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救命!我的大腦縮水了:談滲透壓去髓鞘症候群

朱 淯銘
・2016/08/23 ・3504字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

突如其來的風暴

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圖/Erich Ferdinand@flickr

賴先生自從兩周前的一場感冒之後就覺得渾身不對勁,這兩個禮拜以來幾乎都吃不下任何東西,原先安排好的旅遊行程全部都被打亂了。到了這天晚上甚至覺得胸口悶悶的,勉強自己吃下一點東西,但是過一會兒就全都吐了出來。後來實在覺得太不舒服,於是掛了急診就醫。

急診陳醫師來來回回問了好些問題,發現很難從一堆症狀當中判斷賴先生生了什麼病,於是安排抽血。檢驗數據當中有一項數字特別的引人注意:賴先生血液中的鈉離子濃度很低,只有 105 mmol/L。納離子的正常值應該介於 135 到 145 之間,105 真是低到嚇人!

回顧賴先生的過去病史,他服用高血壓藥物已經有十年左右的時間,一直以來都服用同一種名叫 Natrilix 的藥物,十年來都沒有換過藥,也從未感覺到不舒服。陳醫師很快就從這當中理出頭緒:Natrilix 是一種 thiazide 類的利尿劑,幫助從腎臟排出過多的水份,進而使血壓降低。它的原理是從腎臟的遠端腎小管增加鈉離子的排出,副作用就是容易造成低血鈉的情形。(Natrilix 的中文名稱十分傳神,叫做鈉催離。)

賴先生長期服用 Natrilix,可能平常就有無症狀的低血鈉現象。兩周前的一場感冒,導致食欲變差,攝取的鹽巴變少了,但是卻同時喝進大量的水,一來一往之間,稀釋了體內的鈉離子,濃度變低,於是造成了噁心嘔吐、全身虛弱等症狀。

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陳醫師為賴先生施打了生理食鹽水做為治療,生理食鹽水鈉離子的濃度是 154 mmol/L,恰好可以補充賴先生體內的低血鈉症(105 mmol/L)。但是經過四個小時之後再次檢測賴先生的血液,發現鈉離子濃度只些微上升到 106 mmol/L,上升的幅度不如預期,而賴先生仍然抱怨著全身不舒服。於是陳醫師改成使用高張的食鹽水溶液,鈉離子濃度高達 513 mmol/L,可以快速的矯正低血鈉。

當天晚上賴先生就被安排住院觀察,隔天早上抽血檢驗,鈉離子已經回升到 120 mmol/L。賴先生的症狀改善許多,精神奕奕的看著報紙,滑著手機,彷彿昨天的陰霾已經一掃而空,甚至還詢問是不是能夠出院了!主治醫師吳醫師告訴他,目前的血鈉濃度還是偏低,建議住院再治療幾天。

隔天早上八點,病房傳來一陣騷動。「張醫師,72 房的賴先生有狀況,請你去看一下!」病房的住院醫師張醫師走進病房裡,只見賴先生一臉驚恐,嘴巴張的大大的,但是卻一句話也說不出來!旁邊的妻子和女兒一臉焦急的模樣,女兒說爸爸幾分鐘前突然表示自己什麼也聽不見,後來就再也說不出話來了。

張醫師試著請賴先生舉起雙手、轉動眼球,但是賴先生一副似懂非懂的表情,沒有辦法溝通,也不遵照指示,他只是一臉惶恐,緊緊抱著女兒不放。緊急腦部電腦斷層顯示沒有急性腦出血的現象,抽血的數據看起來十分正常,鈉離子的濃度是 126 mmol/L,甚至比起昨天還改善了許多…

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細胞也會膨脹收縮

鈉離子(Na+)是血液及細胞外液裡成份最多的陽離子。從計算血清滲透壓的公式:

血清滲透壓(Plasma osmolality) = 2[Na+] + [Glucose]/18 + [BUN]/2.8

  • 註:BUN為尿素氮,Blood urea nitrogen的縮寫

可以得知血液中的鈉離子貢獻了大部份的滲透壓。另一方面,細胞內液的成份可就大不相同了,細胞內液裡成份最多的陽離子變成了鉀離子,鈉離子反而少,和細胞外液剛好相反。

細胞膜的構造是雙層脂質結構,上面漂浮著許多通道蛋白,一般的物質和離子是不能隨意通過細胞膜的,但是水分子可以經由兩邊的濃度差「擴散」通過細胞膜。當低血鈉發生的時候,會造成細胞「外」液的滲透壓減少,水分子就開始往滲透壓較高的細胞「內」液移動,於是細胞就滲水膨脹了起來。

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圖片以紅血球細胞顯示細胞內外滲透壓變化的狀況。圖/By LadyofHats, Public Domain, wikimedia commons.

如果水份一直往細胞裡灌,可是會把細胞給撐破呢!細胞當然不會坐以待斃,於是開始利用主動運輸把細胞裡的溶質往外頭運送,藉以降低細胞內液的滲透壓,讓水不要再滲進來了。終於,細胞內外兩邊的滲透壓重新回到了平衡,細胞也瘦身到原來的形狀。這樣的過程稱為「適應」,大約需要兩天左右的時間。

如果這時候突然給予大量的生理食鹽水,甚至是高鈉溶液,會發生什麼事呢?低血鈉會被快速的矯正,血清和細胞「外」液的滲透壓會急劇上升。這下子變成細胞裡的水份開始向外擴散了!因為細胞「內」液的滲透壓相對來說變低了。這時細胞可要反其道而行,把丟出去的溶質趕快回收回來!不然細胞一直縮水下去,也難逃破裂的命運!

