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睜一隻眼閉一隻眼,軍艦鳥睡著了但還在飛!

活躍星系核_96
・2016/09/20 ・2550字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

文/洪志銘|中央研究院生物多樣性研究中心助研究員

你可曾想過,當你在長途客機上安穩地睡覺時,外頭的飛鳥在牠們飛行途中可能也睡著了!?

科學家發現有些鳥類能長時間不間斷地飛行,飛行時間可長達數天或更久,例如,高山雨燕(Alpine swift, Tachymarptis melba)曾被記錄到可連續飛行 200天[1]。大多數動物每天都需要睡眠,使得科學家懷疑鳥能夠而且需要邊飛邊睡[2]。

另外,有研究發現鴨子在地面上睡眠時,能維持半邊腦清醒,以保持對掠食者的警戒[3]。這更增加了鳥能邊飛邊睡這說法的可能性。但這樣的懷疑,一直以來都缺乏研究證據。直到今年(2016年),ㄧ個由德國 Max Planck Institute for Ornithology 所主導的國際研究團隊,證實軍艦鳥(英文俗名:Great frigatebird,學名:Fregata minor,此種鳥的中文命名爭議請見文末)可以在飛行中睡覺[4]。

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軍艦鳥成年雄鳥的喉囊為紅色且會明顯膨脹,是非常顯眼的特徵。圖/By Charlesjsharp – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

軍艦鳥:不碰水但抓魚的海鳥

軍艦鳥(共一科一屬五種)是生活於熱帶海洋的海鳥,牠們不像多數海鳥擁有發達的腳蹼,其羽毛也不能防水,所以牠們不會潛入水中捕食,而是在飛行中掠捕跳出海面的魚或烏賊。

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軍艦鳥通常在海面上捕捉跳出水面的獵物。圖/Public Domain

牠們能進行長達數週、甚至數個月不落地的連續飛行。另一個近期的研究,發現軍艦鳥會順著上昇氣流不費力地迴旋爬升到高空,再以直線滑翔方式逐漸下降,在其飛行過程中,一直重複這樣的循環[5]。如此省力的飛翔方式,讓小軍艦鳥能長時間地連續飛行。

半腦睡可以飛,全腦睡也行

在這個飛行睡眠研究中,研究者將腦波記錄器(electroencephalogram, EEG)設置於軍艦鳥前額,記錄牠們飛行時的左、右半腦的腦波變化,用以判斷該鳥何時進入睡眠狀態。同時也在軍艦鳥背上放置 GPS 記錄器,記錄該鳥的飛行位置與高度,並計算其飛行角度。

藉由長達 10 天的飛行腦波與 GPS 記錄,研究者發現軍艦鳥於飛行中能進行半腦或全腦睡眠。進行半腦睡眠時,另一半邊腦能持續工作,軍艦鳥會以該半腦所管理的那隻眼睛保持警戒。當進行半腦睡眠的軍艦鳥向右轉彎時,右眼會維持張開,向左轉彎時,左眼會維持張開。這樣能讓邊飛邊睡的軍艦鳥避免撞上其他鳥或物體。研究者也發現軍艦鳥能在飛行時進行全腦睡眠,這是更驚人的行為,但是頻度很低。

Great_frigatebird_Lady_Elliot_Island,_Queensland
飛行中的小軍艦鳥雌鳥。圖/By Aviceda at English Wikipedia, CC BY 3.0, wikimedia commons.

每天只睡 40 分鐘!

事實上,軍艦鳥在飛行時,平均每天睡眠時間僅約 40 分鐘,相較於在地面時的睡眠時間短上許多。飛行睡眠時間只有地面睡眠時間的 7.4%。被記錄到最長的單次飛行睡眠時間是 5 分鐘 48 秒,且許多飛行睡眠僅維持數秒。軍艦鳥的飛行睡眠強度也低於地面睡眠強度。

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另外,研究者發現當軍艦鳥回到地面上休息較久後,牠們的地面睡眠強度就降低了。這有可能表示牠們會以回到地面的睡眠,補充在空中飛行時不足的睡眠。這或許就像人們在連續熬夜工作(或打電動)後,會需要找時間補眠一樣。但是更明確的結論,有待分析更詳細的飛翔前後地面睡眠頻度與強度資料。

640px-Greater_frigatebird_breeding_pair
圖/By Charlesjsharp – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

