中華民國 104年 8月

Science Development 512NO.

出版者：科技部

發行人：林一平

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://www.most.gov.tw/sd/

編輯委員會

召 集 人：林一平編輯委員兼總編輯：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，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 1200 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：04-243780103. 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：http://www.most.gov.tw/中華郵政台北雜字第 2044號執照登記為雜誌交寄

我們已經生活在行動科技與無線通訊的時代中。在日常生活、工作、醫療保健、處理天災與突

發事件以及學術研發上都增加了許多便利，使每一個人節省了不少時間與精力，可以用來做更值得

做的事。這些威力強大工具的運作過程中，累積成一個資料的大海，是科學家的寶藏，使他們又有

了一個非常值得去發掘的新領域。

以前的智者沒有這些工具，便把時間用在思考上，悟出了多少濟世渡人的哲理和大自然運作的

規律，也創作了無數悲歡離合的動人詩篇。現代人忙著享用這些方便的行動科技產品，就難有餘暇

思考創作了嗎？當然不會。科技的快速進步使現代的智者有所發揮的園地更為廣大，題材也更多，

只是與以前不一樣了。

兒童在遊戲中鍛鍊成年後的競爭力。以前的孩子不常得到玩具，偶爾撿到個包裝用的大紙盒，

或是一片大王椰子的落葉，就可以玩得不亦樂乎。怎麼玩？是要自己想辦法的。現在店鋪裡的玩具

琳琅滿目。怎麼玩？都已設計好了。現代的兒童就沒有機會在遊戲中培養自己的創造力嗎？有的。

優秀的孩子是不會被別人定的規律框住的。

發明了汽車之後，美國的汽車、公路、交通規則與汽車時代的文化是同步發展起來的，因此對

社會造成的衝擊不大。而我們當年經濟快速起飛的時代，短期內出現了很多汽車與公路，但遵守交

通規則的文化的建立是需要多些時間的，所造成的衝擊就比較大了。現在，行動科技時代秩序與文

化的建立速度，跟不上性能強大工具的快速出現，是一個全世界的現象。

生物的進化是很慢的，人類也一樣，現代人天生的能力與千年前的古人並沒有什麼差別。過去，

科技的進步慢，但自從工業革命，尤其是進入資訊時代以後，工具的性能以爆炸性的速度進步。原

始人生活在叢林中，有生存競爭的規律，優勝劣敗；現代人生活在一個全新的、性能強大的工具叢

林中，一樣地有生存競爭和優勝劣敗，只是競爭的方式全然不同了。在其中，誰是弱肉、強食或明

哲保身者？考驗著每一個人的智慧。

18世紀以來的許多科學大師，他們擁有的工具簡陋，資訊也不足，但憑著敏銳的觀察與判斷

力，為科學的進步打下基礎。他們的著作都是值得研讀的精品，甚至能啟發不同領域的突破。現在，

我們身處資訊的大海中，首先要有能力分辨它們的正確性，把垃圾拋棄，把寶貝篩選出來，才可以

進一步運用。如果古時的那些大師們生在今日，以他們的智慧與毅力，可能會創造科學上更重大的

突破。

編│者│的│話

Science Development

科學發展　2015年 8月│ 512期 01

02 科學發展　2015年 8月│ 512期

中華民國 104年 8月 09Science Development

512

1 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 行動科技與應用 王永和

6 無線通訊的日常應用 施博文

如何運用無線通訊技術創造新產品或新的生活方式是值得思考的議題。

10 物聯網的便利與危機 趙志宏、劉川綱、李忠憲

在安全的物聯網確實實現時，智慧科技生活才是美好且真實的。

14 近場通訊技術 李威勳、繆嘉新

從安全的角度看，近距離是優點而非缺點。

20 穿戴式科技 陳智揚

穿戴式裝置都是海量資料中的一塊拼圖，承擔著最前端資料的擷取。

26 穿戴式科技的保健應用 王振興

有效養成使用者健康管理習慣才是發展的關鍵。

32 用智慧型手機輔助治療失語症 鄭國順、施成霖

以智慧型手機為基礎，開發失語症治療的應用軟體，是解決語言治療師不足的辦法。

一般報導

38 2014年諾貝爾生理與醫學獎 ― 大腦中的導航裝置 白明奇

大腦中負責認知地圖的功能，與生俱來的可能性較高。

03科學發展　2015年 8月│ 512期

1722

44 優游於生物體中的鉀離子 郭朝禎

鉀離子是生物體中不可或缺的生長要素，關係著動物的神經傳導與植物的生理調控。

52 掀開日本鰻的神祕面紗 郭金泉

目前我們消費的鰻魚百分之百仰賴天然資源，與其說是鰻魚養殖業，應該正名為鰻魚漁業。

60 防救災的跨領域合作 楊永年

科技固然重要，但其背後的政策、制度或體系間的問題也必須重視。

66 啟發的力量 蘇明德

科學的進步與發展往往需仰賴其他學科的觸類旁通。

台灣新發現

72 室溫下的波動型熱傳導 張志玲

74 肺腺癌新分類有助預測存活率 李銘杰

科技新知

76 全球暖化的趨勢減緩了嗎？∕流感疫苗與嗜睡症∕

冥王星的真面目∕彗星 67P抵達近日點∕母乳與腸道菌群

科學、技術與社會

80 科技出演，藝術家注意！ 林宗德

1 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 行動科技與應用 王永和

6 無線通訊的日常應用 施博文

如何運用無線通訊技術創造新產品或新的生活方式是值得思考的議題。

10 物聯網的便利與危機 趙志宏、劉川綱、李忠憲

在安全的物聯網確實實現時，智慧科技生活才是美好且真實的。

14 近場通訊技術 李威勳、繆嘉新

從安全的角度看，近距離是優點而非缺點。

20 穿戴式科技 陳智揚

穿戴式裝置都是海量資料中的一塊拼圖，承擔著最前端資料的擷取。

26 穿戴式科技的保健應用 王振興

有效養成使用者健康管理習慣才是發展的關鍵。

32 用智慧型手機輔助治療失語症 鄭國順、施成霖

以智慧型手機為基礎，開發失語症治療的應用軟體，是解決語言治療師不足的辦法。

一般報導

38 2014年諾貝爾生理與醫學獎 ― 大腦中的導航裝置 白明奇

大腦中負責認知地圖的功能，與生俱來的可能性較高。

王道還

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

行動科技與應用王永和│專題報導特邀編輯

成功大學電機工程學系

看不見摸不著的行動科技現今已經融入我們的生活中而無所不在。Apple Watch在今年 4月開賣，在排隊人群中彷彿看見穿戴式智慧裝置的普及即將帶來顛覆世界的新變革。但到底什麼是穿戴式科技呢？穿戴式技術在生活中又會扮演

什麼角色呢？穿戴式裝置除了酷、炫之外，是否有更實際的應用價值？在〈穿戴

式科技的保健應用〉一文中有精彩的描述，藉由長期生理健康紀錄的海量資料分

析，可以協助提升身體的健康狀況，是在可預見的未來人們生活上的進步。

在行動科技所倚靠的無線通訊技術方面，本期的〈無線通訊的日常應用〉一

文可鑑古知今，了解日常生活中的各種無線通訊技術，例如 GPS系統已廣泛為用路人解決帶路的問題。人們口中的WiFi又是什麼呢？在捷運車廂內或等車的民眾，人手一支智慧型手機，在手上不停地滑動，是否曾想過智慧型手機可能應用

在醫療行為上呢？行動裝置的多樣化使各項應用越來越不可測，行動網路與背後

雲端服務所蘊藏的小宇宙即將爆發。

專題報導

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

〈近場通訊技術〉一文提到把錢包裡面的卡片整合到手機功能內，迎接新的

「嗶」世代的到來。而物聯網讓真實世界的物件有智慧且與網路連結，雖然提供

更方便與更有效率的居家生活，卻也為隱私權與網路安全帶來新的隱憂，在〈物

聯網的便利與危險〉一文中，期許物聯網能達成「一物一智能，萬物為我所用」

的目標，卻也不可忽略可能帶來的可怕災難。

行動裝置所帶來的即時性與高效率是推動發展行動化應用的主因之一，在日

新月異的行動科技世代中，各式突發奇想的應用層出不窮。在這一期的專題報導

中，請了幾位有實務經驗的專家學者為這個主題撰文，為大家介紹各種應用的情

形，「也許你看不見它，卻也離不開它」，值得大家參考。

非常感謝高苑科技大學光電系施博文教授、成功大學電機系李忠憲教授、交

管系李威勳教授、電機系王振興教授、生物醫學系鄭國順教授，以及台達電陳智

揚博士鼎力相助撰稿，期望有新血因這期專題報導而產生興趣，進入這個領域再

創新局。

專題報導

06 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 施博文

第 4代行動通訊技術朝向 1 Gbps高速傳輸發展；

新興近距離無線通訊技術搭配近距離無線通訊的身分辨識保護技術，

可讓使用者安全地進行信用卡交易等，

在在顯示無線通訊已深深影響每個人的日常生活。

無線通訊技術

無線通訊的產品如廣播、無線電視、

手機、無線上網等，已經融入人們的日常

生活中，帶來無限的便利。汽車商把車用

數位電視和 GPS列為標準配備；第 4代行動通訊技術朝向 1 Gbps高速傳輸發展；新興近距離無線通訊技術搭配近距離無線通

訊的身分辨識保護技術，可讓使用者安全

地進行信用卡交易等，在在顯示無線通訊

已深深影響每個人的日常生活。

1901 年， 義 大 利 工 程 師 馬 可 尼（Guglielmo Marconi）使用 800 KHz中波信號，進行由英國到加拿大紐芬蘭的橫跨大西

洋無線電波通信試驗，開創了人類無線通信

的新紀元。1912年，「鐵達尼號」發生船難時，由於有無線電設備才能救起七百多名乘客。這艘郵輪的沉沒影響了船舶無線電電報通

訊，1913年在倫敦召開的海上生命安全國際大會，制定條約要求無線電通訊要保持 24小時開通。

無線通訊的日常應用

1901年 12月，馬可尼及巴傑特（Paget）、肯普（George Kemp）兩位助手在加拿大紐芬蘭的聖約翰市海邊，把做為天線用的導線繫在風箏和氣球上

試放。

07科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

無線區域網路

無線區域網路（Wi -Fi）是建立在 IEEE 802.11技術標準上的無線區域網路設備。Wi-Fi是一個聯盟組織，成立於 1999年，2002年正式把名稱定為Wi -Fi Alliance。現今，IEEE 802.11的設備已安裝在眾多產品上，如個人電腦、遊戲機、影音播放器、

智慧型手機、印表機，以及其他周邊設備

和筆記型電腦。

1999年開始發展 IEEE 802.11a技術，利用 5 GHz科學、工業和醫療頻段，使用正交分頻多工技術，發展資料傳輸速率可達

54 Mbit／s的實體層。但以當時技術水準難以實現，因此又發展 802.11 b，在 2.4 GHz的 ISM頻段上使用展頻技術，但資料傳輸速率僅有 11 Mbit／s的實體層。

後來由於 OFDM技術成熟，同時美國聯邦通訊委員會允許在 2.4 GHz的 ISM頻段上使用正交多頻分工技術，IEEE 802.11g技術標準因而成為現今最普遍的無線網路

技術，所有智慧型手機和筆記型電腦幾乎

都內建這個通訊技術。

2009 年公布的 IEEE 802.11n 技術標準，利用多重輸入輸出技術改善 802.11a與 802.11g兩項無線網路標準在網路流量上的不足，最大傳輸速度理論值是

600 Mbit／s，與先前的 54 Mbit／s相比大幅提升，傳輸距離也因此而增加。

多重輸入輸出技術是使用多個發射和

接收天線來獲得更高的資料傳輸率。阿拉

莫提（Siavash Alamouti）在 1998 年提出Alamouti的空間、時間分組的編碼使這技術得以實現。為了確保多組發射和接收天

線達到空時分組，調整天線擺設的角度可

以獲得較大的資料傳輸率。

無線射頻識別技術

無線射頻識別技術（RFID）主要是透

過無線通訊技術，把電子標籤內晶片中的數

位資料以非接觸的通訊方式傳送到讀取器

中，讀取器辨識的電子標籤資料被傳送給後

端電腦應用系統，再進一步處理運用這些資

料。早在第 2次世界大戰期間，英國就已利

用這項技術偵測是盟軍還是敵人的飛機。

RFID依照標籤是否需要電源驅動，分

為主動式與被動式。被動式 RFID依據頻率

又可分為 3種類型：

個人電腦、遊戲機、影音播放器、智慧型手機、印

表機，以及其他周邊設備和筆記型電腦，都有無線

網路功能。

調整 802.11n無線路由器天線擺設的角度，可以獲得最佳的資料傳輸率。

45°

90°

專題報導

08 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

低頻裝置 ─ 常用頻率是 125 KHz、134 KHz，這頻率的設備使用不需申請，使用磁場耦合技術，傳輸距離較短（約 5∼50公分），常用於動物晶片、門禁卡、汽車鑰匙等。

高頻裝置 ─ 常用頻率是 13.56 MHz，這頻率的設備使用必須申請，也使用磁場耦合

技術，傳輸距離更短（約 10公分以內）。台北市捷運的悠遊卡、門禁管制系統的感應

卡，甚至感應式的信用卡都是利用這技術。

極高頻裝置 ─ 常用頻率 900 MHz左右，這頻率的設備使用必須申請，使用電

場耦合技術，傳輸距離較長（約 10公尺以內），香港機場的行李標籤和高速公路上的

電子收費系統都屬於這類裝置。

RFID已經廣泛應用在我們的生活中，其系統特點在於非接觸式讀取資料，讀取速

度快又便利，具穿透性能力且電子標籤可重

複使用，適用範圍廣，使用壽命長。RFID 提供一種非接觸溝通方式，如何運用這方式

創造出新產品或新的生活方式，使人們的生

活變得更便利，是值得思考的議題。

衛星定位系統

美國於 1970年代開始，陸續把定位衛星發射到太空，並在 1994年全面建成全球衛星定位系統（global positioning system, GPS），整個系統包括太空中的 24顆 GPS衛星，地面上 1個主控站、4個天線站和 6個監測站。主控站位於美國科羅拉多州的

謝里佛爾空軍基地，是整個地面監控系統

的管理中心和技術中心。2000年以前，美國擔心敵對國家對美國發動攻擊，因此在

GPS訊號中故意放入人為誤差以降低定位

精確度（精確度由 10公尺誤差擴大到 100

公尺左右），後來柯林頓政府決定取消對訊

號的干擾。

一般用戶端的 GPS接收機，主要作用

是接收並利用 GPS衛星傳來的資訊計算用

戶的三維位置及時間。在地球的不同地點，

可以接收到的衛星訊號有限，但只需接收

到 24顆衛星中的 4顆，就能確定用戶端在

地球上的位置、海拔高度，以及時間和移

動速度。所能接收到的衛星數量越多，計

算出來的位置就越精確。

此外，還有其他的衛星定位系統，例

如俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）、

中國的北斗衛星導航定位系統（BDS）、歐

盟的伽利略定位系統（Galileo）和日本的準

天頂衛星系統（QZSS）。

無線射頻識別技術的特點在於非接觸式讀取資料，讀取速度快又便利，

具穿透性能力且電子標籤可重複使用，適用範圍廣，使用壽命長。

依據無線電信號上面的傳輸時間，定位出接收的位

置（正處於球面上）。

09科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

GPS的定位是利用衛星基本三角定位

原理，GPS接收裝置接收來自人造衛星無

線電信號上面的傳輸時間，量測人造衛星

與接收者的距離。假設衛星距我們 10,000

英里遠，首先以 10,000英里為半徑，以這

衛星為圓心畫一圓球，而接收的位置正處

於球面上。再假設第 2顆衛星距離 11,000

英里，二球面的交集是一圓周。再以第 3

顆衛星做精密定位，假設距離是 12,000英

里，3球面所交集的位置就是接收訊號的所

在位置。

但仍需第 4顆衛星的訊號才能確定接

收的時間，除基本的 4顆衛星資訊外，加

入第 5顆或更多的衛星資訊，可以修正定

位以及減少可能的誤差。

衛星定位系統原本是在冷戰時期為了

軍事用途而設計部署的系統，常應用在戰

機和洲際彈道飛彈的導航。現今衛星定位

系統逐漸轉為商業用途，例如：與電子地

圖結合成車輛的電子導航系統；提供漁船

追蹤定位以利報警求救的系統；利用精準的

高度資訊，可以做為橋梁預警的安全偵測；

施博文高苑科技大學光電科學與工程系

無線射頻識別技術的特點在於非接觸式讀取資料，讀取速度快又便利，

具穿透性能力且電子標籤可重複使用，適用範圍廣，使用壽命長。

應用 GPS做為汽車導航用

在地球科學上可應用在對地殼變形的監測；

其他航空、運輸、行動電話、數位相機等的

應用，可見GPS技術的應用前景非常可觀。

專題報導

10 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 趙志宏、劉川綱、李忠憲

物聯網讓生活周遭的物件與設備連結成一個大型的智慧網路，

它們的資料提供生活上的便利，卻也可能成為個人隱私外洩的媒介，

這些外洩的物件感測資料很可能成為網路犯罪的重要工具。

想像一下這樣的場景：

下午 6點，下班走到停車場準備開車回家，車子感應到身上的識別物件自動解開中控鎖。坐上駕駛座後，用語音聲控發動引擎並說回家，行車電腦便執行引擎的啟動，導航電腦跟著

顯示回家的路徑及交通狀況。中途出現某條道路塞車，導航電腦會重新計算回家路線以避開

塞車路段，也顯示有哪些路口的紅綠燈故障，提醒經過時要小心往來車輛與行人。

離家只剩 10分鐘車程時，家裡的智慧中控電腦與行車電腦互相交換資訊，並經由行車電腦通知目前室內溫度是 30度，是否需要預先開啟客廳空調，並詢問是否想知道冰箱裡有什麼菜色，中控電腦則可依據冰箱裡的菜色建議晚餐的菜單。

什麼是物聯網

上述的例子主要是透過物聯網系統讓真實世界的物件具備智能與聯網能力，提供更方

便與更有效率的居家生活。這一切好像電影情節，但這樣的生活已悄悄在我們的周邊逐漸

實現了。

在這一個例子中，我們看見智慧車輛、智慧城市與智慧家庭的互聯，看到人和物件的連

結與溝通，也看到了物件和物件的連結與溝通。這就是物聯網的基本概念，透過賦予物件智

能與聯網的能力，運用網路的連接甚至雲端運算，建構出更便利的生活方式與環境。

物聯網的便利與危機

透過賦予物件智能與聯網的能力，

運用網路的連接甚至雲端運算，可建構更便利的生活方式與環境。

11科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

2005年，國際電信聯盟就發表了一篇網際網路報告，深入探討物聯網與其技術細節，

以及對全球商業和個人生活的影響。事實上，

物聯網並不是一個獨立的網路，而是一個賦予

物件智能與聯網能力，建構出人與物件、物件

與物件、物件與人之間的通訊網路。也就是透

過物聯網和一般網路的資訊交換與傳遞，讓虛

擬世界與實體世界完美地連接。

物聯網已非科幻小說的情節，也非商業

騙局。目前已經有許多成熟的關鍵技術及相

關技術的應用，也讓人們勾勒出物聯網的發

展願景，如智慧生活、智慧醫療、智慧物流、

智慧城市，甚至於所謂的智慧國家、智慧地

球等概念。

物聯網的應用

近期以來，物聯網一直受到產業界的關

注與期待。在資訊盛事「2014台北國際電腦展」中，國內外廠商也把物聯網視為未來資

訊技術的重要趨勢，不約而同地爭相預估其

相關產值會持續呈爆炸性成長。大量的文章

評述也無不吸引著大眾關注這個新興的名詞。

然而，物聯網到底要如何應用在一般大

眾的生活中，卻依舊讓一般人感到好奇又陌

生。物聯網是各種物件連結而成的網路，這

些物件就在我們周遭，如家中的冷氣機、冰

箱、電視、電腦、洗衣機、汽車、機車等。

當這些物件有管道與其他物件連結溝通

時便形成網路，這個網路若與目前使用的網

路連結，世界各地人們周遭的物件便在網路

世界連結在一起，形成一個超大型網路。一

旦這網路成形，各種智慧科技生活都成為可

能，人們可遠端控制各種物件設備，全自動

化的生活模式讓世界更便利，這也是物聯網

所勾勒的美好前景。

如何讓這些物件互相連結呢？拜感測

與晶片技術進步所賜，只要在各式物件設

備上配置小型感測器與控制晶片，就可感

知物件周遭的環境資料，再利用互聯網把

資料蒐集到處理中心，提供給各種應用領

域控制利用。

以一般大眾家中常用的冷氣機為例，

若冷氣空調公司在出售的冷氣機上都安裝

感測網路裝置，家中冷氣機就可把溫度感

測資料與冷氣運作狀態上傳至資料處理中

心，公司便可利用這些資料達到以下目標。

首先，維修更便利。當冷氣機把運作

資料傳回冷氣空調資料中心時，公司可準

確掌握運作狀態，在發生問題的第一時間

進行維護排程，顧客不需自己反映故障情

形，冷氣機維護會更快速，服務品質更高。

其次，冷氣機銷售資料更準確。當冷氣機

銷售地點、數量、運作時間都回傳到資料

中心時，公司可更準確地掌握客戶的使用

習性、銷售熱點及備貨情形，對於冷氣空

調產業的幫助不言可喻。

透過賦予物件智能與聯網的能力，

運用網路的連接甚至雲端運算，可建構更便利的生活方式與環境。

智慧家庭裡，家人可以透過智慧型手機控制電視、

電話、電腦、微波爐與戶外監控器。

專題報導

12 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

再者，顧客可得到更便利的智慧生活。

冷氣空調公司提供顧客一個便利手機 APP小幫手程式，顧客便可利用手中的智慧型

手機控制冷氣機運作，出門不再擔心忘了

關，回家前也可先讓它運轉，利用物聯網，

有網路的地方就可以監視控制。再其次，

空調產業也可與其他領域結合，例如在冷

氣機上安裝紅外線或其他監控裝置，顧客

便可以順便監控家中的狀況。

物聯網的安全危機

物聯網讓大眾生活周遭的物件與設備

連結成一個大型智慧網路，它們的資料提供

生活的便利，卻也可能成為個人隱私外洩的

媒介，這些外洩的物件感測資料很可能成為

網路犯罪的重要工具。更甚者，還可能損害

大眾與國家的安全。試想，假如公路系統的

控制資料被外部有心人士盜取，他可以完全

控制整體公路系統的交通號誌，屆時如同電

影般的國家安全災難就可能發生。

若是一般民眾的家內設備資料，如冷

氣、電視、電腦與各式電器的使用紀錄外

洩，外人便很輕易地知道哪些戶沒人在家，

甚至何時到家。一切生活習性與行為都被他

人所知，再無所謂個人隱私與安全可言，物

聯網便會成為犯罪的溫床。因此，物聯網推

廣運用的最大疑慮就是安全問題。

一般網路上的安全機制大抵以資料本身

加密或外加其他安全機制為主，如防火牆、

系統更新、防毒軟體安裝等。然而，把資

料加密的複雜度愈高，需要的技術就愈難，

對於小型感測器而言，勢必無法承擔這麼

大的加密工作。

若是要外加其他安全機制，到底何種

規格的安全等級才能合格？尤其未來物聯

網上的物件數量會是現在的百倍，各區域

間的安全機制都不相同，安全漏洞將更難

以防堵。一旦一個區域被駭客擊潰，就如

同一個城池被攻破一隅，整座城池也會不

保，這樣的風險確實令大眾難以信服物聯

網的安全。因此，在安全的物聯網確實實

現時，智慧科技生活的前景才會是美好且

真實的。

由於物聯網更貼近我們的日常生活，

若只留意其便利性而忽略了安全性，將帶來可怕的災難。

當外部居心不良的人透過網路擷取到居家資料時，

民眾的資訊安全將無保障。

擷取物聯網 居家物件資訊

了解居家 生活資訊

物聯網資訊

13科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

整體來說，物聯網的發展可望達成「一

物一智能，萬物為我所用」的目標，進而

讓生活與環境更便利。然而，由於物聯網

更貼近我們的日常生活，因此不論在私領

域或公領域的應用，若只留意其便利性而

忽略了安全性，物聯網將帶來可怕的災難。

水能載舟亦能覆舟，在發展物聯網技術的

同時，其安全性的考量是眾人必須面對且

重視的一大課題。

由於物聯網更貼近我們的日常生活，

若只留意其便利性而忽略了安全性，將帶來可怕的災難。

趙志宏高雄大學圖書資訊館

劉川綱嘉南藥理大學資訊多媒體應用系

李忠憲成功大學電機工程學系

物聯網的安全由居家到國家甚

至到國際層級，層層都需要把

關，當其中一層被破壞時，整

體的網路安全就會潰堤。

世界各地物件網路物聯網

國家公共物件物聯網

居家物件物聯網互聯網連接世界各地國家網路

個人安全維護

國家安全維護

國際安全維護

專題報導

14 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 李威勳、繆嘉新

近場通訊技術是一種可以把你皮包內的東西，

如現金、證件、卡片、票券、名片等，都整合到手機裡的創新技術。

技術簡介

近 場 通 訊（near field communication, NFC）技術，顧名思義是一種近距離的無線通訊技術，它的主要運作頻率是 13.56 MHz，感應距離小於 10公分，資料傳輸速度每秒最高可達 424 K位元。它是 2004年由 Nokia、Sony與 Philips（Philips 半導體部門在 2006年成立為 NXP Semiconductor公司）成立的 NFC論壇所提出的新一代感應與通訊技術，改良自無線射頻識別（RFID）技術並整合了智慧卡的技術。簡單地說，