身體裡大部份的細胞都能夠迅速反應這兩種情況,運輸、回收,不會造成太大的問題。只有一群細胞在這方面不大擅長——那就是大腦裡的細胞!

脆弱的腦細胞

為了讓大腦的神經細胞能在穩定的狀態下工作,大腦的微血管外頭多了一層「血腦屏障」,由內皮細胞緊密連結所構成,就像是手拉著手一樣。血腦屏障幾乎阻擋了所有東西進入腦部,除了少數的必要物質以外。當血液納離子濃度快速上升,細胞一旦開始縮水,構成血腦屏障的內皮細胞間就出現了縫隙,一些血液中的發炎物質就可以進到腦中大肆進行破壞了!

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腦中的血管構造。圖/By Armin Kübelbeck, CC BY 3.0, wikimedia commons.

另一方面,大腦充滿了高度分化的精細細胞,無法承受快速的膨脹或縮小,比起一般細胞更容易受傷。寡突細胞(Oligodendrocyte)負責製造神經細胞的外牆——「髓鞘」,如果他受傷了,神經細胞一旦失去了髓鞘,就不能正常運作了!於是乎,腦細胞縮水造成了大腦當機,病人的意識就出現變化了!這就是——「滲透壓去髓鞘症候群」(Osmotic demyelination syndrome)。

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有髓鞘(右)與沒有髓鞘的神經細胞,傳遞動作電位的速度差很多。圖/By Dr. Jana, CC BY 4.0, wikimedia commons.

當一天血清鈉離子濃度上升超過 8 mmol/L 的時候,就有可能會產生「滲透壓去髓鞘症候群」,病人會發生意識不清、無法說話、吞嚥困難等等症狀,甚至還會產生癲癇!神奇的是,這些症狀經常會延遲兩天左右才發生,這時往往血液鈉離子濃度檢驗起來已經「挺正常的」,當醫生和病人認為低血鈉已經被矯正回來的時候,可能惡夢才正要開始!

和時間賽跑

回到第一天住院時的情景,剛到院時的血清鈉離子濃度是 105 mmol/L,使用等張食鹽水溶液四小時後上升到 106 mmol/L 在使用高張食鹽水溶液補充的 12 小時後,鈉離子濃度上升到 119 mmol/L。在這 12 個小時內快速地從 106 上升到 119 mmol/L 恐怕就是關鍵!因為鈉離子濃度上升過快,造成賴先生的大腦受損。如果放任下去不管的話,恐怕神經損傷就會無法回復,和時間賽跑顯得刻不容緩!

吳醫師和陳醫師制定了一個計畫:將賴先生的血清鈉離子濃度從目前的 126 重新降回 117 mmol/L,讓水份重新回到腦細胞內,或許還能夠逆轉這一切。

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675px-Infuuszakjes

首先將點滴換成低滲透壓的 5% 葡萄糖溶液,也就是糖水。葡萄糖進入身體之後很快會因為胰島素的作用進入細胞當中,所以溶液的滲透壓幾乎可以忽略,等於是輸入純水進入身體,如此一來就能夠稀釋血中鈉離子的濃度,降低整體細胞外液的滲透壓。

但是光這樣還不夠,因為腎臟會自動把多餘的水份排掉,所以必須同時施打人工合成的「抗利尿激素」(Desmopressin),讓腎臟回收大部份的水份回到身體裡,使小便變少,才能夠營造快速降血鈉的效果。

雙管齊下之後,就是密集監測血清的鈉離子濃度了。小便很快就變少了,但是鈉離子濃度下降的還不夠快,將 5% 葡萄糖溶液的輸注速率從每小時 60 ml 上升到 120 ml 之後,終於達到目標–血清鈉離子濃度每小時下降 1 mmol/L。27 個小時後,終於在隔天下午一點鐘達到目標值 117 mmol/L,陳醫師於是將 5% 葡萄糖溶液停止輸注。經過了一天,病人還是說不出話來,但是情緒比較沒那麼激動了,在家屬的親餵下,勉強吃了點東西,現在能做的事情,恐怕也只有祈禱了……

當天晚上七點,護理紀錄上面記載著令人振奮的消息:「精神可,可坐於床邊使用手機,可與家屬對談。」隔天早上吳醫師和陳醫師去看他的時候,賴先生不僅可以回答問題,而且對於人事時地物都很清楚,只是說話還有點兒慢,而且還無法進行減法的計算。

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挽救療法奏效了!賴生生說他實在記不得前兩天發生了什麼事,但是一旁的妻子和女兒高興的眼淚流了滿面。

 

參考資料:

  • Richard H Sterns. (2016). Osmotic demyelination syndrome (ODS) and overly rapid correction of hyponatremia. In T.W. Post, M. Emmett, & J.P. Forman (Eds.), UptoDate

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朱 淯銘
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目前是一名內科住院醫師,為了專科醫師執照努力打拼。最討厭文書作業和醫院評鑑,但對於內科疾病的多樣變化和醫病間生與死的溝通感到興趣。每周工時 80 小時還是努力找時間來寫作,最懷念在非洲布吉納法索擔任外交替代役的時光,並著有《下一站,布吉納法索》一書。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

延伸閱讀選擇適合物鏡 解析鏡頭上的密碼

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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