軍艦鳥在空中的睡眠幾乎只發生在夜間,也是較不會覓食的時間;但是在地面時,牠們白天晚上都會睡。另外牠們大多在身處於上昇氣流時,才短暫睡覺,且睡眠強度低。種種跡象顯示軍艦鳥也不是愛睡就睡,空中飛行時所需的警戒性與覓食需求,限制了牠們的空中睡眠模式。另一方面,在這種種限制下牠們還是要小睡一下,更凸顯睡眠對牠們的必要性。

不只軍艦鳥「疲勞駕駛」

過去的研究也發現到其他動物能邊行動邊睡。例如,海豚能邊游泳邊進行半腦睡眠[6]。有些鯊魚一生不能停止游泳,很有可能也是邊游邊睡,但仍缺乏研究證據。此外,海豹、果蝠與鬣蜥也有半腦睡眠並維持一眼警戒的行為[7,8,9]。

為何動物需要睡眠是一個耐人尋味的問題。睡眠時動物缺乏警覺性,容易遭受攻擊。即便如此,大多數動物每天仍會花相當的時間睡覺。 有證據顯示睡眠缺乏或不足會影響腦功能正常運作[10]。但軍艦鳥並沒有因為連續飛行天數增加,而增加飛行睡眠的強度或頻度。雖然回地面補眠是一個可能的平衡機制,但是軍艦鳥如何能以少量的睡眠,維持長達數週的連續飛行,仍值得更進一步的研究。

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其實人類在一些狀況下,也會出現類似的淺眠現象。例如,在陌生的地方過夜,而需要保持警戒時,我們往往睡得不太好。所以,類似的動物行為研究也能為人類的睡眠失常行為,提供有用的參考資料。

補充:軍艦鳥的命名爭議

依據《台灣鳥類誌》,此鳥最初於 1789 年由德國博物學家 Johann Friedrich Gmelin 命名,牠的學名 Pelecanus minor 意指「較小型的鵜鶘」,但後來新的鳥類分類將牠列在新的軍艦鳥屬中,也就改成了現在的學名 Fregata minor。從學名來看 minor 常讓人誤解牠是種「較小的軍艦鳥」,但牠的體型在軍艦鳥屬中其實是較大的,因而得到了 Great frigatebird 的俗名。在這命名過程中的小插曲,導致這種軍艦鳥的中文譯名,同時有「大軍艦鳥」和「小軍艦鳥」兩個截然不同的名字。

為了避免這樣的混淆在《台灣鳥類誌》中以「黑腹軍艦鳥」指稱此種鳥,但這種鳥卻又不是全部都有黑色的腹部,像是雌鳥和未成熟的雄鳥腹部其實是白色的。因此在此筆者用「軍艦鳥」來作為 Fregata minor 的中文譯名。

參考資料

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  1. Liechti, F., Witvliet, W., Weber, R., & Bächler, E. (2013). First evidence of a 200-day non-stop flight in a bird. Nature Communications4.
  2. Rattenborg, N. C. (2006). Do birds sleep in flight?. Naturwissenschaften, 93(9), 413-425.
  3. Rattenborg, N. C., Lima, S. L., & Amlaner, C. J. (1999). Half-awake to the risk of predation. Nature397(6718), 397-398.
  4. Rattenborg, N. C., Voirin, B., Cruz, S. M. et al. (2016). Evidence that birds sleep in mid-flight. Nature Communications7.
  5. Weimerskirch, H., Bishop, C., Jeanniard-du-Dot, T., Prudor, A., & Sachs, G. (2016). Frigate birds track atmospheric conditions over months-long transoceanic flights. Science353(6294), 74-78.
  6. Lyamin, O. I., Manger, P. R., Ridgway, S. H., Mukhametov, L. M., & Siegel, J. M. (2008). Cetacean sleep: an unusual form of mammalian sleep.Neuroscience & Biobehavioral Reviews32(8), 1451-1484.
  7. Lyamin, O. I., Mukhametov, L. M., & Siegel, J. M. (2004). Relationship between sleep and eye state in Cetaceans and Pinnipeds. Archives italiennes de biologie142(4), 557-568.
  8. Downs, C. T., Awuah, A., Jordaan, M. et al. (2015). Too Hot to Sleep? Sleep Behaviour and Surface Body Temperature of Wahlberg’s Epauletted Fruit Bat. PloS one10(3), e0119419.
  9. Rattenborg, N. C., Amlaner, C. J., & Lima, S. L. (2000). Behavioral, neurophysiological and evolutionary perspectives on unihemispheric sleep.Neuroscience & Biobehavioral Reviews24(8), 817-842.
  10. Thomas, M., Sing, H., Belenky, G. et al. (2000). Neural basis of alertness and cognitive performance impairments during sleepiness. I. Effects of 24 h of sleep deprivation on waking human regional brain activity. Journal of sleep research9(4), 335-352.
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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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「報告班長,我想睡覺!」軍人愛睏怎麼辦?──《不為人知的敵人》
八旗文化_96
・2017/05/15 ・5942字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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  • 【科科愛看書之本月選書】軍隊最大的對手是誰?才不是那些顯而易見的持槍敵人,而是疲勞、噪音、酷熱、腹瀉、恐慌……等等你根本料想不到的邪惡角色。快跟著瑪莉羅曲那明快而幽默的腳步,一起深入軍營去見識那些《不為人知的敵人》,看看科學是如何用有趣的方法力抗各式另類殺手。本書為泛科學 2017 年 5 月選書

