛〉在 17世

紀中葉清康熙間也出現在教士南懷仁

（Ferdinand Verbiest）所著《坤輿圖說》下卷的異物圖中，牠的名稱是「鼻角獸」。

書冊中的圖原樣十分劣拙，然而在近百年

之後，乾隆時期編繪《獸譜》時同樣以鼻

角獸之名再度收錄，成圖變得相當精緻，

依據的仍是杜勒的版本。儘管當時中國南

方仍有爪哇犀、蘇門犀分布，而且長年向

宮廷進貢犀角，只是以中原士大夫從不願

涉足「南蠻之地」的習性，對於所謂的鼻

角獸與犀牛，顯然已經沒有人能看出個所

以然了。

筆者依稀記得幼年時也曾經在某處看

過這張犀牛的圖像，剛好個人天生對野生

動物以及繪畫都有強烈的愛好，這張圖一

定在我潛意識中留下影響，以至於後來當

有機會接觸犀牛訊息時，還會產生「好像

還有一個奇異品種」的困惑。還好，現今

的生物畫早已遠離過去那種誌怪獵奇的誇

示手法，成為傳達知識的利器，也創造了

藝術上的價值。

近代生物學插圖

我們知道，一張好的插圖可以勝過千

言萬語，精確地建立科學家想要傳達的那種

穩固且可以重複驗證的比較基礎，這在物

種分類上的應用尤其重要。例如在蘇格蘭

亞馬遜王蓮（圖片來源：Wellcome Library, no.

26759i）

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 65

畫家費區（Walter Hood Fitch）於 1851年所繪的〈亞馬遜王蓮〉（Victoria amazonica）中，可以看到王蓮在分類上重要的特徵都

被清晰地表現出來，必要之處還加以解剖，

並巧妙地安排在同一個畫面上。

因 此 自 從 林 奈（Carolus Linnaeus）在 1758 年出版《自然系統》（Systema Naturae）第 10版，奠立分類學二名法的基礎，引領現代生物學蓬勃發展以來，插圖

一直因為這個優勢而在生物學的殿堂上占

有一席之地，甚至演進為一種傳統。時至

今日，都還可以在生物學相關的學術刊物

中見到這種精緻的古典工藝。

筆者曾於 2000年為一份昆蟲分類學報告繪製新種蜻蜓—Sarasaeschna promati—尾部末端的「尾毛」與腹部斑紋。像這種

使用在學術報告中的插圖，往往以簡約的

形制出現，常以單色墨線或針筆點畫的形

式來表達。這樣的繪圖形式在文獻的複製、

傳播上有很大的優勢，無論以手抄本的形

式、版畫或後來的晒圖、影印，都比較容

易維持原樣，不易失真。

野生物繪畫

雖然生物學插圖慢慢地以圖鑑、專書的

形式在出版上大放異彩，但是一直要到 19世紀末，野生物繪畫這種特別的藝術形式才

算真正成形。像是瑞典畫家利耶霍斯（Bruno Andreas Liljefors, 1860−1939）、蘇格蘭畫家索爾本（Archibald Thorburn, 1860−1935），在他們的作品裡，野生動、植物不再是畫面

的配角或只是畫家假借為隱喻想法的工具，

筆者所繪一種新種蜻蜓尾部末端的「尾毛」與腹部

斑紋。

而是真正以牠們的形象來代表野性的主體價

值，人類的世界反而退居其次或完全抹除。

為了彰顯這個價值，野生物繪畫幾乎

都是運用寫實的手法，傳承至今。當然藝

術的流派演進歧路紛紜，不能說野生物繪

畫就是起源自生物學插圖，但是筆者認為

這像是某種基因，長久以藝術的型態保存

在生物學的領域裡。就好像人類嚮往自然、

荒野的本性，從石器時代的洞窟畫創作以

來始終存在，因此生物畫的藝術性感染力

恰恰可以喚起這種共鳴。

野生物繪畫這一個特別的美術分支在

近代保育浪潮興起後，更被賦予一種喚醒生

態保育公眾意識的神聖任務。能不能藉由藝

野生物繪畫這一個特別的美術分支在近代保育浪潮興起後，更被賦予一種喚醒生態保育公眾意識的神聖任務。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