NFC技術可以視為 RFID技術的第二代，它改良單向的無線感應為雙向傳輸，使傳

送方與接收方可以雙向交換資料。

你或許會懷疑，相較於現在許多的無線通訊技術，如WiFi、藍牙、Zigbee等，NFC技術通訊距離只有不到 10公分，而且在資料傳輸速度方面，它的 424 Kbps與WiFi 802.11n的54 Mbps∼ 600 Mbps、藍牙 3.0最高可達到的 24 Mbps相比簡直是慢得可以，為什麼還需要發展 NFC技術，而且還有那麼多的應用呢？答案就是「安全」。

NFC包含了許多資料安全保護的設計，「近距離」就是其中的一項。由於通訊距離小於10公分，因此 NFC的載體如手機、智慧卡、標籤等在交換資料時，通常是在使用者的監看

近場通訊技術

近場通訊技術可以視為是無線射頻識別技術的第二代，

它改良單向的無線感應為雙向傳輸，使傳送方與接收方可以雙向交換資料。

皮包裡的東西可不可能都整合到手機裡面？

15科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

下完成，使得非法的使用者如駭客等無法

竊聽、破壞或竄改資料。從安全的角度來

看，「近距離」反而是優點而非缺點。

本文會完整介紹 NFC的安全技術，以及為什麼這些技術能夠通過全世界資安專

家的考驗，讓安全要求極高的電子錢包、

手機信用卡、電子票證等跟金錢直接相關

的應用可以使用 NFC技術。

應用的模式

除了「把皮包內的東西都整合到手機

裡」這個好用的功能之外，NFC可以發揮的應用還不止於此。一般而言，NFC技術包含3種模式：卡片模擬模式、讀卡機模式、雙向點對點模式，這 3種模式都有許多的創意應用。

卡片模擬模式是較為人知的應用，

它也是 RFID與智慧卡技術的延伸。由於NFC技術向下相容於 RFID與智慧卡的標

準，因此在卡片模擬模式下，它可以使用

現有的卡片服務基礎設施。換句話說，不

需要更換或重新布建讀卡機。相容於現有

卡片服務的基礎建設也是 NFC技術的最大

利基，例如 NFC手機下載安裝了悠遊卡服

務之後，就可以利用手機使用現有所有的

悠遊卡服務；下載安裝了信用卡服務之後，

就可以使用手機信用卡刷卡付費，這些都

不必更動任何讀卡機設備。

藉由卡片模擬模式，手機可以搖身

變成一個智慧卡（如信用卡、提款卡）或

RFID卡（如悠遊卡、識別證、學生證等）。

你皮包內的東西，包含證件、現金、票券、

卡片等都可以在數位電子化後，用 NFC的

卡片模擬模式把每一個應用都存放在安全

晶片的一個獨立空間裡面，且一支 NFC手

機就可以同時支援多種應用。

卡片模擬模式是讓 NFC手機做為智慧

卡或電子標籤使用；讀卡機模式則剛好相

近場通訊技術可以視為是無線射頻識別技術的第二代，

它改良單向的無線感應為雙向傳輸，使傳送方與接收方可以雙向交換資料。

近場通訊技術的 3種模式與相關應用（圖片來源：中華電信）

卡片模式

P2P模式

讀卡機模式

信用卡

電子錢包

交通票證

名片交換

門禁卡

身分識別

廣告

優惠券

專題報導

16 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

反，借助 NFC手機上的晶片、電源與感應天線，讓手機變成可以讀寫其他智慧卡的

無線讀卡機。當 NFC手機成為讀卡機時，可有許多創新的應用，如 2010年的台北花博會曾經試辦過 NFC手機導覽，使用者利用 NFC手機接觸某種花卉立牌上的電子標籤後，手機就自動下載並播放介紹這花卉

的多媒體檔案，讓使用者即時取得更多的

展覽資訊。

除了園區導覽之外，讀卡機模式也可以

應用在適地性服務、路網導引，或優惠券下

載等創新應用服務上。例如，「觸碰及連接

控制」已經應用於許多新型支援 NFC功能的數位相機、藍牙喇叭等；「觸碰及下載」

可以應用於優惠券下載、電子資源下載等。

雙向點對點模式則是兩支 NFC手機觸碰之後可進行資料交換。NFC的點對點模式依循 ISO／IEC 18092標準，可以實施的應用如名片交換、現金移轉、電子票或優

惠券移轉等，也可以讓兩支手機觸碰之後

建立連線以便交換資料。

適當地利用 NFC所支援的 3種模式，使得 NFC的應用服務非常多樣化且有趣。以最早發展 NFC應用服務的日本 FeliCa Network ®為例，他們自 2004年推出Mobile FeliCa ®的服務，至 2010年為止，相關的NFC應用服務已經超過 100種，使用支援Mobile FeliCa ®手機的用戶已經超過 6,600萬個。Mobile FeliCa ®的應用服務大致可以分成金流付款、零售服務、交通事業、ID門禁類、娛樂事業服務等。

安全晶片

NFC究竟如何達成「安全」的各項需求，可以讓銀行或信用卡組織認同，把有

價的電子貨幣、信用卡等利用 NFC技術來

實施呢？答案之一就是安全晶片。安全晶

片可以視為一個獨立的智慧卡，它具有嵌

入式的硬體微處理器與防篡改設備，其中

包括加密處理器與專屬的作業系統，可提

供交易的身分驗證和安全性。

安全晶片內建有安全的記憶體空間，

它是一個受到硬體及軟體加密演算法保護

的敏感性資料儲存空間，這空間可以放置

資料，也可以放置軟體程式。它可以獨立

運行程式而不受它的載體（手機）影響，

存放在安全晶片內的敏感性資料也受到安

全晶片專屬的軟硬體機制保護。

安全晶片可以整合在手機的 SIM卡裡面（標準是 SWP- SIM），也可以整合在手機的主機板上，也可以放在手機以外的周

邊裝置如 SD卡、NFC收發器上。在安全晶片上，可以把受軟硬體保護的記憶體空

間切割成獨立的小空間，每一個空間都是

一個安全領域，每一個卡片模式的應用服

務使用各自專屬的安全領域，各個領域內

的程式與資料各自獨立，不能互相影響。

因此 NFC服務提供者可以把專屬的卡片微程式，如電子錢包程式、手機信用卡程式，

安裝到服務提供者專屬的安全領域中。

安全晶片的內部邏輯結構（圖片來源：中華電信）

安全晶片

服務提供者安全領域

卡片發行者安全領域

卡片管理員

GP公用程式介面 Java卡片執行環境

卡片發行者管理程式

應用服務卡片程式

17科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

安全領域可以透過相互認證的機制，

與外界的應用服務提供者（如銀行後台系

統）建立起安全通道，個人化的敏感資訊

如信用卡卡號、到期日等資料，就可以透

過這個安全通道寫入屬於這個銀行的安全

領域內，以完成個人化的動作。因此在卡

片模擬模式下，各種卡片的應用服務都可

以整合到安全晶片內。也就是說，皮包裡

面的東西如現金、電子票證、證件、卡片

等，都可以透過不同的服務提供者整合到

NFC手機內的安全晶片上。

商業模式與平台

Google在 2011年就推出了 NFC手機

的應用 ─ Google Wallet ®，它是一個整合性

的 NFC錢包，包含了預付式的電子錢包與

後付式的信用卡，並且整合了票證如優惠

券等的應用。日本更在 2004年就開始提供

Mobile FeliCa ®的 NFC服務，相關的應用服務的總數超過了 100個。我們台灣呢？2015年的現在為何還幾乎看不到 NFC的服務呢？

原因在於少了一個重要角色：信託

服 務 管 理 平 台（trusted service manager, TSM）。TSM平台的概念在 2007年首次由全球電信協會 GSMA提出，它的主要特色是一獨立公正的第三方擔任卡片發行者、

電信業者、服務提供商與顧客之間的統一

窗口，提供一套一致性 NFC應用服務上下架管理的機制，省去不同業者之間溝通的

成本，提升產業運作效率。由於 NFC服務中有行動支付、交通票證等殺手級應用服

務，所牽扯的業務範圍太廣，影響層面包

含電信業者、金融業者、交通業者等，而

這些面向都要靠 TSM平台來統合。TSM平台的工作內容包括：提供各服

務提供商 NFC應用服務的上下架管理、

NFC具備行動支付應用服務，如電子錢包程式、手機信用卡程式。（圖片來源：種子發）

專題報導

18 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

卡片生命周期管理、NFC軟體服務的空中發行與個人化（over the air, OTA）服務。TSM必要存在的原因之一，就是 NFC產業生態中需要一個平台管理者負責提供安全

的 OTA服務；而平台所發行過的應用軟體也會由 TSM平台進行更新、鎖定、刪除等後續生命周期的管理。

簡單地說，TSM平台就像是手機軟體市集 App Store ®或 Google Play ®的角色，沒有了 TSM平台這個軟體市集的角色，相關的NFC應用服務就難以展開。跟手機軟體市集不一樣的是，TSM平台提供的不只是手機的應用軟體，而是三合一的服務，包含：手機

的 NFC應用軟體、安全晶片上的微程式、安全領域的個人化，3項工作透過手機與 TSM平台的 OTA服務一次完成。有了 TSM平台之後，各項的 NFC服務提供者才能把各式各樣的 NFC服務上架到 TSM平台，使用者才能透過手機申租下載 NFC服務。

由於 TSM平台的影響範圍橫跨許多產業，它的商機太大，以至於任何單一業者

想要獨自經營 TSM平台都難以讓其他業者

信服，因此世界各國多以聯盟的方式共同

經營 TSM平台。如美國的 ISIS ® TSM平

台 就 由 AT&T ®、T-Mobile ®、Verizon ® 等

電信業者聯合組成，Visa ®、MasterCard ®、

American Express ®等國際信用卡組織都是

ISIS的合作伙伴；日本的 FeliCa Network ®

則 是 由 NTT docomo ®、SONY ® 與 JR-

EAST ®合資組成。

在台灣，由 5家電信公司包含中華電

信、台灣大哥大、遠傳、威寶與亞太和悠遊

卡公司合組的 TSM平台 ─ 群信公司 ─ 也

已經成立。由於 TSM平台具有幾近獨占

式的經營模式，且其提供的相關金融服務

如電子錢包、手機信用卡服務等具有高度

安全性相關的議題，因此公平會與金管會

都對這合資經營的 TSM平台申請案進行審

查，預計在 2015年底就可以結合相關服務

提供者推出包含手機悠遊卡、手機信用卡

在內的 NFC應用服務。

國內 5家電信公司與悠遊卡公司合資共組 TSM平台營運公司（圖片來源：中華電信）

電信業者 電信業者

電信業者 電信業者 電信業者 電信業者 電信業者

電信業者 技術業者 電信業者 服務供應者

服務供應者

共同合作

ISIS FeliCa Networks

19科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

技術的發展

看到這裡，你應該開始期待使用 NFC技術了吧！到底 NFC技術可以帶給我們什麼樣的便利生活呢？

請想像你帶著 NFC手機進到一個空間，比如說機場、車站、圖書館、博物館、

大賣場等。這空間有許多與 NFC相容的各式感應設備，包含許多人的 NFC手機可以跟你感應、許多智慧標籤等著你去感應啟

動某一個動作（下載、集點、導引⋯⋯）、

許多 NFC的讀卡機可以跟你的手機互動完成一些動作，例如結帳、註冊、登記、門

禁等。是不是很有感覺呢？這些情境在不

久的未來都可以一一實現，各種服務可能

創造的商機也無可限量，也許你會躍躍欲

試呢！

30年前，電話是用轉盤撥號碼，操作電話是「用轉的」；20年前，行動電話發明

了，改成以按鍵輸入跟螢幕顯示，操作電話

是「用按的」；10年前，智慧型手機興起，

加上觸控螢幕的技術，操作電話是「用滑

的」。不久的未來，智慧手機會逐漸取代你

的皮包，走到各個場合都充滿了各式各樣的

感應設備，「嗶」一聲就可以完成一件事情，

走到哪裡就「嗶」到哪，你準備好迎接屬於

你的「嗶」世代了嗎？

不久的未來，智慧手機會逐漸取代我們的皮包，

走到各個場合都充滿了各式各樣的感應設備，「嗶」一聲就可以完成一件事情。

李威勳成功大學交通管理科學系∕電信管理研究所

繆嘉新中華電信公司電信研究院

專題報導

20 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 陳智揚

最近在傳媒與雜誌報導中，常常可以聽到「穿戴式裝置」或「穿戴式科技」。

什麼是穿戴式科技？穿戴式技術會在我們的生活中扮演什麼角色？

穿戴式科技的定義

「穿戴式科技」顧名思義就是應用現有的科技開發出微型輕便化的裝置，使其可以穿戴

在人的身上以擷取如生理資訊等的相關資訊，然後經由有線或無線通訊的方式把資料傳遞到

雲端運算，雲端再把結果反饋到個人行動裝置上，讓使用者可以得到所需要的資訊。

目前智慧型穿戴式裝置的發展相當多元，主要可分成 2大類：一般消費者使用與特定產業應用，其中促成智慧型穿戴式裝置發展的核心元素包含：

半導體技術成熟化 ─ 這技術是多重感測器整合晶片的封裝技術，不但有效縮小了智慧型穿戴裝置所採用晶片的尺寸，更保留或提升了晶片的運算能力。

低耗能傳輸技術 ─ 如 Bluetooth low energy，這技術能有效降低通訊時的功率消耗，使智慧型裝置可以採用較小容量（體積）的電池，也有效降低了裝置的體積。

能源擷取技術的發展 ─ 穿戴式裝置的設計目標是希望使用者在量測相關生理資訊時，不會感覺到它的存在，因此裝置必須盡可能微小化、輕量化。然而，電池的尺寸可說是輕薄化

路上的絆腳石，因此除了降低晶片與通訊傳輸的功耗以外，發展出能從環境中擷取能源的技

術，勢必成為下一世代智慧型穿戴式裝置的核心技術。

穿戴式科技

智慧型穿戴式裝置範疇

智慧型穿戴式裝置分類

一般消費者 產業應用

健康促進• 運動紀錄• 飲食管理

業用 --場域監測

生活品質睡眠喚醒

業用 --生產管理

軍用 --生化檢測

醫用 --生理監控

21科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

由以上分析可知，穿戴式裝置的類型可

從一般穿戴樣式到貼黏樣式，系統架構可從

單純訊號擷取分析到完整後端雲端服務，應

用更可從單純的運動記錄到行動醫療解析。

是滿足欲望還是帶來希望

記得幾年前在手機市場上叱吒風雲

的 Nokia，曾有一句讓大家朗朗上口的slogan ─ 科技始終來自於人性！的確，支持科技不斷創新發展的原動力就是人性。但

這「人性」指的是人類生活上那份單純的

需要，還是那永不滿足的欲望呢？

所有產品廠商尋求開創的不外乎是那

些具大規模的市場，廠商也都信奉「需求引

導市場，而市場驅使科技」。但這份需求若

只是為了滿足人類難以捉摸的欲望，市場的

規模肯定不如預期。相反的，若是以滿足人

類的需要為目標，市場規模是可以期待的。

以下用一個簡單的故事與讀者一起探討，到

底是什麼引領著穿戴式科技的崛起？

今天是周六，對已忙碌一周的上班族

阿明而言，周末正是在家調養生息的日子。

不過可能因為工作壓力過大，昨晚他失眠

了，睡得很不好。今天他的老婆要和同學

聚餐，阿明必須幫忙照顧家中的一對兒女，

兒子剛滿 3歲，女兒才 6 個月大。出門前，老婆特別叮嚀阿明要記得陪兒子到公園運

動，也要留意女兒的尿布疹，不要讓小寶

貝的屁屁再惡化了。

老婆出門沒多久，兒子就吵著要阿明

帶他去附近的公園玩耍，阿明只好推著娃

娃車，帶著還在沉睡的小女兒一起去公園。

酷夏的炎熱讓阿明滿身大汗，他一邊照顧

著娃娃車內的小女兒，另一方面擔心在炎

熱天氣下玩耍的兒子會不會中暑？

好不容易捱到快中午，兒子玩累了，

阿明終於可以帶著兒女回家。這時候他發

現兒子好像有些無精打采，拿耳溫槍量了

一下 ─ 39度。阿明急忙推著娃娃車，帶著小孩掛急診去了。

故事說到這，不知道您是否和筆者有

同樣的想法：阿明手邊若能有一些便利的

穿戴式科技裝置可以輔助來了解孩子的情

況，也許就不用這麼辛苦了！讓我們試著

穿戴式裝置的類型可從一般穿戴樣式到貼黏樣式，

系統架構可從單純訊號擷取分析到完整後端雲端服務，

應用更可從單純的運動記錄到行動醫療解析。

穿戴式裝置示意圖

頭戴式

腰戴式

腕戴式

穿戴式

踝戴式

腦電儀、Google Glasses

呼吸訓練

心電儀

血氧計、腕動計

計步器、心電儀

專題報導

22 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

改編上述的故事，同時扭轉阿明的悲慘世

界吧！

今天是周六，對已忙碌一周的上班族

阿明而言，周末正是在家調養生息的日子。

昨晚睡前阿明特地戴上了智慧手環（一個

可以記錄睡眠狀態，並在最適當的時間叫

醒使用者的裝置），因此昨晚他睡得特別香

甜。今天他的老婆要和同學聚餐，阿明必

須幫忙照顧家中的一對兒女，兒子剛滿 3 歲，女兒才 6個月大。出門前，老婆特別叮嚀阿明要記得陪兒子到公園運動，也要

留意女兒的尿布疹，不要讓小寶貝的屁屁

再惡化了。

老婆出門沒多久，兒子就吵著要阿明

帶他去附近的公園玩耍，阿明從容地幫小

女兒換上智慧型尿布（可以隨時偵測寶寶

是否尿尿或便便，並把資訊以無線方式即

使傳送到阿明手機上的 APP），同時幫兒

子穿上體感衣（可以即時監測生理資訊如

體溫、血氧、心跳，與量測環境資訊如溫

度、溼度，並把資訊傳送到阿明手機上的

APP）。阿明優閒地推著娃娃車，帶著沉睡中的小女兒和兒子一起去公園。

酷夏的炎熱讓阿明滿身大汗。阿明的智

慧眼鏡偵測到目前室外環境溫度過高，紫外

線指數也超標，相對溼度更是高到讓人很不

舒服的地步，因此他把兒子帶往樹下玩耍以

免中暑。這時手機中的智慧尿布 APP傳來訊息，通知小女兒已經尿了，因此阿明馬上

幫她換新尿布並檢查尿布疹的情況。

另一方面，兒子體感衣的異常資訊也

經由藍牙傳輸到阿明的手機，告知正在玩

耍的兒子體溫已經上升到 37.8度。APP綜合環境與生理資訊 ─ 皮膚溫度、出汗量、脈搏，並結合雲端運算後，顯示這是中熱

衰竭的前兆，並向阿明建議處置的方法。

聲音可以激發並活化先天失明者的大腦視覺皮層，讓他們有機會可以看到物體。（圖片來源：種子發）

23科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

上述的場景中所提到的技術，有些已經

商品化，有些部分處在試量產階段，另外也

有些技術仍停留在實驗室階段。雖然這些科

技產物處在不同的開發階段，但它們讓科技

更貼近你我的生活，也賦予科技溫度 ─ 一

個讓人們感受得到溫暖的溫度。

殺手級應用

喜歡看科幻片的人一定不會對〈星際迷

航〉中盲人工程師 Jordy LaForge戴的「真視

眼鏡」感到陌生─一個 可以讓盲人重見光明

的眼鏡！

不久之前，以色列耶路撒冷希伯來大

學的阿米爾阿馬迪博士（Dr Amir Amedi）

領導的研究團隊發現，聲音可以激發並活

化先天失明者的大腦視覺皮層，讓他們有

機會可以看到物體。該團隊利用核磁共振

掃描，發現失明者大腦視覺皮層的腹側枕

顳通路（主要負責分析物體的形態、特徵

和色彩）和背枕頂葉通路（主要分析物體

的位置）激發的方式與視覺正常者一樣。

也就是說，視覺皮層的資訊分離不需仰賴

視覺。因此，如果失明者的視覺皮層狀況

正常，就有機會在結合外部影像辨識的前

級處理後，讓失明者重見天日。

「真視眼鏡」的構想的確是個偉大的

發明！然而，這真的是穿戴式裝置的殺手

級應用嗎？很遺憾，答案是否定的！所謂

的「殺手級應用」必須是一個革命性的應

用，如智慧手機的發明改變了人們的生活

型態（雖然這樣生活型態的改變不完全是

正面的）。

在美國拉斯維加斯的 2014 消費性電子展中，穿戴式裝置成為大會的最佳主角。

其中腕戴式裝置可說是百花齊放，由手機

業者主導的運動腕帶產品 ─ 如 SmartBand （Sony）、LIFEBAND（LG），以及其他大廠的運動型腕帶 ─ 如 vivofit（Garmin）、Nabu（Razer）、Orb Fitness Plans（FitBug），讓人目不暇給，規格也各有千秋。

當然，運動型腕帶並不是唯一可以幫

我們雕塑出健美體態的小工具！在 2014年的消費性電子展中，健身與保健科技產品

可說是目前穿戴式市場熱門趨勢之一，如

TechnoGym發表了一款以Google Glass控制的

與運動、健康相關的穿戴式裝置。（圖片來源：2014 消費性電子大展）

TechnoGymBabolat Play Lumo Lift

Are you ready to be lifted?