找不到地方睡嗎?去睡在導彈旁邊吧!

導彈艙最近新增了不少床位。美國海軍潛艦田納西號下水後幾年,因為做了技術升級,需要增加水兵來操作伺服器。但問題是,沒有地方可以設置寢室床位。後來有人想到在兩枚核子飛彈之間有空位可以安置床鋪,於是這些熱騰騰的床位便誕生了。艦上的三叉戟二型飛彈的發射管四十五呎高,貫穿潛艦全部四層甲板,總共二十四座。這幾層的導彈艙是全艦最僻靜的地方,像是老舊大學圖書館的藏書架,安靜、隱密,可以躲進去補眠。

但是我現在講話這一刻卻不是這樣。「全部人員起床!」艦內對講機內的廣播,伴隨著又吵又持續的起床警報:砰!砰!砰!砰!像個討厭的小鬼拿著木棍在敲水壺一樣。

「模擬發射全部飛彈。」真這樣的話,要發射的飛彈可不少。三叉戟飛彈是多彈頭飛彈,每個彈頭都可以設定其目標,精準度──我聽過兩次人家這樣講──「可以擊中投手丘」。

三叉戟飛彈是多彈頭飛彈,每個彈頭都可以設定其目標,精準度極佳。圖/Public Domain, wikimedia commons

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美國海軍彈道飛彈潛艦艦隊總共有十四艘潛艦,是一股水下移動式核子武力,和陸地發射井中的飛彈,以及轟炸機上的飛彈,構成了美國戰略性嚇阻(strategic deterrence)的「 核子三合一 」(nuclear triad)。

這個「核子三合一」戰略性嚇阻所傳達的訊息是:「你瘋了才會用核彈打我,我們的核彈比你多,而且你也無法先發制人,因為你不知道我們的彈道飛彈潛艦在哪裡。」彈道飛彈潛艦可以躲在整個海洋的任何地方,艦上的核子反應爐可以產生動力,並且製水,永遠不必為了加油而浮出水面;糧食用罄之前,可以一直待在海底深處。

田納西號副長納珊.穆瑞(Nathan Murray)邀請我進飛彈艙看他進行演習。(我和一群未來的指揮官一起登艦做評估。)我們沿著艙壁通過一排床位;某些還用黑色聚合物的簾子遮住,看起來像 80 年代某些龐克俱樂部的洗手間。穆瑞指著一位年輕人的床位,他要和牆上的消防水管共享這個空間。他昨晚已被消防演習吵醒,現在又要演習。

一天到晚演習,想睡覺都沒辦法

美國海軍潛艦部隊(The Submarine Force)已經正式承認他們有官兵睡眠問題。

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《部隊任務重點通報:船員休息問題特刊》(Force Operational Notes Newsletter: Special Crew Rest Edition)裡面便提到:「個人於海洋中的睡眠未獲保護,使得行政訓練、保養以及『迫切的』問題,常態性地縮短或打斷了人員的睡眠……。」田納西號的船員要做消防演習、進水演習、液壓破裂演習、氣壓破裂演習、人員落水演習、安全違反演習、魚雷發射演習等等,艦上做飛彈發射演習比某些人用牙線還來得頻繁。