66

術強大的感染力啟發對美的領會，來改變現

代人貪求天然資源的惡習，轉而友善環境、

保護生態？這也是包含筆者在內的所有生態

藝術（Eco-art）工作者共同的夢想。近年數位科技快速發展，網路傳輸速

度與時俱進、無遠弗屆，影像、科學資料

的可及性大大提高，因此現代的野生物繪

畫者很少為參考資料缺乏而愁煩。不過，

面對同樣變得博識多聞的閱聽公眾，野生

物繪畫創作卻也因此必須有多方審慎的考

量。像是作品主體在生物學、解剖學上的

正確性，故事安排在生態學上的合理性，

乃至創作的過程不可逾越環境倫理，創作

的理念應有足夠依據，都面臨越來越多的

檢視，甚至挑戰，這在某些講求自由發想

的藝術領域或許是難以理解的。

然而如前面所說，以野生動、植物與

牠們的生存環境為畫，表現的正是野性的

主體價值，若不能合乎科學，無法在生物

學中立足，又該從何處汲取那種足以感動

人的生命力呢？野生物繪畫誠然就是一種

必須設限、謙卑學習的創作，然而在生物

學的殿堂中，生命繽紛多彩、變化萬千，

令人目不暇給。以自然為師，我們可以化

身野鳥飛翔於天際，或伴隨魚鱉優游於江

海，這正是生態藝術之所以引人入勝之處。

筆者從事野生物繪畫也有相當長的一

段時間，今則不揣淺陋，選取一些作品與

讀者分享，藉以說明野生物繪畫的創作特

色，談談畫的美感構成以及蘊含其中的生

物學內涵。

野生物繪畫的創作特色

繪畫中的科學性　〈灰喉山椒鳥與台

灣櫸〉這張畫創作於 1992年，兩隻鳥兒主要的參考資料是標本，台灣櫸則是依據實

物所繪，當然這兩個物種在生態上的共存、

互動，季節是否同步的影響都先納入考量。

當時還沒有數位攝影器材及網路，也

找不到清晰的灰喉山椒鳥飛行照，因此費

了很大的功夫設計草稿。首先要根據在野

外的觀察心得決定行為模式，也要對標本

〈灰喉山椒鳥與台灣櫸〉，水彩／50cm×65cm。

〈月下山徑〉，油畫／52cm×40cm。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 67

做先期素描，量測不同部位的真實數據以

計算相對比例；再藉由不同鳥種的飛行影

像資料與鳥類的基礎解剖學來揣摩、建構

雌鳥的姿態；最後也是最重要的就是除錯，

反覆比對後定稿，才正式上彩繪圖。

今天以鳥類專業以及網路上無數的數

位攝影圖像來比對，這兩隻灰喉山椒鳥的

動態與比例可能還是有些微失準（部分可

能源自標本製作後的變形），不過經過謹慎

構思與實物測量的結果當然偏差有限。有

趣的是，最終經營出來的畫面實體感有時

可以補償偏差，這就是一種藝術的感染力。

由於整個繪製的過程都遵循傳統步驟，使

得這張去背的水彩畫自然而然地帶著一種

古典的風格。

繪畫在生物學主題的表現力　儘管數

位攝影的影像表現力一直在快速地進步，

但是在營造一些特殊的情境或故事性時，

繪畫常常還是唯一的選項。雖然另一張〈月

下山徑〉算是隨興的習作，未臻完善，卻

很適合做為這樣的例子。

一隻在月光下溜過山徑的黃鼠狼，原

是在山區進行野生動物調查時的偶遇，但

那僅是微光下的瞬間，當時只能感應到一

點模糊的輪廓。筆者採用小幅的油畫，捨

去細節，藉遠景的藍色調來烘托夜的氛圍，

彷彿假借了夜行野生動物敏銳的感官，來

看這月光下的林間小徑。黃鼠狼躍奔的姿

態則是參考了一些過去留下的素描，仔細

考量這種動物的身形結構後模擬設計的。

在微光中奔跑的小動物，這樣的題材確實

也只有繪畫才能表現吧？

以繪畫再現微妙的情境　當我們嘗試

表現一個理想中的情境時，繪畫最大的優勢

就是可以去蕪存菁，並可做刻意的安排。以

〈清泉滲流〉這張畫來說，實景是山坳中一

個泉水滲出的碎石坡，植生覆蓋相當濃密，

長年濡溼，毛蕨十分茂密，地面則有許多層

次豐富、很美觀的地錢。筆者拍了一些照

片，但一如預期，參考照片看起來非常雜

亂，並沒有現場感受到的美感。

人的感官並非如照相機一般複製影像

而已，大腦會過濾環境中一些雜亂信息，

強調引起我們注意的事物，而在這畫面裡，

就是美的元素。這時在繪製過程中該如何

貼近當時真實的「感受」就變得非常微妙。

尤其弔詭的是，畫者還是得適當保留那種

「雜亂」的感覺，並不是單純強化主體，

或刪除多餘背景而已。因此，在這裡就可

能要借助一些繪圖技巧，諸如渲染或筆觸

的運用。

〈清泉滲流〉，壓克力彩／ 53cm×72cm。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

68

在這片以淺綠調子為主的環境裡，筆

者設計了兩隻深山竹雞在毛蕨的陰影下潛

行。先處理成深沉的色調，再刻意讓幾個

光斑投射在竹雞的身上，透過明暗與彩度

的對比，為已經融入背景的角色拉出焦點。

深山竹雞是在中景植物完成、大約全圖進

行到一半時才加入的，因為相對來說，筆

者對這些野鳥十分熟悉。另外由於整體光

源與色調已經大致底定，處理起來就比棲

地環境更駕輕就熟了。

來自野地的吸引力　攝影的真實性與

準確性無可取代，有著巨細靡遺的表現能

力；繪畫則是受到技法與較多的個人風格

的影響，可以得到生動、耐人尋味的效果。

野生物繪畫之所以能感動人心，自然也關

乎繪者對野生物的深入了解，這種了解通

常無法從資料閱讀得來，而是要走進野地

親身觀察體驗。

除了相機之外，一個畫家常用來擷取

訊息的利器就是寫生。畫家會因為個人的

觀察紀錄、印象、練習、試誤等原因而在