SleepPhone

專題報導

24 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

跑步機，這跑步機不但可以用語音直接控制，

眼鏡上更可直接顯示目前的跑步資訊，甚至

允許使用者直接在線上與教練視訊討論。

Babolat Play的智慧型網球拍特別請到網球界的紅土天王 Rafael Nadal代言。這球拍上布滿了許多感測器與陀螺儀，可以偵

測揮拍動作、擊球位置、擊球力道、揮拍

速度等。在練習或比賽結束時，使用者可

以透過藍牙或 USB把資料傳輸到手機上，

藉以分析揮拍是否準確，有無改善空間。

在保健方面，Lumo Lift發表了一款利用磁扣的方式別在上身衣服任何一角的裝

置，設計的靈感起因於現代人因為長時間

姿勢不良，所引起的全身性酸痛越來越多。

這一隨身配戴式的裝置，不論使用者是站

著或是坐著，只要不小心駝背了，就會透

過震動的方式提醒他們！當然，被失眠所

苦的人更不能錯過試用這次大展中的創意

各家運動型腕帶比較表

廠商 ─ 產品 功能 規格需求 （預定）售價

Sony – SmartBand

● 智慧喚醒● 圖像記錄● 防水 ─ IP58

● Android 4.4● BLE 4.0 99.99 USD

LG – LIFEBAND TOUCH

● 心跳率監視 （需搭配 LG Heart Rate Earphone）

● OLED面板● Android & iOS 150 USD

Garmin – vivofit

● 顯示步數● 移動距離● 消耗熱量● 睡眠品質● 電量可使用 1年

● Windows, Mac, Android, iOS

● BLE 4.0129.99 USD

Razer – Nabu

● 2個 OLED通知螢幕● 定位資訊● 生理資料回饋● 睡眠資料● 手環對手環通訊

● Android & iOS 49.99 USD（for開發者）

FitBug Orb Fitness Plans

● 顯示步數● 移動距離● 消耗熱量● 睡眠品質（沒有 alarm）

● Android & iOS 49.95 USD

25科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

大獎 ─ SleepPhone睡眠耳機，它強調以舒適的穿戴式頭套聆聽柔和的睡前音樂，可

以使您輕鬆地進入夢鄉。

在看過 2014 消費性電子展中的穿戴式裝置後，不難看出許多產業如手機大廠、

導航裝置的領導品牌、運動休閒器材等主

要供應商，不約而同地都把自家產品向穿

戴式裝置（科技）靠攏，但這些應用似乎

都不是我們所企盼的「殺手級應用」。難

道這些大廠認為把產品結合穿戴式裝置後，

就可以帶給公司超乎預期的獲利或額外加

值嗎？還是他們別有目的呢？

海量資料分析

試想如果您是公司的決策者，請容筆

者請教一個問題：在巨大的洪流來臨之前，

您是否會為公司提前買一張可以安全登上諾

亞方舟的船票？當各家手機大廠、半導體供

應商甚至傳統產業都深刻感受到營業額無法

增長，毛利率卻逐年下修時，買張可搭上諾

亞方舟的票，似乎是一個讓公司躲過這場浩

劫並生存至下一世代的機會。而這艘諾亞方

舟，正是最近常被廣泛討論的「海量資料分

析」。

在高度資訊爆炸的時代，每天⋯⋯不，

更精確地說，應該是在每秒裡，我們都不斷

地留下（累積）數位足跡。依據 IBM的統計，全世界每天建立 2.5百萬兆位元組的資料，數量之多，光是過去兩年新建立的資料

量就占當今世界總量的 90 ％。這些資料來源相當廣泛，舉凡蒐集環境或氣候資訊的感

應器、社交媒體網站的貼文、數位圖片與影

像、採購交易紀錄、行動電話 GPS訊號等，這類的資料就是所謂的海量資料。

討論至此，不知讀者是否已經看出端

倪了呢？

這將會是一張巨幅的拼圖 ─ 海量資料分析，所有的穿戴式裝置都是其中一塊不

可或缺的拼圖，它承擔著最前端的（生理

與環境）資料擷取。請留意這些資料並無

法直接使用，而必須先規範、分類、整理

與驗證後，才能成為有用的資料。在匯聚

更多的資料後，藉由建制分析、統計演算

法，平台服務商方能在海量資料中找（撈）

出更全方位且高價值的服務。因此，請屏

息以待，迎接這以海量資料分析為核心的

「穿戴新紀元」吧！

在匯聚更多的資料後，藉由建制分析、統計演算法，

平台服務商能在海量資料中找（撈）出更全方位且高價值的服務。

陳智揚台達電子工業股份有限公司

海量資料分析 資料分類

統計與分析

資料驗證 穿戴式裝置

海量資料與穿戴式裝置關係示意圖

專題報導

26 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 王振興

隨著運算科技的快速發展，

行動裝置如智慧型手機或平板電腦的運算功能越來越強大，

利用行動裝置的運算功能或內建的感測元件所開發的應用程式呈爆炸性的成長，

增加了使用者對這類裝置的依賴性。

健康生活型態的重要

現代人不僅追求生活品質，也非常注

重個人健康管理。良好的個人健康生活型

態，是追求自我健康的根本。世界衛生組

織在 1986年的渥太華健康促進憲章中，對

「健康促進」的定義是「使人能加強掌控

並增進自身健康的過程」，強調健康促進應

包含建立健康的公共政策、創造支持性的

環境、發展個人技巧、強化社區行動與重

新定位健康服務五大行動綱領。

個人健康生活型態包括哪些層面？如

何落實自我健康促進與管理？世界衛生組

織指出，「活動量不足」已成為全球第四大致死因素，每年有 6 ％ 的死亡率與低活動量有關，

僅次於高血壓的 13 ％、菸品使用的 9 ％ 及高血糖的 6 ％。臨床研究顯示，活動量不足除了增

加死亡率外，還會使心血管疾病、糖尿病、肥胖的風險加倍，並增加大腸癌、高血壓、骨質

疏鬆、脂質失調、憂鬱、焦慮的風險。許多國家活動量不足的人口比率正不斷增加，國內也

有相同的問題。

穿戴式科技的保健應用

現代人不僅追求生活品質，也非常注重個人健康

管理。（圖片來源：種子發）

27科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

近年政府醫療政策已從「疾病治療」

轉為「健康促進」，也就是希望民眾能透過

健康的日常生活以遠離疾病。雖然一般民

眾知道不良的生活型態會衍生許多疾病，

但若對每天的生活型態自我感覺良好而不

檢視，日積月累就會演變成慢性疾病。因

此，量化自我生活型態並設定合宜的活動、

睡眠、飲食目標，有助於養成良好的生活

習慣。

穿戴式裝置的興起

隨著運算科技的快速發展，行動裝置

如智慧型手機或平板電腦的運算功能越來

越強大，利用行動裝置的運算功能或內建

的感測元件所開發的應用程式呈爆炸性的

成長，增加了使用者對這類裝置的依賴性。

感測元件依功能可分為：體感控制的

應用 ─ 包含加速度計、陀螺儀、磁力計，用來偵測物體運動的狀態或軌跡；光學感

應的應用 ─ 主要有距離感應器、攝影機、光度感測器，可以用來作周遭環境感測、

人臉辨識、手勢辨識或手勢移動偵測等；

環境感測的應用 ─ 像是全球衛星定位系統、溼度計、氣壓計、溫度計、壓力計等。

業者使微控制器與感測元件微小化並

降低其功耗，發展成穿戴式裝置。由於穿

戴式裝置主要是穿戴在人身上，宜輕薄短

小、省電，因此運作模式以蒐集或儲存資

訊與簡易運算為主，較複雜的分析運算則

傳輸至行動裝置。多半產品在資訊傳輸上

選擇低功耗的短距無線傳輸技術，如低功

耗藍牙、ZigBee、ANT +或近場通訊等 。為因應臨床醫學上健康促進及量化生活型

態如身體活動量、睡眠品質等需求，穿戴

式裝置結合雲端服務的行動健康促進系統

已應運而生。

在 2014年美國消費電子展中，穿戴式手環、手表等琳瑯滿目。有知名運動品牌

公司主打藉由使用者配戴慣性訊號感測器

記錄運動狀況，並透過應用程式把資料傳

輸至雲端系統分析，再從感應器本身、網

站或手機應用程式等觀看紀錄與回饋，進

而增加使用者規律運動的行為。也有廠商

開發以健康生活型態管理為目的的產品，

使用者也是藉由配戴智慧手環記錄日常 24小時包含睡眠的身體活動資料，再透過紀

錄與回饋讓使用者增加其身體活動行為和

改良睡眠品質。

2014年美國消費電子展的資料指出，2013年有 75 ％ 的人擁有健康促進科技的產品，購買穿戴式裝置的使用者從 2012年的3 ％ 成長至 2013年的 9 ％。美國消費性電子產品 2014年的調查也指出，未來一年預計有 2千 7百萬的美國人會購買穿戴式裝置產品。這些五花八門的穿戴式裝置、相

關應用程式和雲端運算科技的興起，儼然

形成了WHO的健康促進五大行動綱領中的科技化與雲端化的支持性環境。

產生健康指標數據的原理

臨床生理訊號量測儀器微小化後，整

合至穿戴式裝置成為運動健身或行動醫療

臨床生理訊號量測儀器微小化後，

可整合至穿戴式裝置成為運動健身或行動醫療照護的工具。

專題報導

28 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

照護的工具。這類裝置大多以體表可以量

測到的訊號為主，如活動訊號、體溫、皮

膚電導、血壓、血氧、心電訊號（心律）、

腦波等。

目前市面上的穿戴式產品有 3軸、6軸、9軸，甚至 12軸的感測元件。3軸是指感測元件是 3軸加速度計；6軸的產品可能整合了 3軸加速度計與 3軸陀螺儀，或 3軸加速度計與 3軸磁力計；9軸則包含了 3軸加速度計、3軸陀螺儀與 3軸磁力計；12軸則是把前述的 9軸再加上壓力、溫度、光感測器 3項環境感測器。為了使穿戴式產品更方便使用，感測元件的體積大約都

在 3 mm×3 mm×1 mm或更小。加速度計用來量測穿戴部位如手部或

腳部單位時間內的運動速度變化，單位是

每平方秒的公尺數（m／s 2），正值代表加速，負值代表減速。當穿戴者在靜止狀態

時，加速度訊號就是重力加速度；當穿戴

者運動時，加速度訊號則包含了物體的運

動加速度及重力加速度。在獲取運動加速

度值後，經過一次及二次積分就可得知穿

戴部位的運動速度和軌跡。

陀螺儀主要量測穿戴部位在單位時間

內的角度變化，即動態旋轉時的角速度值，

單位是每秒所旋轉徑度量（rad／s），正值代表逆時針旋轉。

三軸陀螺儀的 X和 Y軸與地球表面平行，Z軸則與地面垂直。當穿戴部位分別繞著

X、Y、Z軸旋轉時，就可分別獲得繞著 X、Y、Z軸旋轉的角速度，透過一次積分後

便可獲得三維空間中運動的

姿態角度，分別是滾轉角、

俯仰角及偏航角。

一般來說，地球磁場可視為地球中心有一個大磁鐵

的雙極性磁場，其強度約為 0.5～ 0.6高斯。磁場的北極在地理的南極附近，磁場南北極與地理南北

極軸線間約有 11°的夾角。此外，地球磁場方向是南半球指向上、赤道指向水平、北半球指向下，因

此地球磁場與當地水平面有一個隨緯度改變的磁傾

角，它的變化範圍是±90°。

磁力計或稱電子羅盤用來量測穿戴部

位在旋轉時所產生相對於當地磁場的變化

量，並可藉由這變化量得知穿戴部位繞著

垂直地面的 Z 軸旋轉的偏航角，單位是高斯（gauss）。

偏航角

Z

X

X

滾轉角

俯仰角

地磁南極

地理北極

地磁北極

地理南極

11°

S

N

29科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

光感測器主要量測脈搏或血氧濃度，

是利用發光的 LED接觸皮膚，把光線打入皮下組織的微血管，並利用光感測元件吸

收光線能量的原理，把光線在血管中受血

流脈動影響的變化轉換成電訊號的變化。

因為血管內單位面積的血流量會隨著心臟

的搏動而變化，光感測元件吸收到的能量

也會隨著血液量的變化而改變，因而可以

量測脈搏。

另外，利用 660奈米和 905∼ 940奈米兩顆不同波長的 LED照射皮膚部位，藉由含氧與不含氧的血紅蛋白對這兩種波長

的吸收率有很大的差別，可以量測動脈中

含氧與不含氧的血紅蛋白的比例，計算出

血氧濃度以檢測健康狀態。

感測元件量測的訊號如何透過訊號處

理的流程產生分析結果呢？訊號分析流程

包括感測訊號蒐集、校正、濾波、訊號視

窗化、特徵擷取、特徵降維與辨識 7個程序。當感測元件蒐集到原始訊號後，就可

進行訊號的校正，降低感測元件本身因素

或外在環境因素而產生的量測誤差與訊號

飄移，並透過濾波器濾除人體動作或其他

因素所產生的雜訊。

因為感測訊號是時序訊號，所以用視窗

法把時序訊號擷取成多個固定長度的視窗，

再對每一個視窗訊號進行特徵擷取，轉換

成不同的特徵值，再透過特徵降維的程序

把不重要的特徵值去除，以降低運算複雜

度。最後，把降維後的特徵值輸入辨識器

產出分析結果。這就是軟體的分析演算法，

運算複雜度依各程序中選用的方法而有所

不同。有時為了直接在穿戴式裝置內的微

控制器運算，會簡化或省略部分程序。

感測元件量測的訊號分析流程圖

光感測器主要量測脈搏或血氧濃度（圖片來源：

種子發）

資料蒐集

校正 濾波 訊號視窗化 特徵擷取 特徵降維 辨識器分析結果

專題報導

30 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

結合雲端智慧保健

業者在發展穿戴式產品時，都會建立

自己的雲端健康促進生態圈，包含完整生理

訊號感測的穿戴式裝置、行動裝置的應用軟

體、健康管理加值服務，以及雲端服務系統

所提供的適性化健康促進內容或課程。

穿戴式裝置大小如手表或手環，具備

多種生理資訊感測功能，包含活動、睡眠

與心律紀錄，以及行動裝置所衍生的應用

程式如飲食紀錄、減重助手、舒眠工具、

健康日誌等自我健康管理功能。使用者透

過 24小時配戴手表或手環，記錄日常活動與睡眠資料，使用應用程式上傳資料並記

錄飲食內容至雲端資料庫分析，再從應用

程式或網站瀏覽個人的健康資料。

雲端行動健康促進系統不僅可用於偵

測個人的生活型態是否符合健康標準，並

可了解可能潛藏的健康風險。若系統能提

供使用者貼心的功能，如減重助手或舒眠

工具等，更可讓使用者自發地改善不良健

康行為，達成每日進行足量身體活動，建

立良好睡眠品質和均衡飲食行為的健康生

活型態。

根據國外的研究，雲端健康促進系統

能有效增加青少年在中等費力以上身體活

動的時間。但實驗過程中有部分參與者鮮

少使用網站且退出研究，原因可能是這促

進系統無法吸引身體健康的青少年使用，

因此建議未來應為這個族群量身打造更具

吸引力的介入方式。

國內的研究也指出，雲端健康促進系

統結合數位內容與行為改變策略，最能有

雲端行動健康促進系統不僅可用於偵測個人的生活型態是否符合健康標準，

並可了解可能潛藏的健康風險。

穿戴式裝置的雲端智慧保健系

統平台架構

健康促進手表、手環與手機。

數位內容與雲端平台 雲端自動化分析系統

手機及電腦應用程式

網路

醫療專業資料庫

生理訊號感測網路

資料傳輸

USB

Bluetooth

31科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

效提升學生的健康促進行為。同時，足量

身體活動也使學科測驗中的理解和應用認

知向度有明顯進步，這或許支持了身體活

動能優化大腦執行功能，改善學習表現的

說法。

多元發展

未來穿戴式科技運用於智慧保健，必

須整合軟、硬體，以及提供適性化的數位

內容與服務，以符合使用者健康管理的需

求，有效養成使用者健康管理習慣，才是

發展的關鍵。

政府若能整合穿戴式裝置與醫療健康

產業形成完整的生態圈，並輔導業者創新

數位健康促進內容與服務，不僅能提升國

內產業在國際市場上的競爭力，在國內也

能創造適性化的雲端健康促進環境，協助

國人養成自我促進與管理的習慣。

另外，對國內產業而言，可以透過雲

端智慧保健生態圈與其他產業進行異業結

盟，例如穿戴式裝置的製造商販售產品給

民眾，並儲存海量分析資料，健檢業者與

醫療保險業者可以在民眾同意以及個資完

善保護下，利用海量資料的分析結果，來

降低服務成本並提升品質。

對政府而言，可針對民眾長期生理健

康紀錄進行海量資料分析，做為擬訂智慧

保健教育方針或政策的參考。更可以提供

給醫療院所或全民健保系統，讓醫療人員

能夠透過這些分析資訊，更精準地提升對

民眾的衛教服務，協助改善身體健康狀況，

降低醫療資源浪費的情形。

王振興成功大學電機工程學系

雲端行動健康促進系統不僅可用於偵測個人的生活型態是否符合健康標準，

並可了解可能潛藏的健康風險。

活動紀錄應用程式的分析內容

專題報導

32 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

單元介紹對齊左邊

■ 鄭國順、施成霖

在智慧型手機廣泛流行下，以它為基礎開發失語症治療的應用軟體，

不失為解決目前治療所面臨問題的好辦法。

隨著智慧型手機（smartphone）功能的提升與使用的漸廣，它在醫學應用方面

受重視的程度益深，更吸引了大量的研發

資源，目前最成熟的應用就是測量與記錄

心電圖（electrocardiogram，簡稱 ECG波形）。

從New Medical Ideas網頁中可以看到，智慧型手機大大改變了臨床醫療與個人照

護的模式，甚至已有超過 4萬個軟體可應用於醫學方面，如協助婦女懷孕計畫、監

測心情變化、幫助減重，分析咳嗽是否嚴

重等。 在研究應用方面，則有澳洲昆士蘭技

術大學 Worringham、Rojek、Stewart 等人研發的智慧型手機可應用於心臟復健。他

們經由整合 GPS與無線傳輸，可同時記錄使用者的位置、心電圖波形、心律和速度

等即時資訊，並傳輸至伺服器端。

用智慧型手機輔助治療失語症

智慧型手機大大改變了臨床醫療與個人照護的模式，

甚至已有很多軟體可應用於醫學方面。

New Medical Ideas網頁中所顯示的產品，(a)是聖路易斯華盛頓大學所研發的以 USB超音波探頭為基礎的影像系統；(b)是 Azumio公司所開發稱為Stress Doctor的壓力分析裝置，可觀察呼吸性竇性心律不整的人體自然現象，做為生物迴饋以降低

人體壓力；(c)是 iHealth Lab公司所開發可以整合iPhone的無線式血壓測量裝置。這些產品裝置在未來的老人居家照護方面有相當大的商機。

(a) 智慧型手機的超音波影像系統

(b) 壓力分析裝置 (c) 無線手腕式血壓測量裝置

33科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

美國航空暨太空總署強生太空中心與

軌道研究公司也共同開發出乾式電極背帶，

可以同時記錄 12個導程的心電圖。除此之

外，這個太空中心也與哈佛大學、TopCoder

軟體開發公司共同主辦無線傳輸軟體競賽，

讓參賽者撰寫安卓（Android）智慧型手機

軟體。

智慧型手機大大改變了臨床醫療與個人照護的模式，

甚至已有很多軟體可應用於醫學方面。

各種以智慧型手機為基礎的商用心電圖測量記錄裝置，這類裝置主要是透過外部資料擷取裝置與電極，經由有

線或無線（藍牙）的方式測量並記錄心電圖波形與相關生理參數，以做為個人健康照護的參考。

整合多種資訊的心臟復健系統的顯示畫面，在地圖

中橘色處就是受測者的位置。

美國航空暨太空總署強生太空中心與其他公司所

共同開發的十二導程心電圖無線測量背帶（圖片

來 源：www.nasa.gov/pdf/644144main_schlegel.pdf , “Wireless self-acquisition of 12-lead ECG via android smart phone”）

AliveCor公司以 iphone為基礎的心電圖記錄裝置

Lifetone Technology所設計的 iphoneECGEverist Genomics公司將推出以 HTC為基礎的 CardioDefender

A

C

B

E

D

(RA) (LA)

V1-V6

（於內側）

（塞入褲內）

(LL)

（RA 於 右臂墊下方）

專題報導

34 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

美 國 伍 斯 特 理 工 學 院（Worcester Po ly techn ic Ins t i tu te）Lee、Reyes、McManus、Mathias、Chon等學者也應用智慧型手機開發心房纖維化顫動的偵測系統。

他們應用 iPhone 4S照相機拍攝食指或中指指尖部分，透過所開發的應用軟體轉換成相

關資訊，得以即時偵測心房纖維化顫動。

溝通是物種間非常重要的訊息傳遞行

為，透過交換訊息，使物種在大自然環境

中可以趨吉避凶，生生不息地繁衍著。

人類大概是現存世界上唯一會使用語

言進行資訊交換的物種，經由特殊結構的

嘴巴與喉嚨，再適當控制肌肉與嘴形，就

可以發出各種語音來表達辭彙。隨著地域

與族群演化，不同國家與民族間各自形成

自我的文化習俗，使得彼此有不同的語言

文字。但觀之周遭的瘖闇者，因無法以言

語發音而失去了表達自我需求的能力，造

成生活上很大的障礙，可見語言溝通的重

要性。

失語症是一種無法以口說表達的腦

部病變，主因是大腦語言區發生重大創

傷。根據研究，人類大腦語言區域包含 4個主要部分，分別是布洛卡區（Broca’s

以 iPhone 4S所開發的心房纖維化顫動偵測系統雛型（圖片來源：J. Lee, B. A. Reyes, D. D. McManus, O. Mathias, and K. H. Chon, “Atrial fibrillation detection using an iPhone 4S,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 60, no. 1, pp. 203-206, Jan. 2013）