一方面,你希望船員都訓練有素,你不想「打錯投手」。但是另一方面,你卻又希望訓練和演習不要這麼頻繁,弄到那些操作炸彈、反應爐的人員長期睡眠不足。

想要士兵訓練有素,又希望他們睡眠充足,到底該怎麼辦?圖/skeeze@Pixabay

1949 年的潛艦作息時間表允許人員一天睡眠十小時。除了這種「長眠」之外,一半船員至少在一天之內還能小睡一次。但從 1954 開始,潛艦由柴油引擎逐漸改為核子動力。結果就是艦上要看守的部位多了起來,不再像以前只是看看溫度計或油量表而已。以田納西號來說,現在人員睡眠時間平均四小時。

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此次登艦之前,我和睡眠研究專家葛瑞格.貝蘭奇上校(Colonel Greg Belenky)通過電話。他是位於史波肯的華盛頓州立大學(Washington State University, Spokane)睡眠與效能研究中心(Sleep and Performance Research Center)的創立人。

貝蘭奇很清楚人從一天睡八小時減為四、五小時後有什麼變化。他們的認知能力在幾天之內就開始下降,猶如從高原狀態衰退到一個無法運作的狀態。睡眠時間越少,智能衰退越嚴重,後來才能回升。

但是是哪種心智能力會衰退呢?是大部分。貝蘭奇說, 睡眠不足會使記憶力減退,維持思考、決策,整合情緒和理性的網絡弱化。「你是不是也有過那種碰到問題,但想不出該怎麼辦的時候?結果是不是你睡了一晚好覺之後,醒過來,啊,有了!這就是睡眠的功用。睡眠使大腦恢復正常功能。」

短少的睡眠時間會使人的智能退化。圖/Kelsey @Flickr

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你是新來的?那睡覺時間再打個折吧!

在潛艦上,新兵的情況更慘。他們除了每天的工作和值更之外,還要準備「資格考」──潛艦版的律師資格考。六十幾題潛艦組件及系統的口試題,再加上本艦特有的──從操舵、到操作深度計,到排出衛生水櫃等等──各種任務實作。

蒸汽瀰漫的士官兵休息室裡,一名臉長長的水兵正在讀潛水液壓學。他說:「我曾經一個晚上只睡三個小時,隔天又完全沒睡。」(休息室裡水氣瀰漫, 又有人在打活屍末日〔zombie-apocalypse〕電玩,或是玩桌上足球機,實在不是讀書的好地方。或許因為我是個中年人才這麼想。)

水兵會告訴你他還好,但貝蘭奇知道其實不然。人一天睡眠不足四小時,他們就連復原都沒辦法。他們的智能會一直下滑,最後直達睡眠科學家想出的特殊詞彙才有辦法表達的低點,比如說「災難性代償失調」(catastrophic decompensation)就是其中之一。

「簡單地說就是,每天無法得到適當持續的睡眠,導致人員過於疲憊,在幾天內出現類似於酒醉的『不足』狀態。」《部隊任務重點通報》當中,這幾個句子在編排上被極度強調,又是黑體字,又是底下畫線,又是斜體字。

長期睡眠不足和酒醉一樣,會導致危險加倍;因為,這時人員連自身的損害都無法正確判斷。傑夫.戴克(Jeff Dyche)曾經在潛艦醫學研究實驗室擔任研究心理學家,現在則在詹姆斯.麥迪遜大學(James Maddison University)任職。

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他告訴我說,有項研究顯示,人連續兩週每天睡眠六小時, 其認知能力會降低到等同於連續四十八小時未眠。長期每天睡六小時的人和整晚沒睡的人不一樣的地方是,他們不覺得需要小心。他們在長時間感到有些疲勞後,已經覺得那是正常狀態。戴克說: 「他們會說,『啊,我已經習慣了。』」這兩天我聽過很多人說這句話。

一名水手一面把垃圾推進業務用壓縮機裡面,一面說:「我一晚睡四個半小時;在二十四小時的週期內我覺得還好。」他不知道這個壓縮機要是壓到他的肉或手指,效率會和壓垃圾一樣好。

「我不睡覺我驕傲!」這種心態正確嗎?