野地速寫或寫生，作品常常是逢機產生，

有時甚至帶著一點私密性的屬性，因而有

不可取代的價值。這種作品可以說是率真

的，彷彿帶領閱圖者親臨野地，回到那個

瞬間，因此具有獨特的吸引力，在近代的

野生物繪畫中越來越受到關注。

寫生作品的產生因地而制宜，像是〈野

外速寫〉圖中的短尾幽蟌是直接在野外觀

察繪製；烏心石則是撿拾落果，攜回畫室

藉人工照明繪成。相對於靜態的植物，野

鳥必須以速寫的方式作畫，作品裡鴛鴦是

透過望遠鏡觀察即時繪成，因此線條較為

潦草；花雀對人的警戒性不高，則是在肉

眼觀察下畫出素描，又由於其花紋繁複，

因此拍下相片，回到室內再修改上色。

從狂野的想像到理念的生成　在台北

生活了半個世紀，親眼看著它的自然環境

隨著都市發展一點一滴地消失，身為一個

骨子裡流著荒野血液的野生物繪畫者，不

〈野外速寫〉，鉛筆、水彩。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 69

〈蠻湮台北〉，壓克力彩／ 240cm×110cm。

免尋思，這樣的發展是否能有稍息之日？

過去的台北自然是何原貌？如今環境意識

已經萌芽，但是又能何去何從？

這是筆者創作〈蠻湮台北〉這張畫的

發想，起始於一個狂野的想像—500年前的台北盆地。筆者想構建出一個可以引領讀

者進入，可以探索、發現、思考的時空，

那應該就像是一個實境。因此這張畫是以

人站立的高度來規劃透視基準，然後根據

每個物件在畫中的立足點，計算出正確的

比例大小。這是個重要的步驟，因為對整

個畫面的穩定有決定性的影響。

筆者以繁複的筆法來強化濕地的豐饒；

運用倒影突破天空的反射，顯現藻荇縱橫

的水下世界，營造出深厚的地景層次。畫

裡時序入秋，早晨的陽光漸漸驅散遠方的

霧靄，茫茫大澤裡有一葉行舟的先住民，

藉以點明人類曾經也是這個伊甸園的一分

子，算來是畫裡想要傳達的理念核心。這

是一張尺寸很大的畫，安排復原了很多曾

經繁盛的生物，其中的故事以及營造出來

的生態意涵可能需要另以專文介紹，在這

裡就不多加論述了。

陳一銘行政院農業委員會林業試驗所森林保護組

科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

70

象山步道位在台北市區東緣，交通方

便，地理教學資源豐富，可做半日考察。

搭乘淡水信義線捷運到終點象山站，從 2號出口至中強公園東北隅觀賞台北樹蛙，

牠是台灣特有種蛙類，每年 10月到隔年 3月可尋聲觀察，夏天雖不見其蹤跡，但野

薑花盛開，花香撲鼻，也是一得。

從靈雲宮登山口拾級而上，左邊的一

線天步道與右邊的北星寶宮步道分叉，左

線位在象山北側山腰，較平緩；右線則在

山脊稜線，較陡峻。步道舖的花崗岩是外

來岩石，象山本地的地層在山腰是大寮層，

山頂是石底層，都屬中新世的砂頁岩互層。

走一線天步道，途經永春亭，往南可

遠眺三張犁山、福州山等山嘴。這區域原

是台北斷層崖，經過長年風霜的侵蝕，硬

者突出是山嘴，軟者則呈低窪，再經台北

湖的泥沙堆積而形成谷灣。如今山嘴處滿

披綠意，觀之宜然；反之，谷灣則遍布白

色樓房，人聲鼎沸，呈明顯的對比，令人

體會到地形對人類土地利用的影響。

步道旁斜坡的數棵大葉楠以板根支撐

其樹幹；而大寮層因差別風化造成砂岩突

天地悠悠，思古情生。

楊貴三、葉志杰

象山步道的自然地景

永春亭適合南眺三張犁、六張犁等谷灣地形。

北星寶宮步道，走在山脊稜線較為陡峻。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 71

突出的岩球似是地層受地下水淋溶的物質經沉澱凝

結所成的結核

厚層砂岩壁因解壓而剝落，露出氧化的橘色節理面。

出，頁岩凹入。厚層砂岩壁因解壓而剝落，

露出具條紋、受氧化的橘色節理面；未剝

落的岩面則長著白色的地衣與各色的苔蘚，

整個岩壁的色彩斑斕，宛如一幅畫。突出

的岩球似是地層受地下水淋溶的物質經沉

澱凝結所成的結核。

一線天是落岩塊之間的縫隙，長約 10

公尺，寬僅容 1人可通，頂部有 3塊較小

的岩塊卡住。旅人經過時，宜先查看有無

移位，因岩塊的移位是其崩塌的前兆，若

逢大地震、豪雨則有崩落之虞。岩面有些

風化窗組成蜂窩岩地形。

巨石公園因有數個巨大落岩塊散置其

斜坡處而名之，其中兩個落岩塊之間有個

洞穴，另一個岩塊上面刻有「南無阿彌陀

佛」等字。自此右轉永春崗步道呈陡坡，

若回眺松山一帶市區，可見樓房櫛次鱗比。

陡坡盡頭是一平台，可俯視永春高中

東北側的谷灣，它是清朝福建永春人所築 風化窗是因差別風化在岩面產生的凹穴

一線天是落岩塊之間的縫隙

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

一般報導

72

埤塘所在，這埤塘稱永春陂（ㄆㄛ，閩南

語ㄅㄧ），四周有四獸山（包括虎山、豹山、

獅山、象山）環繞，風景秀麗。清末劉銘

傳公餘常來這裡泛舟，但日治初期埤塘終

因淤積而消失。

遠望五指山、南港山兩山脈夾著基隆

河谷，而南港山脈西北坡的四獸山是台北

斷層上盤抬升形成的單面山，西北坡陡而

東南坡緩。至近象山最高點（高度 183公尺）處右轉北星寶宮步道，再右叉入 10公尺，景觀豁然開朗，180度的全景是觀賞101大樓最好的地方。能見度好時，台北盆地和其西北側的林口台地及北側的大屯火