大腦中和語言相關區域的位置圖（圖片來源：L. L. LaPointe, Eds., Aphasia and Related Neurogenic Language Disorders, 4th ed. New York: Thieme, 2011）

弓狀束

布洛卡區

渥尼克區及角腦回

Measuring

STOP

HEART RATE

NONE

HEART RATE

Resting HR

Symptom Tracker

View Saved Data

RHYTHM ID

SELECT

GO

PROGRESS

TIME REMAINING

NORMAL

ResultCancel Savediscard

Low NORMAL High

35科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

area）、渥尼克區（Wernicke’s area）、角腦回（Angular gyrus）和弓狀束（Arcuate fasciculus）。這些區域都集中在人腦的左半部，只有少數出現在右半部，每個區域各

負責不同的功能。

布洛卡區位在大腦前額葉，它的主要

功能是產生語言，透過神經刺激傳導，控

制嘴部肌肉的運作而說話。渥尼克區則位

在顳葉，主要負責理解說寫語言。角腦回

位於顳葉上面和渥尼克區後面，它的功能

與前者類似，和語言表達技巧有關。弓狀

束則是前述兩區的連結傳導神經纖維束，

藉其作相互的溝通。

失語症分類非常繁雜，令人迷惑，不

過可以簡單分為下列數種，即表達性失語

症、接受性失語症、傳導性失語症、無法

命名性失語症和整體性失語症。

當發生腦部中風時，病患一開始常出現

整體性失語症，但如果損傷部位不太大，經過

早期語言治療應可以改善與復原。不過臨床常

見的失語症多是無法命名類，而其最佳治療方

式也是語言治療。其治療前通常會使用標準量

表評估其聽力、說話、閱讀、書寫等能力損傷

的程度，然後才提供適當的療程。

治療無法命名性失語症的方法是一種

結構化提示方式，語言治療師會先使用圖

片顯示物品，然後要求病患說出物品名稱。

若病患無法指出物品名稱，則語言治療師

會引導提示說明，直到病患正確說出物品

名稱。但若病患在一定時間下仍無法正確

說明，語言治療師會直接明述該物品名稱，

並要求病患跟著正確發音。

但這治療方法常受到一些因素的影響，

讓患者沒有辦法持續，因而喪失了完整治

智慧型手機的基本規格

系統基本配備

作業軟體 Android 2.x以上

處理器頻率 800 MHz以上

記憶體 1 GB以上

功能 語音記錄與播放功能

顯示視窗

大小 4.3 英寸以上

解析度 480×800畫素以上

攝影機

畫素 300 Mega畫素以上

功能 自動對焦

網路

型式 Wi-Fi或 3G

專題報導

36 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

療的機會，例如治療過程通常需要一對一，

流程相當耗時煩瑣；國內語言治療師數量

不夠，合格者大概只約 600位；受到設備限制，無法定時治療。

在智慧型手機廣泛流行下，以它為基

礎開發失語症治療的應用軟體，不失為解決

上述困擾的好辦法。目前學研單位已開發出

多種失語症治療輔助裝置的智慧型手機規

格，其軟體是架構在谷歌（Google）的安卓系統上，程式設計則是以日蝕（Eclipse）為主的整合開發環境（integrated development environment，簡稱 IDE）。

系統軟體功能的架構包含多個子程式，

每個子程式的功能分別簡述如下：病患或

受測者的姓名、病歷號碼等資訊可以從輸

入介面鍵入，以建立手機與雲端資料間的

連結；其次系統訓練資料庫與檔案，和 IP與 FTP設定等，則透過手機系統與雲端網路設定程式介面輸入；再者整合 QR二維碼的掃描與解讀免費應用軟體，用以對焦掃

描並解讀所訓練的辭彙；最後透過訓練提

示功能與訓練紀錄上傳等程式，提供受測

者或病患整體訓練過程的機制與紀錄。

以手機為基礎所開發的失語症治療輔助裝置的軟體系統操作流程

以手機為基礎所開發的失語症治療輔助裝置的系統

軟體功能架構

以手機為基礎所開發的失語症治療輔助裝置的輸入

受測者介面與系統設定介面

智慧型手機在醫學應用上的研究方向已從以往臨床診斷型的輔助裝置，

逐步演進為治療型系統。

主程式

資料輸入程式

手機系統與雲端網路設定程式

QR二維碼

訓練提示功能程式

訓練紀錄與上傳程式

選用安卓系統

智慧型手機

應用雲端系統

載入照片與提示語音檔案

輸入病患資料與

系統設定

掃描與解碼

QR二維碼進行訓練並

記錄病患回覆語音

上傳整個訓練紀錄至

雲端資料庫

應用雲端系統載入安裝

失語症訓練程式

37科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

受測者居家自我訓練流程可以從手機

開機進入畫面開始，使用者可以先從居家

已經貼好 QR二維碼的常接觸物品如電冰箱、電腦等著手練習。以水果刀為例，把

手機對準 QR二維碼後，手機會自動從雲端匯入相關資料，並開始訓練提示與記錄，

最後把相關資料檔案上傳至雲端系統。

根據研究者的報告，比較兩位失語症受

測者治療前後的命名正確率與反應時間，顯

示這一系統能提供患者有效的改善。

雖然本文僅略述智慧型手機在醫學應

用上的冰山一角，但是分析近年來智慧型

手機在醫學應用上的諸多研發案例，可以

發現整體研究方向已從以往臨床診斷型的

輔助裝置，逐步演進為治療型系統。這一

趨勢使得智慧型手機在預防醫學與個人醫

學上的應用更顯重要，不過其將來的發展

程度仍有賴學者專家的創意與專業，所謂

「口袋內的個人醫學裝置」是可以期待的。

鄭國順、施成霖成功大學生物醫學工程學系

手機的失語症訓練啟動畫面

兩位失語症受測者的命名正確率

（左圖）和反應時間（右圖）。（圖

片來源：C.-L. Shih, K.-S. Cheng, J.-L. Wang, B.-S. Jhang, and C.-H. Yang, “Smart phone based assistive speech therapeutic system for aphasia,” Proc. IEEE Int. Conf. Consumer Electronics-Berlin, 2013）

QR二維碼掃描並載入訓練提示照片與語音

反應時間

正確率

正確率

80 ％

70 ％

60 ％

50 ％

40 ％

30 ％

100 ％

90 ％

80 ％

70 ％

60 ％正確率 療程

療程

Pre-T T-1 T-2 T-3 T-4 T-5 T-6

Pre-T T-1 T-2 T-3 T-4 T-5 T-6

治療語言

治療語言

一般語言

一般語言

350

300

250

200

150

100

350

280

260

240

220

200

50 ％ 60 ％ 70 ％ 80 ％ 90 ％ 100 ％

40 ％ 50 ％ 60 ％ 70 ％

Pre-T

Pre-T

Pre-T

Pre-T

T-6

T-6

T-6

T-6

38 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

桂冠得主

2014年諾貝爾生理與醫學獎頒給了英國科學家約翰‧歐基輔（John O’Keefe）及挪威科學家夫婦梅伊 ─ 布里特‧穆瑟（May-Britt Moser）與愛德華‧穆瑟（Edvard Moser），因為他們發現大腦內特殊的細胞，有助於了解高等動物大腦內

的導航系統。

歐基輔擁有英國與美國兩國籍，1939年出生於紐約，1967年從加拿大馬基爾大學（McGill University）取得生理心理學博士學位後，到倫敦大學學院（University College London）接受博士後研究訓練，從此就一直留在這所大學。歐基輔

於 1987年升任認知神經科學教授，目前是倫敦大學學院 Sainsbury Wellcome 神經迴路與行為中心主任。

梅伊 ─ 布里特‧穆瑟 1963年生於挪威的小鎮佛司那沃格（Fosnavåg），她與後來成為丈夫且分享桂冠的愛德華一起在奧斯陸大學（Oslo University）攻讀心理學，並在 1995年取得神經生理學博士學位。在愛丁堡大學從事博士後研究後，

又到倫敦大學學院擔任訪問科學家，1996年回到

2014年諾貝爾生理與醫學獎 ― 大腦中的導航裝置人類大腦內建的導航或推測航行裝置對應的腦區，

恰與阿茲海默氏症早期症狀影響的腦區多所重疊，

而且眾所周知，阿茲海默氏症病人經常迷路，迷路也是早期症狀之一。

■ 白明奇

約翰‧歐基輔。（圖片來源：The Jewish Daily Forward）

穆瑟夫婦（圖片來源：挪威科技大學網頁）

39科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

特隆赫姆（Trondheim）的挪威科技大學，

並在 2000年升任神經科學教授，目前擔任

特隆赫姆神經計算中心主任。

愛德華‧穆瑟 1962年生於挪威的奧勒

松（Ålesund），於 1995年取得奧斯陸大學

神經生理學博士學位。他與夫人梅伊 ─ 布里

特同樣在愛丁堡大學從事博士後研究，後來

到倫敦大學學院歐基輔的實驗室擔任訪問科

學家。1996年，他回到位於特隆赫姆的挪威

科技大學，並在 1998年升任教授，目前是

卡威（Kalvi）系統神經科學研究所所長。

故事的起源

1948年，美國加州大學實驗心理學家

愛德華‧投爾曼（Edward Tolman）在連續

觀察動物的行為後，提出認知地圖的概念，

意指在一個環境中自由活動一段時間之後，

這動物的腦內會對這個環境的外形、擺設

逐漸形成一種類似地圖的表徵。

投爾曼做了許多饒富創意的實驗，最

具代表性的是老鼠的認知研究。老鼠經過

多次訓練使其在離開出發點後，能很快地

找到目標，並取得食物。測試開始時，實

驗者會堵住原來的通道，老鼠便被迫退回

圓形區，試看牠會朝哪個方向去？結果最

多的可能出現在原來目標的位置。這代表

老鼠的行為模式應是大約知道目標的位置，

而非僅憑單純的刺激 ─ 反射。 於是，當時的科學家都預測在動物腦

中或許有個部位，甚至是一群神經細胞，

負責認知地圖的任務。

位置細胞

23年後，歐基輔與約翰‧朵司差夫思基（John Dostrovsky）果然在老鼠的腦中發現了位置細胞（place cells）。當老鼠在一個特定且有邊界的空間中，總有一群位置細

胞會被活化，單一位置細胞表徵的區域稱

為位置場域。

投爾曼有名的認知地圖動物實驗

Training Test

Tolman EC, 1948

StartA

D

GGoal

Pathway

F

E

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

36

17

97.5

462

Percentage of Rates

Start

Blocked

Light

Start

181

23

45

67

89101112

1314

1516

17

181716

1514

1312

11 10 9 8 76

54

321

40 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

第一批被發現的位置細胞位於海馬迴背

側，一個稱為 cornus ammonis 1（CA 1）的腦區，位置細胞是構成海馬迴最主要的細胞，

這一指標性的研究論文發表於 1971年。幾年後，利用位置細胞的概念，理查‧莫利士

（Richard Morris）發明了水迷津，成為許多行為心理學研究的派典（paradigm），更促成了數量驚人的海馬迴與空間記憶能力的研究。

動物如何知道當下是身在何處呢？這

可能要從出發點或上一個所在的地方開始，

並逐步整合剛剛所走過的距離及方向，才

能對最近一次的移動形成記憶進而定位。

歐基輔的研究證實了原來的臆測絕非空想，

後來的科學家持續研究位置細胞，確認了

位置細胞更多的角色與功能，也發現它能

夠量測距離。不僅如此，經過持續的研究，

歐基輔還發現改變實驗環境的擺設與景象

之後，動物能夠重新學習，再度形成新的

地圖，並且穩定地持續一段時間。

換言之，一群位置細胞表徵一個環境，

到了另一個環境，則換成另一群位置細胞

來完成。這種由同一個神經細胞在不同環

境扮演不同角色，並靠著不同組合以形成

空間記憶的講法，後來被延伸並用以解釋

記憶，構成了記憶的三大理論之一，即認

知地圖理論。

記錄單一神經細胞活性的技術並非歐

基輔所創，首次用這技術研究大腦功能的

人也不是他，但歐基輔是第一個讓動物在

接近自然界的情況下移動，並結合這技術

的科學家。這樣的巧思才得以讓歐基輔觀

察到動物對環境形成表徵的奇特現象。

網格細胞

來自挪威的穆瑟夫婦，先生精於數學

運算，夫人則負責實驗設計。他們從奧斯

陸安徒生（Per Andersen）的實驗室取得博

士學位後，先後來到理查．莫利士位於愛

丁堡的實驗室與歐基輔位於倫敦的實驗室，

他們對一個問題深感興趣：「海馬迴之外的

活動有沒有可能讓位置細胞活化？」

在大腦內，緊臨海馬迴最重要的腦區就

是內嗅鼻皮質（entorhinal cortex），它就像

歐基輔是第一個讓動物在接近自然界的情況下移動，

並結合單一神經細胞活性記錄技術的科學家，

這樣的巧思讓他得以觀察到動物對環境形成表徵的奇特現象。

網格細胞，有如蜂格般的六角形框格。（圖片來源：

倫敦大學學院網頁）

41科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

海馬迴的門房或出入管制站，可把傳自遠方

腦區的訊號接力送到 CA 1，也就是歐基輔

發現位置細胞的所在。2002年，穆瑟夫婦

切斷這個連結，卻發現位置細胞的活性依然

如故。2004年，他們發現在內嗅鼻皮質也

有類似位置細胞功能的神經細胞，然而這不

稀奇，因為早已有人報告這一發現，但是隔

年他們發表的論文卻是驚人的。

過去科學家用這個技術研究動物行為

時，多在狹隘的實驗空間，穆瑟夫婦卻用

更大的空間讓老鼠自由移動，結果發現了

另外一群特點非常神奇的細胞。起初他們

的研究團隊還以為是錯誤的訊號，經過反

覆的驗證，終於認定在動物的腦中確實有

類似衛星導航的裝置。

這種後來被稱為網格細胞（grid cells）

的神經元有一種特性，它就像一個特定的

空間被劃上很多綿密、一如蜂窩的六角形

框格，當動物進入六角框格的任一個結點，

就活化同一個網格細胞。網格的結構很複

雜，用不同的方向、間距與向度編織成精

密的導航系統，因此，當動物在一個特定

的環境裡自由活動時，只要幾個網格細胞

就能夠精準地定義這個空間，即使沒有明

顯的地標做為視覺索引，一樣辦得到。

一如當年投爾曼預測位置細胞的存在，

早在 2000年，歐基輔團隊經由學說模式就

推定應該有網格細胞的存在。

不同的內嗅鼻皮質次區的網格細胞的

網格分野距離大小各異，決定網格細胞活

化的外來刺激也非僅僅單純轉化運動與感

覺的神經訊息。後來發現，同一個內側內

嗅鼻皮質細胞在小環境表現如位置細胞，

但在稍大的環境中則如同網格細胞。

歐基輔是第一個讓動物在接近自然界的情況下移動，

並結合單一神經細胞活性記錄技術的科學家，

這樣的巧思讓他得以觀察到動物對環境形成表徵的奇特現象。

左上：位置細胞；左下：網格細胞；

右上：頭向細胞；右下：邊緣細胞。

紅色代表活性強，藍色則表示活性弱

或無。（圖片來源：Kloosterman Lab, a free website）

180° 0°

270°

90°

50 cm

10.0 Hz8.0

6.04.0

2.00.0

16

0

rate(Hz)

42 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

穆瑟夫婦後來認定網格細胞能夠完整

執行功能還有賴其他兩種細胞的協助，一

個是首先由詹姆士‧朗克（James Ranck Jr）於 1985年提出，後來由傑佛瑞‧陶比（Jeffrey Taube）發揚光大的頭向細胞（heading direction cells）；另一個是蘇史達（Solstat T）、沙維利（Savelli F）等人在2008年提出的邊緣細胞（border or boundary cells）。經由這幾種細胞的合作，老鼠就有可能定義空間。

事實上，當諾貝爾獎委員會宣布 2014年醫學或生理獎桂冠得主時，馬上有一股

聲音指出詹姆士‧朗克也應該得獎，因為

穆瑟夫婦做的事情與他一樣，但受限於每

個獎項最多只能 3人，朗克就這樣被犧牲了，很多人還為此甚表不平呢！

科學家在大型哺乳動物、靈長類都陸

續發現腦內有網格細胞。最近，學者以同

樣的單細胞記錄技術研究即將接受部分腦

部切除的癲癇病人，並以虛擬空間做為實

驗場域，首度發現人類腦內也有網格細胞。

影響深遠

如前所述，在位置細胞與網格細胞之

間仍是一個黑盒子，已知至少還有頭向細胞

及邊緣細胞。雖然這個內建的導航或推測

航行（dead reckoning）裝置對應於人類大腦的腦區，恰與阿茲海默氏症（Alzheimer’s disease）早期症狀影響的腦區多所重疊，而且眾所周知，阿茲海默氏症病人經常迷路，

迷路也是早期症狀之一，然而，想要用這

個主題的成果做為阿茲海默氏症治療的方

向，還有賴更多的研究才行。

穆瑟夫婦發現網格細胞構成空間丈量

系統，以及確認了內側內嗅鼻皮質是空間

表徵的計算中心，這是神經科學一項破天

荒的成就，對動物空間認知功能及其神經

機轉的了解開了一條大道。

筆者內心想著，哺乳類動物的移動範

圍遠達數公里之遙，因此，說不定有所謂

的鄉鎮細胞（country cells）或城市細胞（metropolitan cells）呢？

頒獎場外

歐基輔與朵司差夫思基得以發現以

及證實位置細胞的存在與功能，是因得到

許多人的協助，其中林‧納疊爾（Lynn Nadel）的幫忙最大。1968年，年輕的猶太學者納疊爾正在當地的生理研究院從事博

士後研究，當蘇聯軍隊進入布拉格時，他

決定帶著家人逃離捷克，開了 800英里來到倫敦與同是博士後研究員的歐基輔會合。

這兩位學者同樣出身於紐約皇后區，

曾經一起在加拿大馬基爾大學攻讀博士學

位，當時，納疊爾鑽研海馬迴與記憶，歐

基輔則研究杏仁核與情緒。當歐基輔利用

單一腦細胞記錄技術從事自由移動的老鼠

研究時，納疊爾的海馬迴與記憶的研究經

驗幫了歐基輔很大的忙。

1978年，納疊爾與歐基輔共同出版The Hippocampus as a Cognitive Map，這本書被喻為是影響 20世紀認知心理學最重要的 100本書之一。這本書最重要的論述在於探討究竟海馬迴僅是一個空間系統，或

者認知地圖只是海馬迴的許多功能之一？

這個爭論至今仍無解。

43科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

白明奇成功大學醫學院神經學科

2003年間，筆者在美國亞歷桑納大學（the University of Arizona）接受納疊爾的指導時，他曾把這本業已絕版的書給筆者參

考。殊不知這本厚書的前 50頁都在談論哲學，就是康德等人所倡導的主義。康德認

為，有些心智功能與生俱來，與經驗毫無關

聯，空間的知覺就是其中之一。長久以來，

哲學家一直在爭辯：「究竟人生下來時，大

腦像是一張白紙，一無所有，還是一張蓋好

格子的紙，有著基本的建構，後來的學習只

是依序填上去而已？」從穆瑟夫婦的發現看

來，答案可能比較接近後者。

心理學在一百年前才脫離哲學的範疇，

往後又發展出行為、生理、認知等分支，

想不到生理心理學還回頭幫忙哲學回答了

重要的問題！

穆瑟夫婦發現網格細胞構成空間丈量系統，

以及確認了內側內嗅鼻皮質是空間表徵的計算中心，這是神經科學一項破天荒的成就。

44 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

膜電位的變化

生物體的代謝運作是由多種機制的調

節以維持長期的恆定性，例如肝醣的儲存、

血糖的平衡、pH值的穩定、血氧濃度的調節、蛋白質合成、含氮廢物的排除、膜電

位的平衡等，其中膜電位的產生與鉀離子

（K＋）息息相關。

在動物體裡，細胞膜外帶正電，而膜

內帶負電，那是因為靜止平衡電位時，細

胞膜對鉀離子的通透性較高，使得較多鉀

離子由膜內移到膜外所致。在神經傳導上，

把鉀離子由細胞內移動到細胞外，就可對

興奮性神經細胞起煞車作用，使神經衝動

趨於緩和。

例如自主神經系統中的副交感神經所分

泌的神經傳導物質 ─ 乙醯膽鹼，一旦與心房及心臟傳導性組織的M2亞型毒蕈鹼受體結

優游於生物體中的鉀離子鉀離子是生物體中不可或缺的生長要素，

在動物細胞裡，它可維持細胞膜的電位平衡，也能壓抑神經衝動達到止痛效果；

就作物而言，它可增加纖維素的合成，促使莖稈健壯並增加抵抗病蟲害的能力。

■ 郭朝禎

鉀離子引導的膜電位變化在胰島素的分泌上扮演著關鍵性的角色，

並促進了後續降血糖藥物的研發。

在胰臟 β細胞中，鉀離子（K＋）在通道的進出受到葡萄糖代謝的調控，並影響了後續細胞膜電位的

變化及胰島素的分泌。當血液中葡萄糖濃度上升

時，葡萄糖進入 β細胞代謝後，可做為能量來源的ATP濃度增加，進一步抑制了鉀離子通道的活性，鉀離子通道因而關閉，造成細胞內鉀離子濃度增加

及細胞膜去極化，導致電壓依賴性鈣離子（Ca 2＋）通道的開啟，最後增強胰島素的分泌。

檸檬酸循環

氧化磷酸化反應

胰臟 β細胞

糖解作用

葡萄糖

葡萄糖

1

葡萄糖轉運蛋白

胰島素分泌顆粒

促進釋放

[ATP]↑

5

4

胰島素

電壓依賴性鈣離子通道開啟

Ca 2＋ Ca 2＋

去極化作用 3

K＋ K＋

2 ATP敏感性鉀離子通道關閉

45科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

鉀離子引導的膜電位變化在胰島素的分泌上扮演著關鍵性的角色，

並促進了後續降血糖藥物的研發。

鉀離子的功能

心臟系統

神經傳導物質 ― 乙醯膽鹼 ― 與心房及心臟傳導性組織的專一性受體結合，開啟鉀離子通道，鉀離子流出細胞外產生過極化現象使得心跳減緩。

葉片氣孔

白天時刻鉀離子進入保衛細胞，這時滲透壓的升高促使保衛細胞因彎曲而膨脹，造成氣孔開啟。在傍晚時刻鉀離子離開保衛細胞，水分因滲透壓的下降離開保衛細胞，保衛細胞萎縮而使氣孔關閉。