穆瑞和潛艦艦長克里斯.包納(Chris Bohner)自告奮勇要在艦上實施一份新的值更表;其目的在於讓官休息得更好,為了他們的健康(近來認為睡眠不足和過重、高血壓、糖尿病與心臟病有關)及所有人的安全。這項任務並不容易。

穆瑞說:「為了弄清楚人的『休息』這回事,我花了相當多的時間。」他是個很受歡迎的領導者;不論舉止或是儀表,都是個值得信賴的人。你絕對不會看到他走路懶散、靠牆站立,或是站三七步,屁股歪一邊。他總是雙腳穩穩地站著,堅定如石,雙手放在腰際,偶爾摸一下理得很短的頭髮。他的髮際線在哪裡,就和潛艦在哪個緯度一樣,對我始終都是個謎。

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問題在於總會有事情發生。有人進度落後,值更表就四分五裂。而本周的問題之一就是在下的造訪,小女子的到來讓每個人的工作都受到了干擾,因為組員必須花上四、五個小時,找一處海浪比較小的海域,好讓潛艦和我搭乘的船艦之間能搭上跳板。

海軍要處理官兵睡眠不足的問題,其挑戰有部分在於某些人對此引以為傲。我在潛艦醫學研究實驗室認識一位資深的潛艦艦長雷.吾爾利奇(Ray Woolrich)。他告訴我說:「陸戰隊員在酒吧會告訴你他們可以做多少下伏地挺身,飛行員會告訴你他們可以承受幾 G 重力,潛艦水兵會告訴你他們可以多少個小時不睡覺。」寧可累死,也不願被人說是「 愛睏狗 」(rack hound) 1 。

我才不是愛睏狗!我沒有在睡覺! 圖/GIPHY

睡眠之戰,原來軍方一直抓錯重點

幾十年來,軍方的睡眠研究重點一直一成不變,偏重於怎樣讓官兵可以少睡,而不是怎樣讓官兵好好入眠。他們試行各種模擬狀況來測試飛行員、戰士和水兵,但是一直到近年,維護官兵的睡眠才成為國防部的優先政策。

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現行陸軍政策(Current Army Policy)規定戰區內各級主管應擬定並實施一項睡眠管理計畫。(不過針對從伊拉克、阿富汗歸來官兵所做的一次小規模調查顯示,80% 的官兵都不知道有這項計畫。)照貝蘭奇所見,轉捩點在於陸軍野外演訓(Field Training Exercises,簡稱 FTXs)被延長的緣故。

這種大規模的模擬對抗,就等於是官兵在實務上的期末測驗。貝蘭奇說:「在某個階段,擬定教範的人認為,那些值得出兵的戰爭通常會持續一、兩週。所以他們就把野外演訓從三天延長到兩週。」在這之前,傳統是整個演訓期間都不睡覺,目的是要讓官兵「看起來有士氣,並得到好的評定。」他還記得,演訓期延長之後不久,他接到一個部隊指揮官的電話。

「他說:『我需要你給我藥理學的建議。我要我的手下能撐更久不睡覺。』」他以為那名指揮官說的「更久」是指兩、三天。「 我說:『你要他們多久不睡?』他說:『兩週。』實際上人們試圖想撐過去。」這無疑是一個生動且有趣的例子,清楚說明了睡眠對戰力表現的重要性。

將軍累了嗎?看他作戰就知道

歷史上也有同樣生動的實例。「石牆」.傑克森(“Stonewall” Jackson)是內戰期間南軍的將領。醫學史學家麥考威克(Philip Mackowiak)藉由比較目擊者和軍官的陳述,做出關於「石牆」.傑克森在南北戰爭一系列戰鬥之前,睡眠機會與戰力表現之間的關係。

他發現,若是戰事發生後前三天傑克森都沒有睡覺,這種情況下,他的領導百分之百被認定為「無方」(poor)。蓋恩斯磨坊戰役(Battle of Gaines’ Mill)之時,他的總參謀長描述他「自始至終完全地混亂。」麾下各旅不僅「表現失常」,他連他們的位置在哪裡都不知道。格蘭岱爾戰役(Battle of Glendale)時,他人「 如麻木般……無法深入思考或無法做費力的動作……心不在焉又毫無活力。 」瑪爾文山戰役(Battle of Malvern Hill)期間,他「一副旁觀者的樣子」。麥道威戰役(Battle of MacDowell)時,有人看到他在打嗑睡。