山群都可一覽無遺，是最佳的攝影平台。

沿途經過一處有 6顆巨大砂岩塊散聚的地區，就是「六巨石」，由其近直立的紋

理與當地向東南傾斜約 20度的層理不同，

數個巨大落岩塊散置斜坡

永春高中東北側的谷灣是昔日永春陂所在

六巨石與 101大樓

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 73

六巨石岩面的肋骨狀條紋

由此推測這六巨石是山脊上的砂岩層經崩

落位移而形成。岩面有肋骨狀或同心圓的

條紋，這是岩石破裂時裂面由破裂的起始

點向外擴張所留下的痕跡。因為排列規則

有如人的肋骨，所以稱為肋骨狀條紋，一

般在厚砂岩層比較常見。

這些條紋的圓心處是裂面開始破裂的

原點，條紋逐漸擴展處則是裂面的發展方

向，有點像石頭掉到水中，水面上同心由

內向外擴展的波紋。岩塊中有呈半球狀凹

洞，洞中央顏色呈深棕色突出的岩球，似

是地層受地下水淋溶的物質經沉澱凝結所

成的結核。

楊貴三彰化師範大學地理學系

葉志杰社團法人台灣史研究會／彰化師範大學地理學系

下山時可到象山捷運站搭車，或到

吳興國小搭 1、22、32、37、226、266、288、藍 5等路公車賦歸。

科學發展 2016年 11月│ 527期

台灣新發現MOST Supported Research

74

專長是「控制系統與影像辨識」的交

通大學電機工程學系吳炳飛教授由於自幼

行動不便，因此對於弱勢者用路需求的體

會很深刻。早在十多年前，他就從事自動

駕駛、智慧型路口安全防護與運輸機器人

等的研究，並有豐碩的成果。近年來他更

上一層樓，把類似的技術提升到可應用於

高齡社會情境的需求。

「控制」就像人類的神經系統，它會

搜尋環境與自身的資訊，調整與應對以維

持系統平衡，並達到所設定的目標。譬如

人造衛星在高空中，當太陽能板希望接收

到最多的陽光時，控制系統會把太陽能板

轉向太陽的方向以產生足夠的電能。人體

也有許多類似的巧妙控制系統以維持溫度、

心跳的恆定，或者對外在刺激做出適當的

反應。因此控制系統需要裝置一些感測器

去偵測環境，並把訊號傳回中樞系統，經

運算、判斷後行動。

吳教授的團隊在研究自動駕駛的探測

系統時，採用影像以蒐集道路標線、旁側

與後方的汽車、人物等訊息，然後再用馬

達自動控制油門與煞車。現在的研究目標

雖換成了高齡社會的使用情境，但他仍以

類似的概念研發智慧型輪椅機器人，以協

助、照顧老人或身障者。

他以「室內計程車」的概念設想老人／身 障者獨自就診的情境，當他們到達醫院門

口時，如果能以手機呼叫智慧型輪椅機器

人出來協助，並帶領他們到要看診的科別，

當看完診出來後，又可再以手機呼叫這些

智慧機器照護者來幫忙。如此一來，就診

就可以獨立行動，不用家人或看護的陪同，

大幅減少家人的負擔。

▍范賢娟

可分擔照護工作的智慧型輪椅機器人

智慧型輪椅

科學發展 2016年 11月│ 527期 75

欲達成這樣貼心的服務，技術上首先

要能快速定位，一定要清楚輪椅自身的位

置、召喚者的位置、要去的目的地，並能

計算出最短的路徑。其次要能閃避行進中

遭遇的障礙物，畢竟醫院裡往來人員很多，

無法只是單純照著規劃路線走。接著便是

舒適感的問題，緊急煞車、快速前進、轉

彎、路面顛簸等都會造成乘坐者的不舒服，

因此研究團隊需要多次試乘，體驗各種狀

況，再做細部的修改。這項設計在 2009年獲得了旺宏金矽獎銅獎的肯定。

獲得這一榮譽後，吳教授仍繼續研發

可以自動跟隨伴隨者的輪椅。他是以影像

鎖定伴隨者，一開始要讓機器人先辨識跟

隨目標各面向的影像，然後才能跟隨目標

前進。當然仍然需要閃避障礙物的能力，

也要考慮乘坐者的舒適感。舒適感是一種

很主觀的感受，但吳教授的設計參考了評

估車輛震動的 ISO 2631-1標準，明確地把人體舒適度的評估量化，再根據實際情況

把它修改得更符合輪椅乘坐者的舒適感受。

這項技術進一步獲得了教育部「2013全國大專校院開放軟體創作競賽」第一名。

雖然這些智慧型輪椅的功能已足以減

輕看護者的負擔，但吳教授的團隊還希望

結合其他生理資訊的探測器以及雲端資料

庫，以方便醫護人員隨時追蹤狀況，提供

更好的照護。團隊裡已有學生開發出簡易

的可跟隨人走動的護理車，減少護理人員

負擔的希望已微露曙光。

目前這些系統已經建立，概念上也可

行，什麼時候才能上市造福大眾呢？提到

這點，吳教授很惋惜地表示，目前國內並

無廠商願意接手後續的商品化。因為國內

業界經營的模式大多是承襲國外的廠商，

因此對於這種國外尚未推出的先進產品進

行研發或設計並無興趣。他很希望有廠商

願意突破，接手開發這些先進產品，對國

內的智慧醫療照護產業一定能產生很大的

助益。

范賢娟本刊特約文字編輯

「控制」就像人類的神經系統，它會搜尋環境與自身的資訊，調整與應對以維持系統平衡，並達到所設定的

目標。（圖片來源：種子發）

科學發展 2016年 11月│ 527期

台灣新發現MOST Supported Research

76

▍江欣怡

失智病患照顧者的「保護因子」

近年來失智症（dementia）已成為席捲全球的疾病，根據國際衛生組織（WHO）及國際失智症協會（ADI）的調查，全球每年新增 990萬失智症患者，也就是每 3.2秒就有一名新罹患者出現。在台灣，至 104年底失智人口推估已經超過 25萬人，其中65歲以上有 23萬人。值得注意的是，65歲以上的老年人口中還有約 8％罹患不同程度失智情況的患者，其中更有 86％的患者選擇在家照顧，顯示失智症居家照顧的嚴