甘藷

促使塊根膨大，儲存較多的澱粉。

棉花、麻類作物

有助於纖維的生成，增加收穫量。

草莓

防止果實顏色轉換不一致導致的顏色不均勻。

鉀離子的功能

菸草

促進葉色由綠轉黃。增加葉內的含糖量及內容物並維持香味，使葉片較強韌且不易脆裂，增加抗旱作用，提升菸葉品質。

胰臟

葡萄糖分子進入胰臟的 β細胞後，經由代謝促成能量分子 ATP增加，導致鉀離子通道關閉，間接啟動胰島素的分泌。

神經細胞

神經細胞膜上的類鴉片受體可受嗎啡的活化，間接讓鉀離子流出細胞外，產生過極化現象，壓抑神經衝動而達到止痛作用。

合，可促使鉀離子通道開啟，鉀離子流出細

胞外產生「過極化」現象而使心跳減緩。

部分天然藥物就是透過這一機制發揮

療效，眾所熟知的嗎啡就是經由活化細胞

膜上的μ或δ類鴉片受體，引發細胞內的訊息傳遞作用後，讓同樣位在膜上的鉀離

子通道打開，使大量鉀離子流出細胞外，

進而使細胞膜電位產生過極化現象，壓抑

了神經衝動而達到止痛作用。

這種鉀離子引導的膜電位變化在胰島

素的分泌上更扮演著關鍵性的角色，並促

進了後續降血糖藥物的研發。當葡萄糖分

子進入胰臟的β細胞後，經由糖解作用代謝產生能量分子 ATP，ATP數量的上升會

導致β細胞上的 ATP ─ 敏感性鉀離子通道

關閉，間接造成電壓依賴性的鈣離子通道

開啟，鈣離子進入β細胞使胰島素的分泌

啟動。臨床上磺醯尿素類藥物能用於糖尿

病的治療，它的機轉就在於抑制 ATP ─ 敏感性鉀離子通道活性而增強胰島素的分泌。

鉀離子與心律不整

當血液循環體積減少伴隨血壓下降時，

腎上腺皮質受刺激所分泌的荷爾蒙 ─ 醛固酮 ─ 作用於腎臟遠曲小管及皮質集尿管，可增加鈉離子（Na＋）、水分的再吸收及鉀離子的排除，於是血液體積上升，血壓回

復正常值。利尿劑的使用便是根據類似的

原理，藉由減少腎小管對電解質的再吸收，

增加鈉離子的排泄，並伴隨水分的排泄，

可治療某些疾病（例如肝硬化或鬱血性心

臟衰竭）所造成的水腫。

但這一類藥物常因鉀離子的排除使得

體內鉀離子流失較多，造成低血鉀症。為

46 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

甘草是豆科多年生草本植物，根部是主要藥用部

位，所含的活性成分 ― 甘草酸苷 ― 具有等同於醛固酮的藥理作用，食用過多會導致血液中鈉離子濃

度上升而鉀離子濃度下降。這低血鉀症狀會影響神

經與肌肉的功能，產生全身無力的狀態。

24

3

1

5

細胞膜

細胞質

胞內鈣離子濃度上升

促進心肌收縮

胞內鈉離子濃度升高

Ca 2＋

Ca 2＋

Na＋

Na＋

3 Na＋

2 K＋鈉鈣離子通道 鈉鉀幫浦

毛地黃素抑制心肌細胞膜上的鈉鉀幫浦活性

胞外鈣離子與胞內鈉離子交換

毛地黃素

心肌細胞膜上的鈉鉀幫浦能使 2個鉀離子（K＋） 運入細胞內，同時使 3個鈉離子（Na＋）逆濃度梯度主動運出細胞外，維持細胞內低鈉高鉀的狀態。當鈉鉀幫浦的運輸功能受到心臟刺激藥物 ― 毛地黃素 ― 的抑制時，心肌細胞內的鈉離子濃度上升、鉀離子濃度下降。這時鈉鉀幫浦功能的失效，引發鈉鈣離子通道的開啟，胞

外鈣離子得以與胞內鈉離子交換，造成心肌細胞內的鈣離子濃度上升，引發心肌興奮收縮達到強心的效果，

但因造成細胞內鉀離子濃度過低而有心律不整的現象。

了減少這類藥物的副作用所引起的代謝異

常，後續研發的醛固酮拮抗劑（又稱為保

鉀型利尿劑）可把鉀離子保留在體內，避

免產生低血鉀症。

此外，強心配醣體 ─ 毛地黃素 ─ 是一

種心臟刺激藥物，可促進心肌收縮力，增

強冠狀動脈血流量，以達到治療鬱血性心

臟衰竭的功效，但同樣因造成細胞內鉀離

子濃度過低而有心律不整的現象。因此，

服用強心劑的心衰竭患者若需合併使用利

尿劑治療時，則以保鉀型利尿劑來降低鉀

離子的流失量較恰當。

47科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

中草藥裡的甘草根含有一種稱為甘草

酸苷的化合物，具有等同於醛固酮的藥理

作用。在過去的臨床案例中，常有人因喜

愛甘草的美味而把它當作零食，身體中的

甘草酸苷的濃度增加，導致血液中鈉離子

濃度上升而鉀離子濃度下降，這種低血鉀

症狀會影響神經與肌肉的功能，產生全身

無力的狀態。相反地，當肌肉受到壓傷、

砸傷或過度運動而導致橫紋肌溶解症時，

肌細胞因壞死釋放出肌球蛋白、鉀離子等

大量內容物於血液中而造成高血鉀現象，

這種血液電解質的不正常也容易引起心律

不整的症狀。

鉀離子與氣孔的開闔

鉀離子在細胞內外濃度的變化不僅影

響動物的神經傳導，甚至關係到植物的生

理調控與發育。

植物行光合作用時，二氧化碳會進行

同化作用以合成澱粉及蔗糖，保衛細胞的

二氧化碳濃度因而下降，間接使得鉀離子

由周圍表皮細胞進入保衛細胞。保衛細胞

內因溶質濃度升高促使滲透壓升高，水分

便由表皮細胞滲透進入保衛細胞，這時細

胞壁的纖維素微絲會因膨壓逐漸升高而向

外拉緊，使保衛細胞因彎曲而膨脹，造成

氣孔開放而引入二氧化碳。

相反地，在傍晚時刻因缺少光線的刺

激，二氧化碳濃度因植物行呼吸作用而升

高，這時鉀離子離開保衛細胞，水分因滲

透壓的下降離開保衛細胞使膨壓逐漸降低，

保衛細胞因萎縮而使氣孔關閉。

草木灰提供鉀元素

對植物體而言，鉀與氮、磷、鎂等都

是生長發育必須攝取的 17種要素之一。稱為必須攝取的元素，是因為它們的功能在

植物體內無法以其他元素替代，一旦缺乏

就無法正常生長發育。與鐵、錳、鋅、銅、

硼、氯等微量元素相比，作物對鉀的需求

量相當大。

鉀離子在細胞內外濃度的變化不僅影響動物的神經傳導，

甚至關係到植物的生理調控與發育。

雜草、木頭、稻草等混成堆後點火燃燒可產生的灰

色（上圖）或黑色草木灰（下圖）。若燃燒時空氣

無法順暢流通而燃燒不完全時，燒出來的灰主成分

是碳酸鉀，外觀黑色且易溶於水，可做為速效性肥

料。相反地，在空氣充足的狀態下，燃燒較完全，

雜草所含的矽酸會與碳酸鉀作用生成帶有矽酸鉀的

灰色草木灰，矽酸鉀水溶性較差，植物吸收的效果

非常有限，肥分比碳酸鉀低。

48 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

鉀肥有助於碳水化合物如纖維素的合

成，促使莖稈健壯並增加抵抗病蟲害的能

力，因此鉀肥又稱為莖肥。但土壤中的有機

質與黏土礦物所釋出的養分並無法滿足作物

的需求，需靠化學肥料的補充以確保作物產

量與品質的提升。早期的農業社會並無化學

肥料可用，鉀肥的來源主要是草與木頭燃燒

形成的草木灰，鉀含量約在 5∼ 11 ％ 左右。就一般含鉀量而言，闊葉樹高於針葉樹，硬

木高於軟木，木灰高於草灰，以菸草燒成的

灰的含鉀量則可高達約 25 ％。雖然雜草燃燒後所產生的草木灰蘊藏

豐富的碳酸鉀，然而影響草木灰含鉀成分的

因素，是燃燒時溫度的高低及空氣的流通狀

態。把雜草、木頭、稻草等混成一堆後點火

燃燒，若在這堆廢棄物上再覆蓋更多的雜

草，使得空氣無法順暢流通，則會因燃燒溫

度無法提高而導致燃燒不完全，這樣燒出來

的灰主成分是碳酸鉀，外觀黑色且易溶於

水，可做為速效性肥料。溶於水的碳酸鉀進

一步解離所產生的碳酸是有機酸，又可促進

磷的溶解，增加磷肥的有效性。

相反地，把混成堆的廢棄物移至爐子

裡燃燒，在空氣充足的狀態下，溫度較高，

燃燒較完全，雜草所含的矽酸會與碳酸鉀

作用，生成帶有矽酸鉀的灰色草木灰。矽

酸鉀水溶性較差，植物吸收的效果非常有

限，肥分因而較低。因此，黑灰的肥效優

於白灰就在於水溶性碳酸鉀含量較多。

既然可藉由燃燒方式獲取草木灰增加

土壤的鉀肥，是否可以進一步添加尿素、

硫酸銨或氯化銨等銨態氮肥，更增添土壤

肥分呢？事實上，這樣的做法往往無法達

到預期的效果，關鍵在於碳酸鉀所處的土

壤中易產生鹼性環境。

由於不同肥料的化學性質不同，彼此

間會有相容性的問題，一旦把兩個本質上

不相容的東西放在一起，衝突或耗損就在

所難免。例如銨離子（NH 4＋）本身有不善

於與鹼性肥料打交道的特性，當它遇上鹼

性的物質如碳酸鉀時，會釋放出氣體形式

的氨。氨的形成等同 NH 4＋從土壤中跑掉，

造成氮肥肥效降低，也因此銨態氮肥應避

免施用在 pH值超過 7以上的土壤中。草木

以果實為收穫目的的農產品 ― 番茄 ― 而言，植株種在缺乏鉀離子的土壤上常使果實顏色轉換出現障

礙，導致顏色分布不均勻。

施用適當的鉀肥有助於甘藷塊根膨大，累積較多的

澱粉（左圖），一旦土壤中缺乏鉀，塊根則無法有

效膨大（右圖）。

49科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

灰也含有為數不少的鈣，若同時混合水溶

性磷酸肥料，會生成溶解度較差的磷酸鈣，

也讓磷肥有效性降低。

縱然草木灰有些許不合群的性格，但

對於某些作物種苗的預措卻有相當大的功

效，例如甘藷塊根及馬鈴薯塊莖在種植前

以草木灰塗布在切口處，可促進發芽並防

止腐敗，塗在果樹（桃、梨等）發病的根

皮則可防治根腐病。

另一方面，草木灰具有較細的微粒，

能使引發病害的蟲體氣孔阻塞使其死亡。

因此，施撒草木灰在韭菜或大蒜葉片上可

防治病蟲害，並有增產的效果。總之，就

植物對鉀肥的需求而言，草木灰的利用等

鉀肥的種類

鉀肥種類 適用範圍 適用因素 不適用範圍 不適用因素

氯化鉀 水稻、小麥、棉花、 玉米、高粱、花生、 大豆、麻類作物

氯離子有助於光合作用，並能讓纖維變粗，韌度提高，適用於棉花、麻類等纖維作物

1. 忌氯作物：馬鈴薯、 甘藷、甘蔗、柑橘、 甜菜、葡萄、茶樹、 番茄、菸草、西瓜、 辣椒、蘋果、白菜

2. 避免對果樹行葉面施肥

1. 氯離子使細胞膠質起膨脹作用，馬鈴薯塊莖顯著增加水分，因而減少乾物質尤其是澱粉的含量

2. 氯離子的存在易使菸葉色澤變劣，並有燃燒不良的問題

3. 氯離子易傷害果樹葉面

硝酸鉀 1. 忌氯作物：馬鈴薯、甘藷、甘蔗、柑橘、甜菜、葡萄、茶樹、番茄、菸草、西瓜、辣椒、蘋果、白菜

2. 可對果樹行葉面施肥

菸草耐燃時間較長 避免施用在水田 厭氧條件下會有脫氮現象，造成氮肥損失

硫酸鉀 蔥、薑、大蒜及忌氯作物：馬鈴薯、甘藷、甘蔗、 柑橘、甜菜、葡萄、茶樹、番茄、菸草、西瓜、辣椒、蘋果、白菜

1. 使細胞膠質起收縮作用，塊莖含水量減少，因而澱粉量提高

2. 菸草耐燃時間較長

水稻 硫酸根離子在厭氧條件下易還原成硫化氫使水稻根部變黑，影響生長

草木灰（含大量碳酸鉀）

塗於果樹（桃、梨）根皮、馬鈴薯塊莖、甘藷塊根、韭菜及大蒜葉片

1. 可防治果樹根腐病

2. 可促進甘藷及馬鈴薯發芽並防止腐敗

3. 可防治韭菜或大蒜病蟲害，並有增產效果

忌與尿素、硫酸銨等 氮肥一起施用

銨離子遇上鹼性物質如碳酸鉀會釋放出氣體形式的氨，氨的形成等同氮肥從土壤中跑掉

50 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

於是以自然的法則來提高土壤中鉀離子的

濃度或防治病害，不需依賴化學肥料或農

藥也可以促進植物生長，並減少對生態環

境的干擾。

作物的生長

鉀如同氮與磷都屬於移動性元素，一旦

土壤中的肥分較低，植物營養缺乏時，老葉

中的移動性元素就可輸送至幼葉及嫩芽，供

這些部位生長發育所需，這效應使老葉會先

呈現營養不良及老化的症狀。因此，當土壤

中的鉀離子極度缺乏時，老葉的葉尖或葉緣

前端會局部黃化並逐漸枯乾成燒焦狀，且葉

肉出現褐色枯狀斑點，但新葉的上位葉部分

因有老葉的鉀離子灌注而不受影響。

鉀離子缺乏的危害並不僅止於葉片，

也包含對果實外觀的影響。以果實為收穫

目的的農產品如番茄，植株種在缺乏鉀離

子的土壤上常有果實顏色轉換出現障礙的

情形，導致顏色分布不均勻。此外，植物

莖稈的強韌度依賴纖維素的支撐，而纖維

素的合成有賴鉀離子的幫忙，因而鉀離子

的缺乏也間接導致莖稈較柔弱，植株遇缺

水則容易萎凋。而對以塊根為收穫部位的

甘藷而言，鉀離子的缺乏會使得塊根無法

膨大，累積的澱粉也會較少。

對為數眾多的吸菸族來說，抽菸時要

讓菸草燃燒得較完全並有令人愉悅的香氣，

鉀離子是不可或缺的推手。特別是在菸草

的生長過程中，適當的鉀肥能促進葉色由

綠轉黃，增加葉內的含糖量及內容物並維

持香味，使葉片更強韌且不易脆裂，又能

增強抗旱作用，提升菸葉的品質。

過去人們由長年耕種所累積的經驗發

現，菸葉生長初期下位葉的葉尖及葉緣會

出現黃色斑點，生長後期斑點則出現在上

部葉片，並有乾枯破脆的情形。雖知是營

養不良所致，但不明白是缺乏哪種營養，

後來以化學分析方法終於找到了病因 ─ 土

壤裡缺鉀。

既然已知缺乏的要素，解決之道自然

是補足它，但自然界中的鉀離子並不單獨

存在，而是與陰離子結合成化合物，形成

不同化學性質的鉀肥。鉀離子分別與陰離

子如氯離子（Cl –）、硫酸根離子（SO 42 –）

及硝酸根離子（NO 3 –）結合所形成的氯化

鉀、硫酸鉀、硝酸鉀及前文提到的碳酸鉀，

都是農業上常使用的化學肥料。使用這些肥

料為植物灌注營養，植物所吸收到的並不只

有鉀離子，也包含了對應的陰離子。

由於作物對陰離子的需要量有所不同，

因而對於它們的種類有偏好與選擇性。若

陰離子的種類不是植物所必需且對植物會

造成生理性的傷害，補充了鉀肥雖解決了

當下的問題，卻製造了另一個問題。因此，

在菸草的栽培與發育階段，施用硫酸鉀或硝酸鉀做

為鉀肥，可顯著增加菸葉的燃燒性，防止香煙燃燒

自熄。

51科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

郭朝禎高雄醫學大學醫學研究所

摸清楚目標植物的喜好與避開有害的元素，

才能有合理化施肥的效果。例如由早期的

肥效試驗結果可知，菸草所施用的鉀肥以

硫酸鉀或硝酸鉀效果較佳，氯化鉀則被列

入黑名單中。

這是因為施用硫酸鉀或硝酸鉀的菸草，

其耐燃時間較施用氯化鉀的長，又氯化鉀

中氯離子的存在易使菸葉色澤變劣，並有

燃燒不良的問題。在其他喜鉀忌氯的作物

產量上，馬鈴薯、甘藷、樹薯的澱粉量以

及甜菜、甘蔗的含糖量也會因為施用氯化

鉀而顯著降低。氯化鉀則較適用於水稻、

小麥、棉花、玉米、高粱等作物。氯離子

有助於光合作用和纖維的形成，適用於棉

花、麻類等纖維作物。

水稻不使用硫酸鉀的原因在於硫酸根

離子在厭氣條件下，易還原成硫化氫使水

稻根部變黑而影響生長。此外，硫酸鉀本

身是生理酸性肥料，多餘的硫酸根離子會

使土壤酸性加重，甚至加劇土壤中活性鋁、

鐵對作物的毒害，且在石灰性土壤中，硫

酸根離子與土壤中的鈣離子會生成不易溶

解的硫酸鈣（石膏）造成土壤結塊。

由此可見，鉀肥使用的選擇除了要考量

不同植物的需要量外，更要配合土壤酸鹼值

特性，才能真正發揮提供營養素的效果。

52 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

日本是鰻魚的消費大國

日本人嗜食水產品，鰻魚自古以來就

與日本飲食文化有很密切的關係。傳統上，

只有貴族才能隨時享用鰻魚，一般平民是

沒有這個福氣的。

按日本習俗，一年中只有在酷夏的特

定日子 ─ 土用丑日（也就是俗稱的「鰻魚節」，在立秋前 18天，約西曆 7月 20日左右）─ 和慶祝喜事的時候才能吃到鰻魚。而且必須在專營鰻魚的餐廳消費蒲燒鰻（烤

鰻魚），享受店家師傅把鰻魚去骨後切成適

當長度，淋上以醬油為主的佐料，再串上竹籤燒烤而成的獨特日式料理。「土用丑日」這一天

全日本鰻魚的消耗量便高達 2萬公噸，占日本全年消費總量的 32 ％。1970年代日本年消費的鰻魚量約 2萬公噸，此後一路攀升，到 2000年達到最高的 16萬

公噸。但是 1980年代後期，日本國內的鰻魚年生產量僅有 4萬公噸左右，1993年甚至下滑至 2萬公噸。這個缺口原本由台灣供應，從 1970年代的 2.5萬公噸至 1992年的 4萬公噸左右。在1980年代，台灣是日本鰻魚市場最大的供應者，甚至市場中的鰻魚每兩尾就有一尾產自台灣。

但這種局面自 1987年鰻魚養殖業在中國興起後，發生了急遽的變化。在中國廉價鰻魚產品（主要是歐洲鰻）大舉襲日之下，2001年日本從外國主要是中國和台灣進口的鰻魚超過 13萬公

掀開日本鰻的神祕面紗過去日本人只有在「土用丑日」聚集在鰻屋等專營餐廳大快朵頤，

如今一年四季任何人在任何地方都能吃到鰻魚料理，

「薄利多銷」的消費趨勢使得鰻魚的消耗量更大，

這儼然是鰻魚資源枯竭的最主要原因。

■ 郭金泉

蒲燒鰻（烤鰻魚）是獨特的日式料理。

53科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

噸，其中包括異種鰻（台灣又稱雙色鰻）且

以歐洲鰻為主，甚至創下近 16萬公噸的史上最高紀錄。這意味著在過去 15年，日本人鰻魚的消費量增加了近兩倍。

目前日本鰻魚年消費量仍維持在 6萬公噸，占全球總消費量的 70 ％ 以上，其中台灣供應量僅 1成，日本自產 2成，其餘全由中國輸入，而且消費的鰻魚有 99 ％ 是養殖鰻。日本不愧是鰻魚的消費大國，稱

它是「鰻魚的終極殺手」也不為過。

鰻魚是長途旅行的好手

日本鰻主要捕自河川，因此人們常誤

以為鰻魚是生活在河流中的淡水魚。實際

上，牠是一種往來淡水河流和海洋的洄游

魚類，而且必須降海才能成熟產卵。在世

界各地往往有在淡水湖泊捕獲體型碩大的

1980年代，台灣曾是日本鰻魚市場最大的供應者，如今已被中國取代。

人們常常誤以為鰻魚是生活在河流中的淡水魚，實

際上鰻魚是洄游於淡水河流和海洋的廣鹽性洄游魚

類，而且必須在海洋中才能成熟產卵。

日本國產鰻產量與進口量

160,000

140,000

120,000

100,000

80,000

60,000

40,000

20,000

0

公噸

2,900

2,400

1,900

1,400

900

400

–100

円∕kg中國 台灣 日本 單價

2001年日本消費 16萬公噸鰻創史上最高

2013年日本消費 3.7萬公噸

1985 1989 2000 2010昭和 60 62 平成元 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

日本鰻的一生

卵

銀鰻

鰻線

鰻苗或玻璃鰻

前期柳葉鰻

柳葉鰻

剛出生的魚叫仔魚外形和親代相同時叫稚魚

日本鰻在海洋中的生態還是一團謎

誕生於海洋

從淡水降海洄游到出生地

（稚魚）

淡水

沿河口上溯入淡水

（稚魚：約 5～ 6公分）

海洋

（仔魚：約 1～ 6公分）

海洋

（仔魚：約 1公分）

（直徑約 1.6公釐）

54 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

鰻魚的報導，但還沒有發現淡水巨鰻抱卵

成熟生蛋的案例。

日本鰻誕生在距離台灣約 3,000公里的馬里亞納島西側海洋，卵呈透明浮性多油

球，剛孵化出時長度是 3∼ 12公釐，這些鰻魚仔魚稱為「前期柳葉鰻」，有卵黃不攝

食，直到開始攝食外緣食物，體長增加到

10∼ 60公釐的仔魚後期為止。鰻魚只有眼球有色素，其餘完全透明，身體體高變高

時，形態類似柳葉狀，因此稱為柳葉鰻。

柳葉鰻仔魚開始攝食時，同時順著北赤

道洋流與黑潮一路漂流、成長，經過 6個月才來到台灣、中國、韓國與日本東北亞國家

沿岸，再變態發育成為頭髮般粗、流線形體

長約 5公分的透明稚魚 ─ 玻璃鰻（台灣稱

調查降海銀鰻耳石中微量元素鍶和鈣的比例，發現玻璃鰻未必都溯河進入淡水，滯留在河口半鹹水或回到沿海

海域的個體也不少。

鰻線）─ 著底。鰻線會先在河口域停留一段時間，調節滲透壓、產生色素當保護色，待

體長成長至 15公分時開始沿河口上溯到河川的中上游定棲，成長為腹部帶黃白色的黃

鰻，但體色會因應環境變異頗大。

雄黃鰻需經 4∼ 8年的成長後，雌鰻需時更長約 10年，會再經歷一次的變態，眼變大、鰭變黑，腹部轉為銀灰色，皮膚

散發金屬光澤，成為準備降海產卵的銀鰻。

在秋末與初冬的河川大漲時，銀鰻會順流

下海，降海之後的銀鰻不再進食，性腺開

始成熟，回到出生地約需半年。目前在海

中的洄游路線並不清楚，到達產卵場後會

釋放身體所有累積的能量並數度產卵，為

延續下一代而鞠躬盡瘁。

20

15

10

5

00 500 1,000 1,500 2,000

20

15

10

5

00 500 1,000 1,500 2,000

20

15

10

5

00 500 1,000 1,500 2,000

距離耳石中心 Distance from the otolith core (µm)