只要沒睡飽,傑克森將軍就會有點ㄎㄧㄤ 。圖/John Dunne @Flickr

貝蘭奇告訴我,人每二十四小時不睡覺,就會喪失 25% 有效的心智能力。所以傑克森是以清醒狀態下 25% 的能力在率領手下衝鋒(或者根本沒有率領)。我盡量不去想田納西號輪機室一個叫派特森(Patterson)的人。他為了修電解造氧機,已經足足二十二小時沒有睡覺。電解造氧機是一台巨大的鐵殼分子分裂器,「基本就是氫彈,」──他興致高昂地說。

貝蘭奇要實驗受試者不睡覺的時間,最長是八十五小時──超過三天。他說,這大概是人的極限了,「這對任何人都沒有益處。」雖然有人宣稱自己可以一百小時,甚至兩百小時不睡,但由於他們的腦波未受到持續監測,因此難以確定他們沒有「斷續睡眠」(microsleep)。

人要是很累,會墜入第一階段短暫睡眠,眼睛開著,甚至看似手裡照常做著一樣的事。曾在飛機上睡過覺的人都知道,人入睡的時候是可維持肌張力(muscle tone)的;除非進入快速眼動睡眠期,肌肉才會放鬆。人如果在其晝夜循環的非正常時段入睡,會提前進入快速眼動期。如果你白天打瞌睡,嘴巴開開,頭還點個不停,那就要怪「 早發性眼動期 」(early-onset REM)。

人在飛機上睡著時,同時肌肉也仍維持著張力。圖/mark taylor @Flickr

既然一定要睡覺,那就用半個腦睡吧?

偶爾有報告說軍人──包括「 石牆 」.傑克森──會在夜間行軍時睡著。貝蘭奇說,當你夠累的時候,大腦似乎會暫時解離,也就是一半睡著、一半醒著。有些鳥類、海洋哺乳類都會這樣;海豚、海豹都可以單腦半球入睡,也就是腦只有一半入睡。這是因為另一半腦還要讓身體能游到海面上呼吸。鴨、鵝類成群趴在地上入睡時,外圍的鴨、鵝會睜著一隻眼睛,並保持對應的腦半球清醒,防備掠食者。

從軍方的觀點看,士兵要是能夠在行軍、游泳甚至索敵期間休息,這是最可取的;這完全符合以軍方未來觀點思考的國防先進研究計畫局(Defense Advanced Research Project Agency)其中一項目標:「要讓士兵最多一連七天,在不使用任何當代興奮劑的前提下,始終保持清醒、警覺、有效, 並且生理、心理能力不減退。」就是這個原因,所以你才會發現國防部有在贊助某些單腦半球睡眠基礎研究計畫。

如果科學能夠研究出鴨子是怎麼做的,或許就能用化學或手術方法──只有天曉得!──讓部隊如此。貝蘭奇輕蔑地說:「我們甚至不確定是什麼觸發全腦睡眠的。」

到底要怎麼做才能像鴨子一樣睡覺?圖/Kurt Bauschardt @Flickr

不過軍方單位並未就此不再幻想半腦睡眠。我曾經參加過北約組織的人類效能最佳化(Human Performance Optimization)論壇,其中一個議題就是要收集可用來將戰士能力最佳化的各種醫學技術, 其中包括「能夠提供超人體力」的義肢、利用眼球移植物使戰士具備紅外線及紫外線視力,再來就是胼胝體切開術(corpus callosotomy)──製造單腦半球睡眠及不中斷警戒。

現在的醫生有時候也會將病患兩個腦半球之間的連結切斷,以降低癲癇病患抽搐的次數。但病患的睡眠有因此同時改變嗎?南佛羅里達大學綜合性癲癇計畫(University of South Florida Comprehensive Epilepsy Program)主任賽林.班伯迪斯(Selim benbadis)說:「沒有」。他寫過一篇論文專論這種手術。他說,有部分嬰兒胼胝體發育不全,但是兩個腦半球卻能同時且正常地睡眠。

貝蘭奇認為國防先進研究計畫局把「有很多輕率的想法,認為是好的構想。」真的,他們真的是這樣。比如說,他們的想法裡面就有一樣是「以手術植入魚鰓。」

注釋:

  1. 在軍中,每個人都有個友善的稱號,比如我就叫做「媒體穢物」(media puke)。

 

 

 

本文摘自《不為人知的敵人:科學家如何面對戰爭中的另類殺手》八旗文化出版。本書為泛科學 2017 年 5 月選書

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