重性。

失智症老人從發病到死亡的病程通常

經歷多年，但隨著病情的加重，患者行為

失序及認知障礙逐漸嚴重，使得照護的工

作更顯困難，也帶給照顧者沉重的壓力。

長庚大學護理學系徐亞瑛教授及其團

隊長年進行失智症家庭照顧的研究，她說：

「由於照顧工作往往帶來龐大壓力，導致

照顧者產生身體及心理的疾病，並使患者

有時被迫送至照顧機構，因此，我們的研

究主要是找出在照顧者與患者互動中，有

哪些因素可以減緩照顧者因為長時間的照

顧工作所產生的壓力。」

研究中，徐教授發現，讓照顧者擁有

不會被打垮的「保護因子」非常重要。所

謂的「保護因子」，像經濟情況、家中人

手的多寡、社會支持的程度都屬之，但它

們都是固定的因子，是無法改變的。因此，

要探討的是：是否有其他的保護因子能調

節照顧者的壓力？

首先，照顧者和被照顧者關係的好壞

（mutuality）是照顧者的保護因子之一。在相同程度的照顧需求條件下，兩人的關係若

較好，照顧者所感受到的壓力會較低，反

之則高。另外，照顧準備度（preparedness），也就是照顧者是否覺得已有足夠能力可擔

任照顧者角色，面對照顧上的種種需求，

也是重要的保護因子。

徐教授說：「考量上述兩個因子，我

們發現，若兩人的關係愈好，且照顧者準

備愈佳，即便照顧工作繁重，照顧者也能

面對且不會陷入負面的情緒。反之，若彼

此的關係較差，且照顧者心理也尚未準備

好時則很容易受影響，常會產生情緒低落

的情形。」 研究也發現，若照顧者能事先掌握長

輩的需求，或讓每天的照顧工作形成常態，

科學發展 2016年 11月│ 527期 77

也就是能掌控「照顧情境」，照顧者所感

受到的角色疲憊及困難度也會比較低。

失智症是一種進行式退化的疾病，病

程有時長達十年之久，且每個階段患者都

會產生不一樣的反應。例如初期會有健忘

或人格改變，到中期患者可能會忘記某些

技能或詞彙，甚至有些作為會讓人摸不著

頭腦，後期甚至可能分不清白天晚上，甚

至出現妄想、自我照顧的能力完全消失。

該研究則指出，在患者失智初期，患

者與照顧者彼此關係若比較好，照顧壓力

會較輕，但當患者病情進入後期時，不管

原有關係如何，照顧工作都會較為繁重。

「病情嚴重時，不管兩人的關係如何，照

顧工作對照顧者的影響都很大。」徐教授

強調著。 因此，在評估失智症患者居家照顧風

險時，疾病的嚴重程度並不是唯一考量的

因素，反而應該視患者與照顧者間的關係、

照顧者的準備度，是否能掌控照顧情境等

條件來評估哪些是屬於高風險的家庭。徐

教授也建議，由於照顧者和患者間的關係

品質多半較難在病程間有所改善，因此，

照顧者若要降低自身的照顧壓力，可以先

做好照顧的準備，並讓患者的生活型態固

定下來，才能降低照顧的風險。

「照顧者其實要學會隨時轉換自己的

角色，有時要當魔術師，換個心境來了解

患者為什麼有這個舉動，有時變成偵探，

找出患者不尋常行為的原因，甚至可能還

得當個木匠，去了解患者病情發作的原因，

並降低環境中不舒服的因子，如限制訪客

或拿掉窗簾等動作，以穩定患者心緒。」

她說，當然，照顧者也可以尋求外力，如

失智協會或社會相關組織的幫助，以降低

自我的照顧壓力。

江欣怡本刊特約文字編輯

65歲以上老年失智人口中有 86％選擇在家照顧，其照護工作帶給照顧者沉重的壓力。

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

科技新知

78

科技新知

王道還

日本石龍子（Plestiodon finitimus）（攝影 Yasunori Koide）

石龍子的尾巴石龍子與壁虎是不同科的蜥蜴，形態有明顯

差別。一般而言，石龍子四肢較小；有些屬的物

種甚至沒有腳，乍看類似蛇。台灣的麗紋石龍子

（Plestiodon elegans）是海拔分布範圍最廣的蜥蜴，幼蜥尾巴呈鮮豔的藍色，與身體不同，成年才消失。

學者認為那是障眼法，以鮮明色彩引誘獵食動物把尾

巴當做攻擊目標—石龍子的長尾可以再生，因此不惜

斷尾求生。

日本東邦大學研究員栗山武夫研究的一種石龍子

（Plestiodon latiscutatus），是同一屬的物種，幼蜥尾巴也是鮮豔的藍色，可是不同的族群，色澤與分布卻

不同。例如伊豆諸島中的南方島嶼（近外海），幼蜥尾

巴與身體一樣，是不起眼的褐色，只有尾巴盡頭附近

才是藍色，與伊豆半島以及半島附近島嶼上的不同。

栗山武夫推測：如果藍色的尾巴有保命功能，尾

巴顏色的變異更可能是針對特定天敵演化出來的。於

是他在伊豆半島（主要天敵是鼬鼠）、神津島（只有

白日活動的蛇）、八丈小島（只有鳥）採集了 15群石龍子標本，觀察幼蜥尾巴的光學特徵，分析產生那

些特徵的細胞機制。

栗山武夫發現，蛇、鼬鼠為主的地方，幼蜥尾

巴是鮮豔的藍色。由於蛇鼠都有彩色視覺，這個發現

並不令人意外。但是神津島石龍子幼蜥尾巴的紫外光

（UV）反照率特別高，伊豆半島上的則否，分明反映了「蛇看得見紫外光，鼬鼠則否」的事實。八丈小

島上的石龍子為了逃避鳥兒的銳利視覺，以保護色為

保命策略，盡可能融入環境不讓鳥兒發覺，於是幼蜥

尾巴褪掉了藍色。

參考資料：Kuriyama T., et al. (2016) Cellular basis of anti-predator adaptation in a lizard with autotomizable blue tail against specific predators with different colour vision. Journal of Zoology, 300 (2) , 89-98.

台灣的麗紋石龍子，成體（上），幼體（下）。

（攝影：陳延銓）

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 79

科技新知

人類的天年10月初，美國愛因斯坦醫學院的團隊利用人口學資料發現了人類壽命的大限，成了新聞。

其實這不該是新聞，因為生物壽命有自然大限，是經驗事實，是常識。可是我們從小背誦的

樂觀說詞，例如科學發達、醫藥昌明，卻讓我們忽略了經驗與常識。

人的平均壽命，或者說人出生時的壽命期望值，已經大幅上升，是事實。在 20世紀，平均壽命幾乎增加了一倍：從 40歲到 80歲，因此現在每個人都預期自己或他人會活到七老八十。這個成就是大家熟知的因素造成的，包括環境衛生、醫藥保健、飲食營養。結果，幼

年人口的存活率大幅提升，平均壽命增加。

那麼科技的進步，特別是生物醫學，會不會繼續提升我們的壽命呢？人口學資料顯示，

推升平均壽命的力量在 1980年代便已進入高原期：高齡人口的存活率並沒有繼續上升，而且到了 100歲便陡然下降。

另一方面，人的絕對壽命（死亡年齡）也沒有上升。已知最長壽的人是法國婦人金‧卡芒

（Jeanne Calment, 1875-1997），她活了122 歲，20 年來還無人超越。人的絕對壽命已經停滯了 20 年！

老聃曰：「人生天地之間，若白駒之過隙，忽然而已。」嘆人生之短暫，可與老聃媲美的，

絕無僅有。

參考資料：Olshansky, S. J. (2016) Measuring our narrow strip of life. Nature, 538 (7624), 175-176.