Sr∕Ca ratio

×1,000

鍶∕

鈣×1,000

耳石中微量元素鍶∕鈣比

海水型鰻

Sea eel≧ 6.0

河口型鰻

2.5≦ Esturarine eel＜ 6.0

淡水型鰻

2.5＞ River eel

500 μm

55科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

以上是一般大眾所認知的日本鰻魚的降

海產卵洄游生活史，但其實日本鰻魚的生活史

並沒有如此單純。近年來，調查降海銀鰻耳石

中微量元素鍶和鈣的比例，發現玻璃鰻未必都

溯河進入淡水，滯留在河口或回到沿海海域的

個體也為數不少。因此日本鰻依其生活史或

洄游模式可分為完全在海水水域生活的海水

型鰻，長期在淡水成長的淡水型鰻，以及棲

息在河口或往來淡水與海水之間的河口型鰻。

科學家意外發現淡水型鰻僅約占 20 ％，日本鰻反而多棲息在海水與淡鹹水河口水

域。此外，海水型鰻的比率有隨緯度增加而

遞增的現象，況且遺傳上日本鰻又是逢機交

配的單一巨大族群，筆者據此推論日本鰻應

該沒有立即且輕易滅種之虞。

然而，1970年代以後，全球日本鰻的產量持續下滑，隨後在 1980年代歐洲鰻、1985年代美洲鰻的資源量跟著急遽下降，至今仍沒有恢復的跡象。華盛頓公約在

2007年把歐洲鰻列入臨危物種，2010年更列入級別最高的「近期野生瀕危可能性極

高的物種」並禁止國際貿易；日本鰻也在

去年 6月 12日被國際自然保育聯盟列入瀕危物種紅皮書；美洲鰻應該也為期不遠。

鰻魚數量急遽下降的原因，目前仍眾

說紛紜，但主要有幾個說法：棲地環境惡

化、全球環境變遷、過度捕撈、引進外來

種。其中人為的惡化棲地，汙染環境（如

河口溼地被填海造陸，興建橫斷河川的結

構物如河口堰、攔砂壩、水庫，排放工業

與生活廢水，使用農藥、肥料、環境荷爾

蒙等化學製品），濫捕過漁（如層層疊疊網

具與漁法），引進異種鰻等外來入侵物種帶

來寄生蟲、疾病甚至掠食者，氣候變遷等，

無論是哪個原因，人類都難辭其咎，絕對

是扼殺日本鰻的頭號罪犯。

日本鰻依其生活史或洄游模式可分為完全在海水水

域生活的海水型鰻，長期在淡水成長的淡水型鰻，

以及棲息在河口或往來淡水與海水之間的河口型

鰻。淡水型鰻僅約占 20 ％，日本鰻反而多棲息在海水與淡鹹水河口水域。（圖片來源：《鰻魚傳奇》）

海水型鰻的比率有隨緯度增加而遞增的現象

卵

柳葉鰻

產卵場

淡水型河口型

成長棲息地

陸地

鰻線

黃鰻

銀鰻

海水型

海洋

玻璃鰻

日本鰻

■ 淡水型■ 河口型■ 海水型

56 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

漁業和水產養殖的差異

水產養殖是指利用水域從事培養水產生

物的生產營利事業，因此需在天然水體投入

人造機器與設備（如池、塭、箱網網具等），

一般都放養經濟價值較高的動植物（如魚、

貝、介、兩棲類及藻類）的種苗，餵食餌料

與飼料，驅除掠食者，預防治療病害使其健

康成長，甚至進行人工繁育的有計畫生產。

水產養殖可依管理型態（如放養密度、

投飼料量、產量等）區分為粗放式養殖、

半集約式養殖、集約式養殖及超集約式養

殖。按養殖水域，可分為淡水養殖、海水

養殖、淺海灘塗養殖；按養殖物種，可分

為魚類養殖、貝類養殖、蝦類養殖、蟹類

養殖、藻類栽培；按養殖方式，可分為精養、

粗養、單養、混養、工廠化養殖，以及靜

水式、流水式養殖等。

水產養殖的目的有：糧食生產、商業

經營、資源復育。在 1980年代，北太平洋鮭魚就曾遭過度捕撈，導致陷入瀕危危機，

因此日本、美國和加拿大都投入巨資興建

鮭魚孵化場，撈捕由海洋回到河中產卵的

親魚，再以人工採卵方式大量孵化鮭魚卵，

把孵化仔魚飼養到一定體長的幼鮭再放流，

使野生鮭魚族群逐漸復育，維持在原先的

資源量。

這類水產養殖稱為「從卵開始培育的養

殖」（hatchery-based aquaculture, HBA），有別於「從稚魚開始培育的養殖」（capture-based aquaculture, CBA），也就是把撈捕收集自野外的天然野生活漁獲（如種苗或親魚

或種魚）直接用於水產養殖。

漁業泛指以各種手段取得生長在水中

動植物的經濟活動，狹義上指捕撈漁業（又

稱捕魚業），可細分近海漁業和遠洋漁業。

漁業和水產養殖都提供人類食物來源，

兩者最大的不同點在於漁業是撈捕，水產

養殖則是畜養甚至繁衍增產。但若是把撈

捕收集自野外的天然野生活漁獲（如種苗

或種魚）直接用於水產養殖，這種事業行

為介於真正水產養殖與真正漁業之間，而

且目前為數不少。

有些科學家認為僅有「完全養殖」，

即把受精卵人工孵化一路養到成熟種魚，

種魚再生產產生下一代，也就是 HBA，才算水產養殖，因此 CBA仍屬漁業領域。目前日常食用的鰻魚幾乎都是國內外養殖池

雖號稱是養殖鰻魚，

其實是把野外捕獲的野生鰻線圈養在人為環境中，投餵餌料飼養長大的。

只有「完全養殖」，也就是把受精卵人工孵化一路

養到成熟種魚，種魚再生產產生下一代，才算是水

產養殖。目前我們消費的鰻魚都仰賴天然資源，與

其說鰻魚是養殖業，應該正名為「鰻魚漁業」。

玻璃鰻（鰻線）生產 日本鰻的育種Eel Aquaculture

Wild Stock

天然野生鰻線

天然野生族群

人工養殖鰻線

F2：第二代或稱繼代鰻線

人工養殖鰻蒲燒鰻

成熟鰻種

F1：第一代鰻線

受精卵

前期柳葉鰻

育種日本鰻使家魚化成為養殖品系

柳葉鰻

Matured adult

Fertilized egg

PreleptocephalusLeptocephalus

F1F2

F3 F2

F2F2

F1

F1F1

F1

P

57科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

雖號稱是養殖鰻魚，

其實是把野外捕獲的野生鰻線圈養在人為環境中，投餵餌料飼養長大的。

中飼育培養出來的「養殖鰻魚」。雖然日本

已經可以人工完全養殖日本鰻進入第 4代，但養殖天然種苗只需約 100∼ 150天，而養殖人工生產的鰻線需 250天，時間過長、尚未開發出經濟適合的飼料、仔稚魚存活

率僅 1 ％，穩定量產的技術還未突破，無法達到實用階段。

因此雖號稱是養殖鰻魚，其實是把野

外捕獲的野生鰻線圈養在人為環境中，投

餵餌料飼養長大的。也就是說，目前我們

消費的鰻魚其實百分之百仰賴天然資源，

與其說鰻魚是養殖業，應該正名為「鰻魚

漁業」。

自從中國的廉價烤鰻與加工品大量湧

入日本便利商店與超市，日本不但出現鰻

魚消費暴增的現象，也改變了日本人消費

鰻魚的形式。過去日本人只有在「土用丑

日」聚集在鰻屋等專營餐廳大快朵頤，如

今在鰻魚專營餐廳，高級的烤鰻僅占總消

費量的 3成。而且一年四季任何人在任何地方都能吃到鰻魚料理，季節感與高級感

已蕩然無存。「薄利多銷」的消費趨勢深植

人心，使得鰻魚的消耗量更大，這儼然是

鰻魚資源枯竭的最主要原因。

糾正日本人消費鰻魚的習慣與銷售鰻

魚的商業模式應是當務之急，從現行「量

勝於質」的觀念轉為「質勝於量」，並落實

「在地生產、在地消費」的制度，減少「食

物里程」的浪費，並回歸僅在特定節日享

用鰻魚的傳統。若不積極採取保護鰻魚資

源的行動，恐在不久的將來，蒲燒鰻（烤

鰻魚）會從日本飲食文化中消失。

除了延長並嚴格執行鰻苗禁漁期、完

全禁止捕捉降海銀鰻與保護環境生態（例

如廣設禁止撈捕鰻魚的河川），讓更多的河

川型銀鰻能成功降海游回出生地繁衍等策

略之外，不捕、不賣、不吃野生鰻（尤其

日本鰻），改變目前惡質的消費習慣，控制

消費鰻魚的口腹之欲，也是日本有志之士

近來宣傳的重點。

完全養殖技術

此外，日本產官學研界早就意識到日本

鰻鰻苗銳減對產業及消費市場的衝擊，因此

在 1930年開始調查日本鰻的產卵場，並在

1961年開發日本鰻人工種苗的完全養殖技術。

東京大學大氣海洋研究所教授塚本勝巳

的研究團隊 40年來一直專注研究日本鰻魚

日本東京大學大氣海洋研究所教授塚本勝巳的研究

團隊 40年來一直專注研究日本鰻魚的生態，圖中各年代顯示其調查成果。

若不積極採取保護鰻魚資源的行動，

恐在不久的將來，蒲燒鰻（烤鰻魚）會從日本飲食文化中消失。

剛出生的仔魚 採集到世界第一尾產完卵後的雌鰻

採集到世界第一尾成熟的雄鰻

同時捕獲大量的仔魚

成熟的雄鰻 剛產完卵的雌鰻

消化道留有殘餌的仔魚

2008年 8月

2009年 5月2008年 6月

2009年 6月

馬利亞納海脊西側

馬利亞納海脊

馬利亞納群島 Suruga海山

關島

58 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

消化機能孱弱，搜尋適合的仔魚生物餌料

與飼料花費了好長一段時間；1996年發現仔魚好食鯊魚卵粉，不須活餌就可成長至 1公分。1999年添加脫脂奶粉補充營養後，成功育出 1.18公分的柳葉鰻仔魚。

2002年，田中團隊陸續克服仔魚飼料（如添加肽或縮氨酸）及飼育的技術，延長

飼育時間到 209日，柳葉鰻仔魚終於變態，飼育出體長 3公分的玻璃鰻（鰻線）。但鰻線鰻苗的人工繁殖成本過高（每尾需花費 1萬∼10萬日元），尚未達到量產實用化階段。

2003年第一次公布人工成功育出 22尾玻璃鰻。2008年育出 230尾玻璃鰻，2010年再接再厲利用過去人工從玻璃鰻育出的

種鰻，誘發產卵飼育出 600尾第二代或稱繼帶玻璃鰻，首次實現了日本鰻人工「完

全養殖」，利用人工培育的親魚產卵孵化生

產下一代魚苗。

的生態。2006年在關島和馬利亞納群島西側

海域的馬利亞納海脊採集到剛孵化兩天的魚

苗；2008年 6月捕獲成熟雄鰻，8月捕獲產

卵後的成熟雌鰻；2009年 5月成功採集到攝

餌中的日本鰻仔魚，6月捕獲抱卵的雌鰻，

藉由這些資訊精確定位了鰻魚產卵場，確認

6∼ 7月是產卵季節，而且產卵時間在新月。

透過對仔魚消化道內容物的研究，以

及受精卵海域的海流速度、水溫、照度、水

壓、海底地形、葉綠素濃度等水質水文物理

環境的詳細調查，有助於推測最適合鰻魚受

精卵、前期柳葉鰻、柳葉鰻的生長環境、餌

料等條件。因此在 2011年推斷出海洋有機

碎屑（或海洋雪）是日本鰻仔魚的食物。

1990年代起，日本水產綜合研究中心

田中秀樹的研究團隊就投入實現人工「完

全養殖」。由於日本鰻仔魚沒有胃的構造，

完全人工養殖可保護日本鰻魚資源，

隨後的育種更可育出具抗病性與飼料係數佳等理想形質的水產養殖品種，

日本水產綜合研究中心田中秀樹的研究團隊投入實現人工「完全養殖」，各年代顯示其里程碑。

天然野生鰻苗或玻璃鰻雌化人工養殖種魚

成熟親魚

受精卵

第 2世代受精卵

人工養殖種鰻成熟

前期柳葉鰻

確認攝餌與成長

柳葉鰻

人工養殖第 2代柳葉鰻

完全養殖生產的鰻苗

人工稚鰻

人工鰻苗或玻璃鰻

人工養殖種鰻

1991

2009

2002

2010

1993

1996

1999

59科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

完全人工養殖可保護因環境惡化、濫

捕、氣候變遷而驟減的日本鰻魚資源，隨

後的育種更可育出具抗病性與飼料係數佳

等理想形質的水產養殖品種，朝年產每尾

價格 100日圓、1億尾玻璃鰻以供應日本國內的目標邁進，日本鰻商業化的完全養殖

終於指日可待。

日本因為從世界各地大量進口水產品，

威脅到多種物種的存續而遭全球譴責。過

去曾為了品嘗生魚片而大量進口鮪魚，導

致全球鮪魚急遽減少與瀕危。現在又因為

鰻魚料理而導致數種鰻魚被國際保育機構

列入瀕危紅名單，更由於大量消費獵捕鯨

魚而被世人唾棄。日本在日本鰻生物學方

面研究的努力，有目共睹且成績斐然，完

全養殖或許可以防止鰻魚的滅絕、部分彌

補了因其口腹之欲而種下的罪過。

完全人工養殖可保護日本鰻魚資源，

隨後的育種更可育出具抗病性與飼料係數佳等理想形質的水產養殖品種，

郭金泉海洋大學水產養殖系

深度閱讀資料

曾萬年、韓玉山、塚本勝巳、黑木真理（2012），鰻魚傳奇，宜蘭縣立蘭陽博物館蘭博叢書 07，頁 232。

太田博巳、香川浩彦、田中秀樹、塚本勝巳、廣瀬慶二、虫明敬一（2012），うなぎ「謎の生物」，水産総合研究センター叢書，頁 279，築地書館、東京。

うな丼の未来 ウナギの持続的利用は可能か（2013），東アジア鰻資源協議会 日本支部（編集），頁278，青土社、東京。

塚本 勝巳（2012），ウナギ 大回遊の謎（PHPサイエンス・ワールド新書），頁 238，株式會社 PHP研究所、東京。

日本鰻商業化的完全養殖指日可待

天然幼魚 養成親魚

受精卵

完全養殖

人工親魚 人工仔魚

人工稚魚人工幼魚

出貨

收穫

育成

採卵

採卵

人工孵化

育成

育成

250日

254日

258日

260日

262日

264日

266日

270日

1 cm

2002年首次觀察到日本鰻在人工養殖下的變態過程（從柳葉鰻到玻璃鰻）。

60 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

緣起

1999年 9月 21日凌晨，中台灣發生規

模七級的大地震，造成南投、台中、彰化

重大災情。由於筆者的家鄉在南投，又是

重災區，因此積極思考如何結合專長領域

投入災害防救研究。幾經思考後，認為防

救災體系和個人專長領域相近，因此以它

為重要的研究對象，結果發現我國防救災

體系中存在諸多問題。這些問題有些在持

續改善中，有些則仍待改善。

隨著對 921大地震防救災體系研究經

驗的累積，筆者漸漸了解大型火災、水災、

風災的諸多關聯。甚至最近 3年發生的日本

福島海嘯與核災，以及高雄氣爆人為災害，

都深深感覺和防救災體系運作良莠有關。其

實，防救災體系若能運作得宜，就能發揮保

護民眾或災民生命財產安全的功能。

防救災的跨領域合作參考日本 311複合型災難，包括了核災、撤離、緊急醫療、災害防救等領域，

防救災的跨領域合作應可以從資訊、動員、組織間合作 3個層面或架構思考。

■ 楊永年

防救災體系運作得宜，就能發揮保護民眾或災民生命財產安全的功能。

日本在 2011年 3月 11日發生地震，伴隨而來的海嘯與餘震引發大規模的災害。（圖片來源：種子發）

61科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

從過去大型災害發生的案例顯示，災

害防救不只是科技問題，更是人與制度的

問題；或者，防救災科技固然重要，但防

救災體系的問題可能更為重要、複雜。因

此，本文擬透過以前發生的案例，解釋防

災科技與人（制度）運作所存在的問題。

因為防救災體系是由不同領域與分工

組合而成，每次大型災難的運作，都考驗

著體系內部與外部的整合。具體而言，體

系的最細部分工和防救災科技有關，因此

科學技術固然是提升防救災成效的重要工

具，但科技背後的政策、制度或體系的問

題，必須同時重視。

科技與政策、治理或制度整合與連

結，是本文「防救災的跨領域合作」的核

心概念。防救災跨領域合作的概念，包括

了政府跨局處的合作、政府與民間團體的

合作（含跨國合作），以及跨學術領域的

合作。至於防救災體系運作要能順暢，資

訊傳遞與流通是首要的關鍵因素，其次是

資源動員，第三是組織間合作。

資訊傳遞

防救災資訊包括災前、災中、災後相

關的訊息。災前又包括預防與預警資訊，

災中主要是災情與災情需求資訊，災後主

要是重建或復原資訊。

本文主要聚焦災中與災後相關資訊的

傳遞，應包括災情、死傷人數、災害種類、

現場狀況、待救援情形、災區（重建）需

求等。例如很多災區外的民眾很急切希望

知道在災區親友的生命安全情形，特別是

大型災害發生時，因為伴隨斷電，導致災

區無法對外通訊而阻絕了外界對災情的了

解，甚至會因交通中斷，許多重要的救災

物資進不了災區。

九二一大地震時，南投中寮鄉與國姓鄉

就是重災區，因沒有通訊，也沒有外援，外

界不清楚災情的嚴重。當時也是受災戶的縣

政府倒塌，加上中央政府的災害應變中心因

缺乏災情資訊，難免影響救災的效能。

雖然大型災難發生時通常會資訊不足，

但有時也會有資訊爆量的情形。例如八八

風災發生時，曾有屏東神父發出求救訊息，

這位神父雖在 3天內就獲救，但求救訊息仍瘋傳網路 3個月，讓很多網路鄉民誤認為「防救災體系」非常糟糕，並質疑何以

過了 3個月還沒能救出神父？因此，即使資訊科技發達，仍有諸多可以跨領域投入

改善的大型災難資通訊問題。

以目前防災科技的發達，應可以在短

時間內處理龐大資訊與提供查詢；再應用

衛星空拍與衛星電話，蒐集與傳遞災害資

訊。不過衛星空拍可能因為雲層太厚而影

響空拍照片的品質，衛星電話則有持用人

不知如何使用的問題，因此有時傳統資訊

傳遞工具反而可發揮更大的功能。

例如九二一大地震發生時，收音機與

業餘無線電（俗稱香腸族）使用成效良好。

當時南投縣彭縣長靠著收音機向全國民眾

廣播，只簡短說明大地震的災情慘重並需

要救災物資，不到 3天就有各地運來的救防救災體系運作得宜，就能發揮保護民眾或災民生命財產安全的功能。

災害防救不只是科技問題，更是人與制度的問題；

或者，防救災科技固然重要，但防救災體系的問題可能更為重要、複雜。

62 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

災物資充斥南投體育場。後來彭縣長再透

過廣播說救災物質已足請改撥善款，也是

很短時間就擁入大量善款。

動員防救災資源

有了關鍵資訊後，接下來就是如何動

員資源，也就是如何善用資源或使資源做

最有效的運用，包括人力、機具、交通工

具、生活必需品、帳篷、礦泉水、泡麵等

資源是否能即時送達災民手中。過去幾次

大型災害如九二一大地震與八八風災的慘

痛經驗，讓台灣防救災體系救災效能提高

不少，至少在民生物資的補給與發放上很

有效率。

例如有些地方政府（特別是鄉鎮市區

公所層級）會和大賣場或便利商店訂定開

口契約，當發生大型災難時，民眾可自由

前往領取生活必需用品。關於資源動員的

相關領域，包括物流管理（生活必需品管

理）、交通與運輸管理、企業管理、資訊管

理（防救災人力與物資訊息）、人力資源管

理、工業管理（涉及機具應用）等，都有

助於提升救災資源的動員與分配。

前述領域的應用也可避免資源分配不

當的問題，例如九二一大地震時，固然南

投縣立體育館在短時間就充斥民生用品，

但因缺乏管理，這些民生必需品並沒有讓

需要的「災民」取得。反而是許多非災民

身分的民眾前往取用，例如前中寮鄉長就

遭查獲其私有倉庫存有大量民眾捐贈物資。

八八風災後，總統宣布防救災是國軍

重要任務。這種做法固然解決了緊急時人

力不足的問題，但因為國軍的主要任務與

訓練並不是防救災，對於地方政府運作與

民情也不熟悉，所以傳出國軍人力遭不當

運用或濫用的非議。

台灣災後重建的效率與效能是國際

知名的，特別是非營利組織或非政府組織

投入災後重建，更獲得很多的好評。例如

2014年 8月發生的高雄氣爆，台積電派工程師深入災區，直接為災區住戶與商家提

供立即的協助。主要的原因是台積電的志

工擁有高度熱忱，經費使用有彈性，不需

官僚體系層層審核。

組織間合作

最有效的動員方式，就是透過組織間合

作進行災害防救工作的整合。因為組織擁有

的人力、物力、財力最完整、最有系統，動

員力量也最強。但很多組織不見得有防救災

合作的誘因，因此如果能建立組織間合作關

係共同救災，防救災效能當然可以提升。

所謂的組織，包括政府機關（含中央、

地方，以及國際）和非營利或非政府組織

（包括地方與國際）。面對災害防救時，本

來就是政府與民間共同的責任，必須共同

合作進行災害防救。合作的內容包括資訊

共享與資源共享，例如九二一大地震發生

時，中央與地方政府都沒有緊急搜救隊的

編組（九二一大地震後才籌設），而國際搜

台灣災後重建的效率與效能是國際知名的，

特別是非營利組織或非政府組織投入災後重建，更獲得很多的好評。

63科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

台灣災後重建的效率與效能是國際知名的，

特別是非營利組織或非政府組織投入災後重建，更獲得很多的好評。

最有效的動員方式，就是透過組織間合作進行災害防救工作的整合。

救隊來了二十多隊，也救了許多困在建築

物下的災民，這是跨國合作的典範。

至於九二一大地震後的重建工作，一

項做法是透過資源豐富的縣市，以「認養」

方式協助鄉鎮市重建。當時的國姓鄉是重

災區，由台北市政府認養，因此提供了豐

沛的資源，讓國姓鄉得以在短時間內就獲

得重生。

然而，災害發生後，經常也是組織間合

作最大的考驗。常看到的場面是，發生災害

的地方政府首長藉著媒體向中央政府嗆聲；

其用意除撇清防救災的責任外，也希望向中

央政府爭取更多的資源。這樣的現象，特別

發生在中央與地方政府分屬不同政黨時，政

治口水互噴，反而模糊了防救災的焦點，這

類情形在過去確是屢見不鮮。

跨國防救災組織間的合作也有問題，

例如日本在 2011年 3月 11日發生規模八的

大地震，導致海嘯與核災，特別是海嘯的發

生，一下子奪走了近二萬的人命，核電廠產

生的輻射效應也成為國際矚目的重大議題。

過程中，台灣與中國大陸防救災團隊

都主動向日本政府表示希望支援與協助，

卻遭日本政府拒絕。而台灣因鄰近日本，

對於核災資訊有殷切需求，卻因台灣與日

本沒有正式邦交，所以許多敏感核安資訊

都必須透過美國的間接轉手才能取得。這

些都凸顯了防救災組織間合作（必須突破

政治障礙）議題的重要性。

防救災志工組織

大型災難發生時，救災人員因交通或

災情過大等因素，經常無法在短時間內抵

達災區。例如，九二一大地震發生時，很

多重災區都必須靠社區或鄰近的人力與資

源立即救助。但因為九二一大地震災情實

在太大，而且到處橋斷路斷，使得交通受

阻，後來也是靠社區的力量發揮一些立即

救助的功能。也因此，社區防救災組織或

睦鄰救援機制的設計變得相當重要。

檢傷分類演練現場緊急逃生百寶箱

64 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

但這機制的建立或形成，社區居民必

須在平時就有共識，才能在災害發生時發

揮網絡連結的關係。2001年桃芝颱風侵襲竹山木屐寮社區，由於這個社區歷經嚴重

的土石流已有高度的警覺心，也在熱心人

士的推動下成立了社區防救災組織，並在

南投縣消防局協助與組織訓練下運作良好，

成功凝聚了社區居民的力量。

筆者於 2013年 8月至 2014年 7月前往加州柏克萊大學休假研究時，曾參與了

舊金山睦鄰救援志工組織（Neighborhood Emergency Response Team, NERT）的教育訓練課程。這個志工組織起源於 1989年因舊金山大地震，民眾深感政府防救災系統不