花粉的化學組成花粉是矛盾的東西—既是生殖細胞的載體，也是營養物質。這兩種「功能」是互斥的。

在花粉中注入營養，是為了吸引動物傳粉；而如何使占了便宜的動物完成傳粉任務，是另一

個難題。例如花粉是蜜蜂唯一的蛋白質來源，蜜蜂也是最重要的傳粉昆蟲，可是田野研究者

經常發現牠們只光顧雄蕊，不造訪雌蕊，或造訪不同的植物，對提供花粉的植物而言，是不

折不扣的採花賊，必須嚇阻。花粉的化學組成是可能的武器之一。

於是美國內華達大學的團隊以大黃蜂（蜜蜂科熊蜂屬）做實驗，測驗花粉的化學組成對

大黃蜂覓食行為的影響。研究人員以 3種口味摻入花粉：甜味、苦味、無味，再以逗留時間與採集量，以及返回採粉的頻率，衡量大黃蜂的好惡。他們發現：大黃蜂偏好甜味；苦味最

可能使大黃蜂轉換採集對象—例如不同顏色的花朵。因此，植物的最佳策略是，迎合蜜蜂的

口味，但是適可而止，免得一隻蜜蜂便囊括大部分花粉。造訪一朵花的蜜蜂越多，成功傳粉

的機會越高。

這個測驗結果證明花粉的化學組成可能影響蜜蜂的覓食行為，以及傳粉效率。

參考資料：Muth, F., et al. (2016) Bees use the taste of pollen to determine which flowers to visit. Biology Letters, 12 (7), 20160356.

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期

科技新知

80

科技新知

木造摩天樓日本奈良法隆寺是世界遺產，其中的五重塔據說是世上最古老的木造樓，高 32米，建

造於 1,400年前（中國隋朝）。其實當年或是後世，同樣的建築不知凡幾，可是都因為木材的特性而傾頹朽敗，或慘遭回祿之災，至於天災人禍，就不說了。

19世紀末，鋼骨水泥建築問世。相形之下，木造建築的缺點成為難以迴避的問題。例如木材質地像海綿，會吸收、釋出水分，漲縮比可達體積的 10％。木材質地不均勻，因而無法預測它在許多情況中的「反應」。木材比鋼材脆，比混凝土更軟。木材會腐爛，更危險的是，

會燃燒。許多城市火災造成慘重災情，都是因為木造屋使大火易於蔓延。城市的行政機構與

保險公司都反對木造高樓，主張使用不易燃的建材。木材成為低樓層建築或獨棟屋的建材。

不過，兩個因素使得木造高樓再度成為新建築物的選項。

第一就是 1990年代歐洲開發出的新型木建材（英文縮寫 CLT），這種建材以交錯的層理抵銷木材的缺陷（例如變形、扭曲）又能增加強度，使木造高樓成為可能。本月世上最高

的木造樓在挪威落成，14層，高 49米。現在加拿大溫哥華卑詩省大學（UBC）正在建造一棟 18層的木樓當宿舍，可容納 400名學生，樓高 53米，預定明年暑假前完工，秋季開學就可以入住。（按，台北市的總統府高 60米）

不過，即使 CLT 已問世1／4世紀，最近才有人建造高層木樓。那是因為氣候變遷令人對於節能減碳、可持續發展更有興趣，而且電腦使得訂做木建材更為容易。木材比鋼鐵、混凝

土更節能減碳，估計可減 1／3。木材是儲存碳的一種方式；砍樹之後再種樹，林地可繼續儲存碳。另一個估計，採用木建材全球可減碳 15∼20％。（當然，這些估計未必可靠。）

此外，新型木建材激起了好奇心、爭勝心。UBC的木樓也許不久就會給超越—阿姆斯特丹計劃明年建造一棟21層的木樓。今年4月，劍橋大學的建築師與結構工程師藍米奇（Michael Ramage）公開宣布在倫敦建造一棟木製摩天樓的計畫：80層，300米高。

不過，高層木建築的發展還有一些障礙要克服，例如目前的房屋管理法規必須改變。在

美加，木造樓不得超過 6層。UBC的高樓是專案批准的，必須尊重審查委員的想法，贏得他們的支持。因此木樓裡的電梯井、樓梯間，以及地基，還是得用強化混凝土建造。

參考資料：Top of the tree. The Economist, September 10th-16th, 2016, pp. 71-72. Cornwall, W. (2016) Tall timber. Science, 353 (6306), 1354-1356.

科學發展 2016年 11月│ 527期科學發展 2016年 11月│ 527期 81

代糖影響健康兩年前，以色列一個團隊以小鼠做實驗，發現廣泛使

用的三種人工甜味劑（代糖）都會使小鼠產生葡萄糖不耐

症—第二型糖尿病的前兆。而代糖影響生理機制的途徑是

腸道菌群：代糖改變腸道菌群的組成，從而使新陳代謝機

制失衡。另一方面，他們以 7名志願者做實驗，也發現攝取代糖會使血糖反應變差。（見本刊 503期，頁 79）不過，代糖對健康的影響，學界仍然聚訟紛紜。

於是澳洲一個團隊以果蠅做實驗，尋找代糖進入動物身體後涉及的生理機制。首先，研

究人員發現，以摻了代糖的飼料餵果蠅，只要 5天，果蠅的食量就會上升，也就是說牠們攝取了更多熱量。不過，只要停止供應代糖 3天，胃口就恢復正常。研究人員還發現，餵食代糖 6天後，果蠅就變得對葡萄糖更敏感、更有興趣，這種興趣也在停止供應代糖後 3天消失。然後，研究人員以另一個實驗證實：這些代糖效應與腸道菌群無關。

果蠅長期食用代糖，食量大增，但是體重、三酸甘油脂、肝醣等指標都沒有什麼變化，

葡萄糖耐受度卻下降了。此外，果蠅變得過動，而且睡眠失調。進一步分析後發現，那些反

應涉及古老的細胞機制—針對饑餓的反應，因為甜味與熱量的關係變了。小鼠與人對代糖的

反應—攝取更多食物—也源自同一機制。

參考資料：Wang, Q.-P., et al. (2016) Sucralose promotes food intake through NPY and a neuronal fasting response. Cell Metabolism, 24 (1) , 75-90.

王道還生物人類學者（已退休）

南島族群的南向殖民一個國際團隊利用古 DNA技術研究南島民族的起源。他們的標本來自史前南島族群：

萬那杜的 3位婦女遺骨，生活於距今 3,100∼ 2,700 年前；東加的 1位婦女，距今 2,700∼2,300年前。

結果，她們與台灣阿美族、泰雅族，菲律賓呂宋島原住民 Kankanaey都來自同一個祖先族群。那個祖先族群可能來自東亞大陸，與美拉尼西亞膚色較黑的原住民沒有關係。

換句話說，3,000年前，南島族群由東亞向南擴散，途經台灣、菲律賓，繼續南下，抵達美拉尼西亞（包括新幾內亞，以及東邊的俾斯麥群島、所羅門群島、斐濟等）的東端，例

如萬那杜、東加，再從那裡向大洋洲以東殖民。他們與美拉尼西亞族群混血，是後來的事。

參考資料：Gibbons, A. (2016) First Polynesians launched from East Asia to settle Pacific. Science, 354 (6308), 24-25.

果蠅、小鼠、與人，食用代糖

後會攝取更多的熱量。（圖片

來源：種子發）

科學發展 2016年 11月│ 527期

科學、技術與社會

82

▍陳恒安

科學史可以怎麼讀：

從閱讀科學史反省知識架構的嘗試

開學不久，與教育學程的同學談到每

位學習者心中都應建構自己學科內容的知

識架構（framework）。大家都同意，學習者擁有知識架構，有助分辨各種資訊之間

的關係，進而形成知識，並賦予知識一種

切身相關的意義。知識架構其實有點像孔

恩所說的典範（paradigm）、弗萊克的思維樣式（thought style），或傅科的知識型（episteme），具有影響或規範人們認知合適觀點、合宜問題、合理方法與合法知識

的力量。

課後繼續與朋友交換意見，討論是否

能透過引導閱讀科學史故事，讓學習者學

習指認歷史主角的知識架構，希望藉此讓

學習者反省知識背後的結構與其強制性。

我們希望，讀者對科學史的期待，不要只

停留在名人軼事或不斷糾錯進步史的提供，

而是能提供素材鍛鍊學習者的反思能力。

底下便是我們談到的生物史案例。

從 Biology 的誕生開始說起

自從 19世紀初期「生物學」（biology）成為自主的學科以來，「生命是什麼」便

逐漸由宗教神祕學與形上學的難題轉而成

為一個「哲學—科學」的難題（今天，或

許更成為哲學—科學—社會學—經濟學的

難題）。20世紀上半葉，「生命是什麼」一直是科學界，特別是生物學界的熱門話

題。諾貝爾物理學獎得主薛丁格（Erwin Schrödinger, 1887−1961）著名的跨領域演講集《生命是什麼？》（1944年），便開宗明義直接揭示了解謎企圖。

為了理解何謂生命，歷代科學家提出

眾多解釋。這些理論逐漸被簡化二分為機

「生命是什麼」一直是科學界，特別是生物學界的

熱門話題。（圖片來源：種子發）

科學發展 2016年 11月│ 527期 83

械論（mechanism）與生機論（vitalism，或譯活力論）陣營。為了擺脫機械論與生機

論百年爭議的糾結，20世紀初期的生物學家紛紛尋找第三條路，「系統」概念正是

在這股風潮中的新嘗試。今天，系統科學

內容十分豐富，想給個概括都不容易。在

這裡，我只想回溯一段自己比較熟悉的歷

史片段來看看機械、生機與系統觀點，對

於生命的理解究竟提供了什麼樣的視野，

特別是新視野對當代的我們又有何啟發。

百年爭議之一：機械論歷史中的著名實驗

機械論或者類似的物理化學主義

（physico-chemicalism），認為生物體的功能與特性可以用物理或化學語言來解釋。

1965年諾貝爾醫學獎得主生物學家賈克博（François Jacob, 1920−2013）便曾表示：「儘管如此複雜，生命體所表現出來的現象也

不會多於其組成成分的加總。」（1972年）頗具爭議性的當代哲學家丹聶特（Daniel Dennett, 1942−）也說：「生物學不只是像工程，它就是工程。」（Biology is not just like engineering; it is engineering.）

這種以物理化學或工程的方式理解生

物體，基本上都蘊含著控制的意圖。新聞

中不斷出現的複製生物與基因科技，便是

這種思路所展現出的研究成果與想像。

科學歷史故事中經常把德國胚胎學家

威廉‧魯克斯（Wilhelm Roux, 1850−1924）於 1883年左右進行的胚胎學實驗視為機械論的證實。魯克斯以灼熱的細針刺破發展

至兩細胞階段青蛙卵中的一個細胞，發現

被針刺的那一部分無法完整成長。根據這

他提出所謂的「鑲嵌式發育理論」。

簡單來說，他認為成體各部分在胚胎

中都有其對應的地方，而這些對應的部分

以鑲嵌的方式存在於胚胎中。被針刺破的

那一半，因破壞而無法成長。魯克斯以這

樣的概念為基礎發展了實驗胚胎學，並於

1894年創立一個期刊稱為《機體發展力學論文集》。從這個期刊名稱，可以很清楚

地看到魯克斯認為發生學的原理應該像機

械力學一般。

百年爭議之二：生機論歷史中的著名實驗

在這場綿延數百年的爭議中，站在機

械論對立面的便是生機論。生機論主張生物

體的本質在於非物質性的實體或性質，這

種性質在不同的研究者口中擁有不同的名

稱，例如，亞里斯多德稱為「entelechy」 （這個字的譯法繁多，有隱得來希、生命力、

生命原理、圓極、圓滿實現等），也有學

者稱為動物靈性或靈氣（animals spirit）、特殊的力（special“forces”）以及湧現特質（emergent properties）等。

這種想法在 20世紀前半捲土重來盛極一時。對於這場風潮，部分學者認為是 20世紀兩次大戰讓歐洲人不再完全信任物質

科學，堅信物質科學的態度才會如鐘擺一

般，再度擺向非物質領域尋求答案。

雖然魯克斯的理論獲得許多支持，但

對生機論者來說，魯克斯忽略了生命的基本

要素。對生機論者而言，當灼熱刺針放入細

胞中，就可能已經破壞生命力了。抱持如此

想法的德國胚胎學家德里舒（Hans Driesch, 1867−1941）為了證明生命原理不只是機械原理，於 1892年進行了不同的實驗。德里舒選用不同的實驗生物與實驗方法，他不