足，需要有民間志工組織立即或緊急應變。

因此，民眾集體向舊金山消防局提出請求，

請他們提供緊急應變的教育訓練。

筆者報名並參與了舊金山一年一度的

消防演練，演練課程是一整天，包括滅火

演練、登錄演練、搜索現場演練，以及檢

傷分類演練等。訓練時由志工扮演大地震

的傷者，並由演練人員判定傷患的種類。

另外，消防人員會展示內含緊急逃生該攜

帶物品的逃生箱，有手電筒、乾糧、飲水

（飲料）、重要證件、簡易醫療用品、運

動用隨身聽、收音機、打火機、電池、剪刀，

錢（特別是小額）等，因為緊急逃生時來

不及整理，所以平時就必須準備。

防救災必須跨領域合作，因為防救災

實務問題的解決，必須有多元或跨領域的

思維。

大型災難何時降臨很難預料，因此必

須有防救災的準備或演練。以日本 311大

地震、海嘯與核災複合型災難為例，海嘯

發生後，短時間內就奪走近兩萬人命，但

無人因核輻射立即死亡的案例。然而卻有

百人在撤離過程中喪生，死者多是醫院重

症病患。這表示醫療緊急撤離沒有做好疏

散準備，而這不只是防救災實務的問題，

也是跨領域學術研究與教育訓練的議題。

而防救災跨領域合作，可以從資訊、

動員、組織間合作 3個層面或架構思考。資訊蒐集是防救災體系最優先的項目，因

為若沒有災情資訊，動員與組織間合作的

方向就不清楚。防救災資源如何有效動員，

也攸關防救災成效；有效動員防救災資源

可以避免生命財產不當的損失。至於組織

間合作，則可以發揮更大的動員能力。而

促進組織間合作，固然可以透過科技的運

用，例如資通訊科技的運用，在最短時間

達到資訊共享的目的，但最主要的因素仍

在於組織間存在共同的防救災誘因，更能

促進合作。

組織間合作共同進行防救災非常重要，

但不應等到災害發生時才合作，而是在沒

有發生災害前就應發展合作關係，包括訂

定合作契約或進行演習等。尤其是，如何

發展出類似美國舊金山的志工組織，應是

我們努力的方向。

楊永年成功大學政治系暨政治經濟研究所

科技治理研究中心

65科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

66 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

翻開自然科學史冊，可以看到歷史上重大的科學發

現都有「啟發」的一份功勞。科學的道路充滿著重重險

阻，時常會出現山窮水盡疑無路的絕境，如果善於尋找

和捕捉「啟發」，並且樂於接受別人或別的學科的「啟

發」，往往就能絕處逢生，迎來柳暗花明又一村的美景。

追溯一下科學史上互相「啟發」的故事，對於我們的科

學研究工作必然有所幫助。

天上的太陽和地下的地震

天文學負責研究「天上」，而地震發生在「地下」，

卻萬萬沒想到二者之間有著密不可分的關係。因此，天

文學、物理學、地質學、生物學、數學、化學等結下了

不解之緣。

研究太陽黑子的活動本來是天文學家的範疇，但

是太陽黑子的研究成果卻給地震學、氣象學帶來了很大

的啟發，尤其是為地震預報開闢了一條新的途徑。中國

早在西漢時期就有了關於太陽黑子的記載，而西方的

伽利略（Galileo Galilei, 1564 -1642）在 1610年用他的望遠鏡首度觀察到太陽黑子的現象。1843年的施瓦布（Samuel Heinrich Schwabe, 1789 -1875）首先發現太陽黑子數有周期性的變化，周期約為 10年。後來，1852年沃爾夫（Johann Rudolf Wolf, 1816 -1893）根據大量觀

啟發的力量科學的進步與發展有時候需要靠別的學科的「啟發」，

才能夠大步地向前邁進。

■ 蘇明德

科學的道路充滿著重重險阻，如果善於尋找和捕捉「啟發」，

並且樂於接受別人或別的學科的「啟發」，往往能迎來柳暗花明又一村的美景。

伽 利 略 在

1610 年用望遠鏡首度觀

察到太陽黑

子的現象

施瓦布首先

發現太陽黑

子數有周期

性的變化

沃爾夫根據

大量觀測資

料，得出太

陽黑子數變

化的平均周

期是11.1年。

67科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

測資料，得出平均周期是 11.1年。太陽上的黑子活動給地球帶來很大的

影響。太陽黑子爆發時，強烈的粒子流撞

擊在地球的電離層上，把大氣高層壓低了

一些。如此一來，地球就像「在做自旋旋

轉的舞者把手靠近自己身體」一樣，這樣

的地球獲得了附加的加速度，造成地球自

轉速度的不均勻。

這一事實的發現大大啟發了地質學家，

使他們從原本埋頭注目「地下」，開始抬頭

凝視「天上」的動態。地球自轉速度的不

均勻引起地球內部應力變化和地球板塊斷

裂的復活，太陽黑子活動對地震的觸發作

用逐步被人們所重視。特別是在 1960年時發生的智利大地震，正由於當時「太陽黑

子」的觀測研究工作而引發了很大的推動

作用。

在 20世紀的 50年代，一些主張太陽黑子活動導致地震發生的科學家曾預言：

在 1950年代末和 1960年代初，地球上將發生特大號的地震。理由是這一期間正好

是太陽黑子的 11年周期，也是百年周期和數百年周期重疊的時期。果然，事實證明

了他們的預言：1960年 5月 22日在智利發生了迄今最大規模的 8.9級大地震。

自此以後，世界上的地質學家都著重

研究地震和太陽黑子活動的關係。比如說：

中國的地質學家統計了 1955∼ 1977年之間，中國破壞性地震和太陽黑子活動的關

係，也發現互相有正比關係。太陽黑子的

研究大大啟發和幫助人們了解地震的真面

目，也為地震預報提供了極其有用的線索。

演化論和地質學

達爾文（Char les Rober t Darwin , 1809 -1882）和賴爾（Sir Charles Lyell, 1797-

科學的道路充滿著重重險阻，如果善於尋找和捕捉「啟發」，

並且樂於接受別人或別的學科的「啟發」，往往能迎來柳暗花明又一村的美景。

「生物演化論」的創立

者達爾文。

地質學家賴爾曾給達爾

文非常深刻的啟發，推

動和加速了達爾文的演

化論背後基礎的建立。

1875）在科學研究中相互啟發的佳話很值得一提。

「生物演化論」的創立者達爾文當初

並不是個演化論者，他在英國劍橋大學讀

書時，對於神創論、物種不變論是深信不

疑的。於 1831年 12月 17日，達爾文手裡拿著聖經，腦袋裡裝著物種不變論，踏上

了去世界各地考察的貝格爾號軍艦（The Voyage of the Beagle）。

歷時 5 年的環球旅行，千辛萬苦的大自然界考察使達爾文轉變，物種變異的

大量事實教育了他，開始向演化論邁進。

在達爾文演化論思想的發展過程中，地

質學家賴爾曾給達爾文非常深刻的啟發，

推動和加速了達爾文的演化論背後基礎

的建立。

達爾文在搭貝格爾號軍艦的航行期

間，經常閱讀賴爾的名著《地質學原理》。

在這本著作中，賴爾論證了地層變化與古

68 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

生物化石之間的密切關係：地層年代越老，

生物類型與現存的物種差別越大，地層的

變化反映了生物的進化歷史。賴爾的這種

「漸變論」思想恰好和達爾文所見到的情

況十分符合，因此達爾文一直把《地質學

原理》帶在身邊，做為他進行生物考察的

指南。達爾文後來深有感觸地說：「看了

這本書一定會得到益處，反對常識的異教

徒必須投降。」

在這部著作的啟發下，達爾文不僅掌握

了地層和古生物化石的關係，更重要的是孕

育了他的演化論思想。為了感謝賴爾的啟發

之恩，達爾文後來把他的《考察日記》第二

版獻給了賴爾，首頁上的獻詞是這樣寫的：

「謹以感謝和愉快的心情把本書的第二版獻

給皇家學會會員查理士‧賴爾先生。這本

日記以及作者的其他著述，如有任何科學價

值，主要是由於讀了那本著名的，可欽佩的

《地質學原理》得來的，特此致謝。」

啟發是相互的。賴爾雖然在地質學領

域中主張「漸變論」，可是在生物學領域中，

特別是在人類的起源和發展的問題上，卻

堅持「物種不變」的錯誤觀點。達爾文曾

和賴爾多次交談，廣泛地交換意見。賴爾

在「生物演化」的大量事實面前，終於接

受了「生物演化」的理論。於是，他在《地

質學原理》第十次修改時，重新改寫有關

物種方面的章節，拋棄物種不變論，引用

了生物演化的觀點，用生物學的演化論進

一步證實地質漸變論，使他的地質學研究

更上一層樓。

外科手術和微生物學

李斯特（Joseph Lister, 1827-1912）受益於巴斯德（Louis Pasteur, 1822 -1895），也是「啟發」作用的表現之一。

19世紀的歐洲，醫學還很落後，尤其

是外科手術。當病人進行外科手術後，恢

復健康的人數很少，大多死於傷口感染。

英國外科醫生李斯特曾做過一個統計，他

的病人有 45 ％ 死於手術後，其他的外科醫

生則在每 5個病例中，只有 1個成功的紀

錄。傷口感染導致的原因究竟在哪裡呢？

李斯特長期思考、摸索著，但是並沒有找

到答案。此時，法國微生物學家巴斯德發

表了關於有機液體腐敗和發酵的研究成果，

證明有機液體的腐敗和發酵是由微生物引

起的。巴斯德的研究成果給予李斯特很大

的啟發。

李斯特如獲至寶地閱讀了巴斯德的著

作，使他聯想到病人傷口化膿也許就是因

李斯特閱讀了巴斯

德的著作，使他聯

想到病人傷口化膿

也許就是因為微生

物引起的一種腐敗

現象。

法國微生物學家巴

斯德發表了關於有

機液體腐敗和發酵

的研究成果，證明

有機液體的腐敗和

發酵是由微生物引

起的。

69科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

為微生物引起的一種腐敗現象。於是他開

始尋找殺死微生物的化學方法，經過多次

試驗，終於在 1865年發現從煤焦油中提煉出的一種名叫「酚」的物質能起良好的防

腐作用。他用酚水溶液噴灑他的手術室和

病人的傷口，使手術後的化膿現象大為減

少，死亡率從原來的 45 ％ 下降到 15 ％。為了感謝巴斯德對他的啟發，1874年

時，李斯特寫信給巴斯德，說道：「請你允

許我趁這機會恭恭敬敬地向你致謝，感謝

你指出微生物的存在是傷口腐敗的真正成

因，就因為根據這唯一可靠的原理，才使

我找出了避免傷口感染的方法。」正因為

如此，1892年當巴斯德 70歲生日時，李斯特特地趕到巴黎慶賀，以表達他對巴斯

德的謝意與敬意。

燃素論和氧氣

18世紀的化學界，完全籠罩在「燃素說」的濃霧之中。法國化學家拉瓦錫

（Antoine Lavoisier, 1743 -1794）獨樹一格，決心擺脫燃素說的束縛，尋求燃燒的本質。

現在我們都知道：「燃燒」就是物質

和空氣中的氧氣發生激烈化學作用，而放

出光和熱的過程。但是，當時的拉瓦錫並

不知道空氣中有氧氣，他的研究工作遇到

很大的困難。正值此際，英國化學家普利

斯特列（Joseph Priestley, 1733 -1804）的實驗給他帶來了非常大的啟發。

英國化學家普利斯特列在 1744年做了一個重要的實驗，他在加熱氧化汞的過程

中發現了一種氣體，它能促使物體燃燒，

這種氣體就是氧氣。但是，普利斯特列是

個燃素論者，氧氣來到他的鼻尖之下卻白

白地溜了過去，他從燃素論的觀點出發，

把這種氣體稱為「失去燃素的空氣」。兩

個月後，普利斯特列來到了法國巴黎，他

應邀拜訪了好客的拉瓦錫，他們在吃飯時，

普利斯特列談起自己兩個月前的新發現。

飯後，他在拉瓦錫的邀請下，把自己的實

驗表演了一遍，拉瓦錫看後深受啟發。

當送走普利斯特列之後，拉瓦錫立刻

回到自己的實驗室，馬上動手做氧化汞的

分解實驗。經過反覆實驗，終於使拉瓦錫

得出了這樣的結論：空氣是由能夠助燃的

「氧氣」和不能助燃的「窒息」氣體 ─ 即

「氮氣」─ 所組成，從此揭開燃燒之謎，

推翻「燃素論」，使人類對「燃燒」現象的

認識大大地推進了一步。

英國化學家普利斯特

列在 1744年做了一個重要的實驗，他在加

熱氧化汞的過程中發

現了一種氣體，它能

促使物體燃燒，這種

氣體就是氧氣。但是，

普利斯特列是個燃素

論者，氧氣來到他的

鼻尖之下卻白白地溜

了過去，他從燃素論

的觀點出發，把這種

氣體稱為「失去燃素

的空氣」。

拉瓦錫經過反覆實驗

得出了結論：空氣是

由能夠助燃的「氧氣」

和不能助燃的「窒息」

氣體 ― 即「氮氣」― 所組成，從此揭開燃燒之謎。

70 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

一般報導

電生磁　磁生電

發現「電磁感應」的英國科學家法拉

第（Michael Faraday, 1791-1867）， 在 他

早期科學活動中，主要是協助化學家戴維

（Humphry Davy, 1778 -1829）進行化學研究。他後來之所以能夠進行更多的物理學

研究並做出重大貢獻，和丹麥科學家奧斯

特（Hans Ørsted, 1777-1851）的啟發是密不可分的。

1820年奧斯特發現了一個有趣現象：一根通過電流的鐵絲能夠吸引附近的鐵

針，使鐵針轉動。這現象說明：電流能引

起磁力。

奧斯特的發現在法拉第的腦海中頓時

激起陣陣漣漪，他想：既然電流能引起磁力

的現象，反過來說，磁石能不能引起電流的

產生呢？於是法拉第開始研究「磁轉為電」，

經過 10年的努力，1831年法拉第終於發現了電磁感應現象。飲水思源，法拉第的發現

可歸功於奧斯特的啟發。

輻射線的好與壞

「啟發」的力量往往還會引發一系列

的「連鎖反應」。

1895年法國科學家倫琴（Wilhelm Conrad Röntgen, 1845 -1923）發現了倫琴射線，也就是現在所謂的 X射線。這件事啟發了法國科學家貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel, 1852 -1908），促使他發現了「輻射線」。

居 里 夫 人（Marie Sktodowska-Curie, 1867-1934）也受到了輻射線的啟發，發現了釷、鐳等放射性元素。並且在鐳的研

今天的自然科學有如一個百花爭豔的大花園，不但一門門新學科破土而生，

就是那些古老的學科，也幾經「推陳出新」開出了朵朵新蕾。

發現電磁感應現象的

法拉第

化學家戴維

1820年奧斯特發現了一個有趣現象：一根通

過電流的鐵絲能夠吸引

附近的磁針，使針轉動

起來。這說明：電流能

引起磁的現象。

究中，皮埃爾‧居里（Pierre Curie, 1859-1906）戲劇性地被放射性元素 ─ 鐳 ─ 所「燙傷」，引起了戴洛醫生的注意，啟發他有系

統地研究鐳的射線對動物的影響，開創了

用放射性元素的輻射線治療疾病的道路。

71科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

蘇明德嘉義大學應用化學系

今天的自然科學有如一個百花爭豔的

大花園，光彩奪目，趣味盎然，不但一門

門新學科破土而生，就是那些古老的學科，

也幾經「推陳出新」開出了朵朵新蕾。在

今天的眾多門學科中，每一門學科都有一

定的深度與難度，需要人們用畢生精力研

究。在這種情況下，更需要注意「啟發」

的作用。

但願這篇文章能幫助各位，在共同努

力、互相借鏡、互相「啟發」之下，迎接

科學園地的美好未來。

今天的自然科學有如一個百花爭豔的大花園，不但一門門新學科破土而生，

就是那些古老的學科，也幾經「推陳出新」開出了朵朵新蕾。

發現了「輻射線」的法

國科學家貝克勒爾。

1895年法國倫琴發現了倫琴射線，也就是現

在所謂的 X射線。

居里夫人受到了輻射線

發現的啟發，發現了釷、

鐳等放射性元素。

在鐳的研究中，皮埃

爾 ‧ 居里被放射性元

素 ― 鐳 ― 所「燙傷」，引起了戴洛醫生的注意，

啟發他有系統地研究鐳的

射線對動物的影響，開創

了用放射性元素的輻射線

治療疾病的道路。

72 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

當工程師絞盡腦汁想解決中央處理器

的散熱問題時，或許沒有想到，他們所依

賴的基本假設 ─ 熱傳導 ─ 是一種擴散現象，必須重新審視。臺灣大學凝態科學研

究中心副研究員張之威在室溫下發現以往

認為只有在非常低溫下才有辦法觀察到的

波動型熱傳導現象，為熱傳導波動工程打

開了廣大的研究領域，也為熱電能源科技

開啟一個新方向。

傳統假設認為，從物體一端加熱以後，

攜帶熱能的基本單元 ─ 聲子 ─ 會開始碰撞下一個聲子，一直從高溫碰撞到變成低溫，

就是熱能的傳送方式，因此熱傳導是一種

擴散現象。又因為聲子在每一次的碰撞中

會毀壞聲子的波動性質，所以有熱能損耗

而產生廢熱。廢熱在電路板上囤積過多時

會造成電路故障，在火力發電時產生的廢

熱則有能源浪費、熱汙染等問題。

依照物理定律，所有現象裡面都有著

量子的波動現象，波動現象猶如把石子丟

入池塘裡導致水波向外擴散一樣。因此在

熱傳導時，若能把前一個聲子碰撞下一個

聲子所走的距離拉開，就有機會看到聲子

的波動現象。因為波動現象出現在兩次碰

撞之間，所以波動型熱傳導沒有熱能損耗，

也就沒有廢熱的產生。

張副研究員在室溫下觀察熱電材料的

熱傳導性質時發現，矽鍺奈米線的聲子的

平均自由徑超過 8.3微米，遠遠大於以往所認為的幾個奈米。平均自由徑是指聲子能

夠保持波動現象的長度，也是聲子歷經兩

次碰撞所走距離的平均值。這個發現意味

著，矽鍺奈米線在室溫下的 8.3微米距離內，可以進行無熱能損耗的波動型熱傳導。

室溫下的

波動型熱傳導■ 張志玲

波動現象猶如把石子丟入池塘裡導致水波向外擴散

一樣（圖片來源：種子發）

73科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

矽鍺奈米線是半導體業界使用很久的

材料，因其具有由特殊聲子合金散射機制

所造成的濾波功能，所以可以有效地把高

頻的聲子過濾掉，導致只有 0.04 ％ 的熱能可以被頻率小於 0.4 THz（兆赫茲）的聲子傳播出去，使得矽鍺半導體的熱傳導率很

低，卻有著超長的聲子平均自由徑。其後，

研究團隊又在實驗中證明，把矽鍺奈米線

串聯起來的總熱阻，遵守著一個 1＋ 1＝ 1、1＋ 2＝ 2的奇妙加法規則，並在實驗中發現非傳統型的接觸熱阻，這些證明與發現

都是熱傳導波動現象的特殊表現。

全世界約有 90 ％ 的能源是透過熱能轉化成電能而來，而熱機的運轉效率又比熱

力學的效率低，這個情況造成目前全世界

的火力電廠、核能電廠、汽車引擎，乃至

手上的熱咖啡，都產生一堆不能回收利用

的廢熱。張副研究員指出，如果能把這些

廢熱回收幾個百分點，對於全球能源的有

效運用會有重大的影響。

總的來說，發現了常溫下的熱傳導波

動現象以後，許多波動光學的知識與觀念

可應用到熱波動學上，或用來製造新的量

子元件。若把熱電元件當作一種開發能源，

就有機會把咖啡釋出的熱能轉變成充電能

源，把火力發電產生的廢熱轉變成電能，

或把汽車排放的廢熱轉化成電能。

張志玲本刊特約文字編輯

如果規定坐滿 50人的車輛才能開上高速公路，那麼高速公路上的車輛不會很多，可以暢行無阻。熱傳導的擴散現象有點像過年時無流量管制的高速公路，每一部車在短距離內必須踩剎車一次，否則會碰撞到下一部

車。矽鍺奈米線的濾波功能類似坐滿 50人車輛才能開上高速公路的流量管制，可讓車輛暢行無阻。

74 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

癌症一直是國內的十大死因之一，已

連續 32年高居國人死因的第 1位。若只看因癌症死亡的病患，無論是男性或女性，

肺癌都排在第 1位。因此，肺癌的治療和預防一直是國內醫學研究的重點。

截至目前為止，肺癌最佳的治療方式

是在發病初期以手術切除腫瘤部位。然而

約 2到 3成的病患仍會復發，一旦復發也容易導致死亡。近年來，臨床醫學一直嘗

試找出哪些病患接受手術後容易復發或死

亡，以預先進行必要的處理，降低復發或

死亡率。

肺腺癌是最常見的肺癌類型，過去肺

腺癌的病理形態是以世界衛生組織所發布

的分類標準來區分。然而在 2011年，國際肺癌研究協會、美國胸腔學會，以及歐洲

呼吸學會，共同研擬一套新的病理區分標

準，把侵襲性肺腺癌分為伏壁型、腺泡型、

乳頭型、微乳頭型和實體型 5種。研究指出，新的分類方式可以更有效地預測病患

的存活時間。但相關的研究結果都由歐美

國家所發表，而東亞人種的肺腺癌常見基

因突變形態與歐美國家不同，新的區分標

準是否能夠適用在東方國家並準確預測存

活率仍不清楚。

有鑑於此，包含臺北榮總胸腔外科洪

榮志醫師、吳玉琮主任、許文虎教授，以

及臺北榮總分子病理科主任暨陽明大學臨

床醫學研究所周德盈所長在內的榮陽肺癌

研究團隊，把過去曾在該院接受手術切除

腫瘤的 573位肺腺癌病患重新按照新的標

肺腺癌新分類

有助預測存活率■ 李銘杰

第 1期肺腺癌病患的病理區分若是微乳頭型和實體型，則復發的比率較高。

40

35

30

25

20

15

10

5

0伏壁型 腺泡型 乳頭型 微乳頭型 實體型

復發的比率

（％）

34.9 36.4

21.8

16

6.7

第 1期肺腺癌

75科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

準分類，並比對其手術後的復發率或死亡

率資料。結果發現，微乳頭型和實體型的

肺腺癌病患較容易發生癌症轉移，且手術

後將近一半有復發的情況，比其他 3種類

型的病患明顯高出許多。尤其是一旦復發

時，常常已經轉移到胸部之外的其他器官。

而且，其存活率也比其他 3類型的病患明顯

較差。這項研究結果在亞洲國家中具有代表

性，可以做為其他亞洲國家治療肺腺癌的重

要參考。

洪醫師指出，究竟第 1期肺癌經由手

術切除腫瘤後，病患是否仍需要接受輔助

化學治療，臨床上常有爭論。根據過去的

文獻，第 1期肺癌病患術後接受輔助化學

治療是否可以預防復發或降低死亡率，並

沒有定論。但若是利用新的分類標準，從

第 1期肺腺癌病患中找出高復發危險者如

微乳頭型或實體型，並針對這些病患預先

施以輔助化療，也許能降低高風險病患的

復發或死亡率。這樣的推測仍需要更多的

臨床試驗提供佐證，是未來肺腺癌研究的

一大課題。

李銘杰本刊特約文字編輯

肺癌最佳的治療方式是在發病初期以手術切除腫瘤部位，然而約 2到 3成的病患仍會復發，一旦復發也容易導致死亡。（圖片來源：種子發）

7776 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

圖片對齊左邊

▍王道還

參考資料：最後不需加句點

根據舊的分析，兩千年以來年平均氣溫的上升趨勢

大幅減緩。但是新的分析顯示，全球暖化的趨勢並

未緩和。（圖片來源：NOAA）

科技新知

西元年

(OF)

每年全球氣溫與長期平均氣溫的差異

全球暖化的趨勢減緩了嗎？

關於全球暖化，最弔詭的一個發

現是：兩千年左右，暖化趨勢似乎開始

減緩。2013 年，政府間氣候變遷小組（IPCC）發布的報告指出：過去 15 年，全球氣溫的上升幅度比過去 30∼60 年低得多，大約只有 1951∼2012 年的 1／3∼1／2。

有些專家因而注意到過去忽略的一些

自然機制對於氣溫的影響，提升了我們對

於全球氣候系統的理解，但是也有人據以

推論全球暖化已不再是威脅。最近美國海

洋暨大氣總署（NOAA）的團隊重新分析了相關數據，卻發現「暖化趨勢減緩」根

本是個假象。

NOAA團隊指出，用以計算全球氣溫的數據包括兩組：地面氣溫測量與海洋表層溫度測量，但是這兩組數據各有複雜的測量問題，例如測量地點的分布及測量方法。更重要的是，

以不同方法產生的數據在整個資料庫中的比率一直在變動。

最重要的變動有 3種。第一、海洋數據中，以浮標蒐集的數據越來越多，而浮標記錄的海水溫度比船隻蒐集的稍低。第二、以船隻蒐集海水溫度，有兩種方法，它們產生的數據也

有差異，以水桶採集的海水比蒸汽引擎冷卻水進水口測到的水溫稍冷。第三、陸地氣溫測量

站大量增加，研究人員因而發現有些地區比起全球平均氣溫暖得快或慢。

總之，NOAA團隊校正了氣溫數據內含的「傾向」之後，對於全球暖化的結論是：2000∼ 2014年之間，氣溫上升的趨勢是每 10年上升攝氏 0.116 度，與 1950∼ 1999年之間的趨勢（每 10年上升攝氏 0.113 度）幾乎沒有差別。

參考資料：Karl, T. R., et al. (2015) Possible artifacts of data biases in the recent global surface warming hiatus. Science, 348, 1469-1472.

7776 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

流感疫苗與嗜睡症2009年初，墨西哥爆發新流感。4月下旬，世界衛生組織宣告新流感是「國際公共衛生

緊急事件」（PHEIC）。當年年底，疫苗上市。在歐洲，3,000萬人以上注射了葛蘭素史克藥廠（簡稱 GSK）生產的疫苗。不幸的是，這一疫苗有副作用—至少有 1,300人罹患了嗜睡症。

嗜睡症是一種神祕的疾病，病人在大白天昏昏欲睡，難以自拔；有些人在情緒激動時，

還會全身肌肉突然無力。在歐洲，每 3千人就有 1人罹患嗜睡症，通常在童年或青春期發病。病因是病人下視丘有些神經元死亡，下視丘分泌素因而不足，而下視丘分泌素是控制醒－睡

周期的分子。研究人員懷疑嗜睡症是自體免疫疾病，也就是身體的免疫系統攻擊自己的組織

造成的病變，因為許多病人都有同一個突變基因—屬於人類白血球抗原（HLA）家族。HLA基因家族可說是身體的敵我辨識系統。巧的是每一位疫苗受害者都有同樣的突變基因。

美國史丹福大學神經科學家史丹曼（Lawrence Steinman）與諾華大藥廠疫苗部門臨床科學主管阿枚德（Sohail Ahmed）聽說這一消息後，立即著手在疫苗中搜尋相關的蛋白質。他們懷疑疫苗中有類似在大腦中作用的蛋白質，結果發現流感病毒核蛋白有一部分與下視丘分

泌素受體類似。如果疫苗激發的免疫反應不只針對流感病毒的表面抗原，還包括核蛋白，注

射了疫苗的人就會產生專門鎖死下視丘分泌素受體的抗體。

既然流感疫苗可以引發嗜睡症，流感病毒本身是不是也可能引發嗜睡症？在中國，2009年之後，北京的嗜睡病患的確大幅增加，可是中國並沒有引進葛蘭素史克藥廠的流感疫苗，

而且 142位患者中只有 8位記得打過流感疫苗。此外，研究人員發現有些新流感患者的血清會與下視丘分泌素受體產生鎖定反應。不過，這個問題到目前還沒有定論。

參考資料：Vogel, G. (2015) Narcolepsy link to pandemic flu vaccine becomes clearer. Science, 349, 17.

7978 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

圖片對齊左邊

參考資料：最後不需加句點

彗星 67P抵達近日點去年 8月，歐洲太空總署在 2004年發射的太空船羅賽

塔號終於飛抵目標—彗星 67P。11月 12日，羅賽塔號釋放了地面探測器「菲萊」（參考本刊 501期）。可惜菲萊的降落並不順利，而是彈跳顛簸地跌入了陰影中，因此它的太陽

能電池無法充電。57小時後，菲萊電力耗盡，陷入沉睡。控制中心的專家期待在 67P接近近日點時（距太陽 1億 8千6百萬公里），也就是今年 8月 13日，菲萊已充足了電，恢復傳送資訊。

事實上，6月中菲萊已從沉睡中醒來，透過羅賽塔號聯繫上控制中心。也就是說，67P抵達近日點的時候，我們都能透過羅賽塔號與菲萊上的儀器目睹壯觀的彗星噴流。

參考資料：歐洲太空總署網頁 http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Rosetta_preparing_for_perihelion

冥 王 星 近 照 ， 攝

於 2015 年 7 月 13 日，距冥王星76 .8 萬公里（圖片來源：

NASA∕APL∕SwRI）

冥王星、衛星凱倫與地球的相對大小。根據新境

界號的測量，冥王星直徑 2,370 公里，不到地球的1∕5；凱倫直徑 1,208 公里，不到地球的1∕10。（圖片來源：Tricia Talbert∕NASA）

冥王星的真面目2006年 1月 19日，美國太空總署發射

太空船「新境界號」前往太陽系外的柯伊

伯帶，預定途中路過冥王星。今年 7月 14日（台北時間 15日上午 9時），新境界號飛掠冥王星，距離冥王星只有 1萬 2,400公里。那是人類太空探測器最接近冥王星的

時刻。

參考資料：美國太空總署網頁 https://www.nasa.gov/mission_pages/newhorizons/main/index.html

科技新知

2014年 11月 13日羅賽塔號在 67P上空拍攝的照片，顯示菲萊已降落 67P。（圖片來源：ESA∕Rosetta∕Philae∕CIVA）

7978 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

母乳與腸道菌群母乳有益嬰兒健康。腸道菌群參與了人體的生理、免疫，甚至神經－心理功能，是最近十

分熱門的研究題材與保健話題，讀者都很熟悉了。不過很少人注意母乳與腸道菌群的關係。

我們從常識談起罷。母乳提供嬰兒免疫球蛋白、礦物質、賀爾蒙與寡醣。母乳會影響腸

道菌群的組成，是因為含有大量寡醣。腸道細菌主要的食物是飲食中的複雜醣分子，如寡醣、

糖蛋白、纖維素等，那些醣分子哺乳動物都無法消化。這都是常識。

但是人乳的寡醣含量非常高，排名第三，而且種類非常多，異構物超過 200種。人類乳汁寡醣的量與種類，其他靈長類沒得比。40年前科學家就發現比菲德氏菌是健康嬰兒腸道的主要細菌。比菲德氏菌偏好的寡醣，其他靈長類的乳汁不是缺乏就是含量極低。

最近的發現是，比菲德氏菌的一個菌種 Bifidobacterium longum infantis擁有專門利用人類乳汁寡醣的基因。比菲德氏菌以寡醣生產的短鏈脂肪酸，正是直腸上皮細胞可利用的能源。

而直腸上皮細胞的功能是維持腸道恆定性，並使腸道 pH值保持較低水準，抑制有害細菌生長。在第三世界，嬰兒口服疫苗的效力不如預期，與嬰兒腸道菌群組成有關。

去年，一個孟加拉研究團隊發表的實驗結果，證明嬰兒腸道比菲德氏菌的比率與 3種口服疫苗（脊髓灰質炎、破傷風、B型肝炎）的免疫反應有正相關。比菲德氏菌比率高的嬰兒，胸腺（生產成熟 T細胞的基地）也比較大。

腸道菌群異常影響的不只是宿主的生理，還有心理與行為。因為腸道與腦子有聯繫渠道，

例如迷走神經，以及免疫、內分泌渠道。無菌小鼠的行為便比較「乖僻」；移植了正常小鼠

的腸道菌群，甚至只是其中特定細菌，就比較願意探索、嘗試新奇事物。尤其是偏好人類乳

汁寡醣的菌種，如比菲德氏菌。

因此，母乳中的物質會影響腸道菌群的組成，進而影響嬰兒「腦－腸」渠道的發育，再

表現在嬰兒行為上，就不是難以想像的事了。例如有的嬰兒會沒由來地啼哭不止，弄得大人

不明所以又無法休息。這些嬰兒的腸道菌群就缺乏多樣性；把乳酸菌移植到他們的腸道，便

能減輕哭鬧。而腸道菌群中比菲德氏菌比率高的嬰兒，比較不會哭鬧。

不過，過去研究的焦點是嬰兒腸道菌群組成，忽略了母親乳汁的成分。美國加州大學戴

維斯校區食品科技系的研究團隊針對生產乳汁寡醣的一個基因 FUT2完成了一個研究。過去已經發現，經由 FUT2形成的寡醣可以促進比菲德氏菌的生長，FUT2基因要是突變，乳汁中的寡醣組成便會發生變化。戴維斯團隊進一步發現，FUT2沒有活性的母親，比菲德氏菌等益菌便不容易在小寶寶腸道中駐足。

參考資料：Allen-Blevins, C. R., D. A. Sela, and K. Hinde (2015) Milk bioactives may manipulate microbes to mediate parent-offspring conflict, Evolution, Medicine, and Public Health, 2015, 106-121.

王道還中央研究院歷史語言研究所人類學組

8180 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

科學

技術與社會

單元大標對齊左邊

最近常常在媒體上看到一個人形機器

人的身影。它一身純白色流線圓滑的外表，

張著一雙圓圓的眼睛，足蹬兩輪，還號稱

可以判斷你的聲調表情，做出符合你當下

情緒的回應。官方網站開門見山，說它能

做的其實不多：「不擅長清潔打掃，不適

合煮飯燒菜，也沒有超強的能力⋯⋯但它

能說話，能識別你的情緒⋯⋯」看來它的

實用性雖然不高，但可親的外表跟號稱具

有判斷情緒的功能，若能輔以適當的肢體

動作無礙地與人談話，我們大概很容易把

它想成會思考，幾乎有生命，十足像是人

類社會裡的一分子吧。

機器人的外形當然重要。試想若是沒

有那雙骨溜溜的大眼，我們與它交談的興

趣應該會大為減損。有個像人的外形，也

比較容易想像它們可能有類似人類的情緒，

甚至思考。不過，機器人再怎麼像人，金

屬感的外表總是隔閡。以橡膠模仿真人皮

膚的擬真人機器人，又會讓人聯想到蠟像

館裡一尊尊外表與真人極相似的蠟像，它

們散發無可名狀的恐懼感，令人裹足不想

更靠近。

機器人的外表要不要更像人都是矛盾，

但是動作呢？機器人不靈活的機械性動作

就一定是改進的標的嗎？這個關係到機器

人能不能成功打入社會的市場問題，在藝

術領域中卻早有源遠流長的傳統探問。

2013年在台北藝術節帶領日本青年團演出〈三姐妹人形機器人版〉的導演平田

織佐在初嘗試讓機器人當演員時，就曾邀

請人形淨琉璃（日本傳統偶戲）的操偶師

分享操偶祕訣。平田認為，機器人就像人

偶，雖然動作同樣極度受限，但傳承悠久

科技出演，

藝術家注意！

▎林宗德

機器人若是沒有那雙骨溜溜的大眼，我們與它交談

的興趣應該會大為減損。（圖片來源：種子發）

8180 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

的操偶技術能給機器人的動作調整很多啟

發。操偶師只消在適當的時間點操縱人偶

眼皮微微張闔，搭配頸、肩、上臂的動作，

人偶受限的動作仍能精鍊地表達出極類似

人的神態。

對平田而言，這些動作發生與結束的

時間、位置必須分毫不差，尤其在機器人

與人共演的場合更是如此。只要機器人說

出對白的時間早個零點幾秒，舉手投足的

位置偏移了幾公分，表現出的互動效果就

會大打折扣。因為，這樣就無法利用一般

對話中搶話或停頓時那種精確的時間感，

讓觀眾想像機器人在說話和動作當下的心

境，機器人的演出自然也就不逼真了。

機器人動作的時間與位置上的精確對

平田很重要，對於台灣舞者黃翊來說更是

如此。2012年，黃翊創作了「雙人舞」碼〈黃翊與庫卡〉，與鮮橘色的機械手臂（也就

是在汽車組裝廠常見的工業機器人）共舞。

他學習控制機器人的程式，花費大量時間

寫出機器人的一個個動作。姿態、旋轉角

度、速度、位置當然都會影響共舞的效果。

當機器人前臂倏忽一個下墜、再上升後，

搭配黃翊即時的肢體動作，便準確地表達

出了驚嚇反應，就像人與人互動之中偶會

出現的那種。

2015年，〈黃翊與庫卡〉擴充成了4段演出（〈黃翊與庫卡〉 2012年版及2015年版的演出片段，請參見： https://www.youtube.com/watch?v=-rHshDcqMlg及 h t tps : / /www.you tube .com/channe l /UCjUfzMxetTJYFEDrKxXwnGg）。在漆黑的舞台上，兩個探照燈分別標示出黃翊與

庫卡的位置。黃翊給庫卡有時安上探照燈，

有時安上雷射，就像眼睛一樣給庫卡探索

環境的視野。兩者之間刻意地相互模仿，

庫卡時而像黃翊的手，時而像腳，時而像

頭部肩頸。兩者時而相互接近、接觸而後

分離。黃翊說，因為庫卡精準的動作，使

得他不得不要求自己的動作更精準。

在黃翊與庫卡的共舞中，時常出現的

類似動作，因為構造的不同而形成的對比，

讓庫卡在觀眾眼中就像有生命一般。在幾

段演出中或持燈光、雷射，或者攝影機的

庫卡，似乎就是個和黃翊一樣在舞台上探

索彼此和環境的另類生物。

最後一段演出是兩位舞者林柔雯、胡

鑑與庫卡共舞，這是在表演領域常見的人

模仿戲偶或傀儡的舞蹈。輕歌劇〈霍夫曼

的故事〉裡的〈奧林匹亞之歌〉，又稱〈洋

娃娃之歌〉，就是花腔女高音邊唱邊模仿

人偶動作的著名曲目。

8382 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

科學

技術與社會

日本的歌舞伎戲目中，也有改編自人

形淨琉璃〈日高川入相花王〉一劇的表演，

由演員扮演戲偶和操偶者，有一番突兀的

趣味。在歌舞伎版的〈日高川入相花王〉

裡，兩個演員一個演操偶者（本來就是由

人類擔任），一個則演出原本由無生命的

戲偶擔綱的主角。兩相對照，更顯出主角要

模仿戲偶特定的眼神和動作所需下的功夫。

〈黃翊與庫卡〉的最後一段演出則進

一步地賦予庫卡操偶師的角色，完全翻轉

了傀儡戲中由人類操縱無生命戲偶的上下

關係。舞碼中男女兩舞者坐在椅上，以機

械化的姿態時而相擁、時而分離，而身後

的庫卡持的紅色雷射光，彷彿像絲線般牽

引著兩人的動作隨之上下舞動，又彷彿隱

喻著血液的雷射正在控制著兩人動作所表

現出的生機和衰亡。

事實上，早在 2008年，由台灣科技大學機械系林其禹教授和台北藝術大學團隊

合作的機器人劇場中，有一幕便是由外表

為男、女的兩具人形機器人來控制兩個小

布偶。不過，由於當時機器人的動作問題，

布偶的靈活程度與一般的偶戲相比並不突

出。而在〈黃翊與庫卡〉這邊，雖然如上

所述，以人來模仿傀儡在表演領域中不算

罕見，但由於庫卡與兩舞者動作的精確配

合，庫卡彷彿就像是個高明的操偶師操縱

著兩名舞者。這是兩者之間精確的時間搭

配，使得機器人在觀眾眼中彷彿如有生命

般地再一次呈現。

平田導演常說，演員只要遵從他精確

的時間和位置指示，便可以產生出自然不

做作的演出。這套做法搬到機器人上更是

再適合不過了，因為精確就是機器人的長

處。同樣地，〈黃翊與庫卡〉的演出強調的

也是精準。一方面，為了跟機器人搭配，

黃翊自己的動作需要更準確；另一方面，

要讓動作受限的機器人表達出類似人的動

作與情感，黃翊也得思考怎麼樣組合它的

動作，就像個操偶師一般。

科技與社會研究者哈利． 科林斯（Harry Collins）在討論人工智慧、電腦等技術（物）怎麼被社會接受時，曾經使用

社會義肢（ social prosthesis）的概念來談人們的態度。他認為，與其著重在技術（物）

有多強大到可以取代人，我們應該同樣重

視人們在彌補其不足之處所做的努力。也

就是說，社會義肢的概念強調的是，社會

既然提供空間讓一些事情由科技代勞，人

們自然會調整自己的態度和作為，彌補技

術（物）能力不足的部分，而讓社會一如

往常般地運作。

8382 科學發展　2015年 8月│ 512期科學發展　2015年 8月│ 512期

例如 10除以 3再乘以 3，一般的計算機只會給你 9.9999999999⋯⋯的數字，但是小學生都知道答案就是完完整整的 10，不多也不少。即使計算機在這個關鍵時刻

就是少了那 0.00000000⋯⋯1，我們仍然把大部分的計算工作交給機器，認為機器不

只會計算而且做得更快更好，只在遇到 10除以 3再乘以 3時幫計算機一把，自行補上那 0.00000000⋯⋯1。

遇到複雜的計算，沒問題，交給計算

機；遇到簡單如 10除以 3再乘以 3的計算，即使計算機給的答案不太理想也沒問題，

我們自動補其不足。社會跟計算機都相安

無事。

利用科技的演出也是如此。機器人的

動作不夠柔軟，但是非常精確，藝術家利

用的就是這個特性；而柔軟度呢？就好像

是 10除以 3再乘以 3的問題一樣，讓觀眾自己補其不足。不論是黃翊或是平田織佐，

都利用了機器人科技的精確性，挑戰自己

對於互動的起始、結束應該落在哪些個正

確時間點的直覺。常說音樂是時間的藝術。

但運用機器人科技的演出，更是時間的藝

術：透過機器人「演出」在時間和位置上

的精確性，藝術家們探索人與機器人互動

之間所創造的空間。在這個空間之內，任

何人模仿機器、機器模仿人，或者兩者交

錯區別的情感表達似乎都成為可能。它利

用了時間差創造出空間的指向、位移和相

對位置，也創造出讓觀眾的想像力馳騁的

舞台。

不過，藝術家可能要注意了。平田相

當自豪，認為自己對於機器人說話和動作

的正確時間點的直覺，可以讓機器人的演

出自然而逼真。但是機器的時間可以精確

到遠超乎人類感官，反覆的時間實驗中，

也總有知道藝術家的直覺最多只能精確到

0.05秒或 0.03秒的那一天。在機器人演出的舞台，藝術家可以探

索時間精確性的潛力，在觀眾的腦海中創

造出機器人像人，或人像機器人的印象。

社會跟機器人都相安無事。不過，這個時

間精確性對於藝術家而言，會不會不但是

挑戰，而且還是挑釁呢？藝術跟機器人也

會相安無事嗎？

林宗德清華大學通識中心暨社會學研究所