以熱針破壞，而是以輕搖的方式 把分裂至兩細胞階段的海膽卵分離。他追蹤觀察這

兩個分離細胞的發育，發現兩者都會歷經

科學發展 2016年 11月│ 527期

科學、技術與社會

84

機械論與生機論其實都無法完美回應

對方陣營所提出的質疑，因為那些問題的

意識都不在對方的知識架構中（對方根本

不會意識到那會成問題）。為了擺脫因百年

爭議而產生的觀念混淆與學派爭議，20世

紀初期許多科學家都希望另闢蹊徑，系統

觀念就是影響深遠的新嘗試。

第三條路：生命機體做為開放系統

因為篇幅，在這裡只能先以貝塔朗菲

（Ludwig von Bertalanffy, 1901−1972）提出

的「一般系統理論」（1968年）為例。貝

塔朗菲從生理學研究中提出了「開放系統」

（open system）的觀念，他把開放系統做

為區分物理與生物現象的判準。生命系統

胚囊、原腸胚階段，而長成完整但體型較

小的長腕幼蟲。

雖然長腕幼蟲的體型較小，但是這項

觀察已足以讓德里舒對魯克斯的鑲嵌理論

提出強烈質疑。因為如果胚胎像機器一樣，

為什麼半個機器還能發育成一個完整的新

機器？

德里舒推論生命的物理化學解釋在這

裡可能已達到極限，因此提出另一想法，

即：胚胎應該是一個協調的、各部分潛力

相等的系統。也就是說，在胚胎中應該有

一種因素起作用，它按照預期的目的指導

生命活動，使有機體無論在自然狀態或實

驗干擾下都能發育成典型的樣態。德里舒

為這引用了亞里斯多德的 entelechy這個字來代表這種「具有自身內在目的」的因素。

以貝塔朗菲的語言來說，重點在於研究系統的那個「維持著的狀態」，例如生理學研究中所含括的新陳代謝、

能量交換、神經刺激反應等。（圖片來源：種子發）

科學發展 2016年 11月│ 527期 85

做為開放系統，意指它們與環境之間必須

不間斷地進行物質與能量交流，這樣生物

才能生存。換句話說，他認為生命系統在

這種物質與能量的交換中處於一種動態平

衡的狀態。

過去生物學的重點大都是靜態的（共

時性的），以貝塔朗菲的語言來說，重點在

於研究系統的那個「維持著的狀態」，例如

生理學研究中所含括的新陳代謝、能量交

換、神經刺激反應等。不過，貝塔朗菲特別

強調的是系統的「恆定態」（steady state）或「流動平衡」（flow equilibrium）。

過去，生物學家關注封閉系統的平衡

狀態（equilibrium state），因此探討系統特定的起始條件，以及終點狀態的關係。封

閉系統重視 input／output，系統外的環境基本上無關宏旨。但是，貝塔朗菲的恆定態

或流動平衡狀態所關注的，卻是系統在狀

態改變、元素流失至環境或自環境流入的

情形下，仍能自我維持的現象。

以系統觀念來描述生命最基進之處，

在於它不再把生命視為具有生命的物質

（living substance），而是一個個體化與組織化的系統，因此生命的消失在於系統的解

離。所有的部分（parts）與過程（processes）的組織則保證了有機系統的維持、構造、

復原與自我再生。

第三條路的啟示

雖然我們從機械論、生機論介紹到系

統論，但是無意暗示系統論的進步。我的

重點仍是上述的那個知識架構，如果我們

能不忘生物學研究的核心是回應「何謂生

命」這個大哉問，那麼便可把機械論、生

機論與系統論視為不同進路的解答。他們

有各自的時代性、問題意識，以及構成自

己專業領域的知識架構。

因此當我們把科學史素材引入科學傳

播或科學教育時，除了做為有趣好玩的調

劑之外，應該進一步把這些有趣的實驗或

理論脈絡化。我們起碼可以討論，魯克斯、

德里舒與貝塔朗菲為什麼會以那種方式提

問，而做為讀者的我們又為什麼會對特定

科學家的理論或實驗感到好玩。或許，當

我們回答了這兩個為什麼之後，才算開始

藉由科學史案例來促進思考。

當然，系統觀點終究還是無法對生命

是什麼這個問題提出令人滿意的答案，但

系統強調標示、關聯與過程的研究進路，

不僅豐富了我們觀察自然界的視野，似乎

也暗示了我們應留意不同領域知識之間可

能的互動。我想系統觀點充滿啟發，至少

它提醒我們，不一定要急著去尋找從未被

人發現的新事物，而應先想想自己的知識

架構，到底會不會讓自己老是視而不見了

什麼。

陳恒安成功大學歷史系

廣 告

12/5（一）-12/7（三）正式會議｜國家圖書館演講廳

第十次全國科學技術會議全國科學技術會議，串連學研觀點、開展台灣產業的利基，更是重啟我們經濟活力的重要關鍵

展現科技能量、挖掘進步潛能，更能提升台灣社會信心與期待；利用科技研發的能量，讓地球未來永續發展

歡迎您參與，共同打造美好未來

廣告

掃描瞭解更多

0923-全科會.indd 1 2016/9/23 下午3:44

廣 告