科學寶可夢 #25 皮卡丘：小智身旁的不定時炸彈

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 新萃 Nutri Source 委託，泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢，或是身上出現不明紅疹？當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣，也會有過敏反應，過敏可依照「來源」分為三種：吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

不管是哪一種過敏反應，在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理，如果是接觸性或吸入性過敏，即使你把家裡打掃得很乾淨，還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此，對飼主來說，最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢？其實，「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」（Adverse Food Reaction, 簡稱AFR）（Jackson, H. , 2009），指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏（Food Allergy）和食物不耐受（Food Intolerances）兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》，你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應，因此全名為「過分敏感」；而食物不耐受則並非免疫性反應，而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒，例如狗不能吃洋蔥或巧克力，否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權，只能吃飼主提供的食物，如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分，就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外，最明顯的外在症狀就是皮膚問題，包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病，讓許多飼主狂跑獸醫院的同時，獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏（Ermel, R et al.,1997），但最新的研究卻發現，無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源（Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019），甚至會造成偽陽性誤判。因此，目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」（Food Elimination Method）。

食物排除法的原理相當簡單粗暴，類似我們過去在學校做的實驗一樣，抓出「控制組與對照組」。首先，將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質；同時嚴格限制牠對其他食物接觸，包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意，此為「對照組」，如此持續 8～12 週，觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善，那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」，在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原（例如常見的牛肉、雞蛋等），有如「控制組」，等到症狀又出現，就可以確認哪種食物成分是過敏原，未來就可以在飼料中排除，讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄，不僅要在漫長的試驗期，更需要在控制期一一排除所有不可能之後，才能找到答案。而其中最困難的部分，也是實驗的基礎可能是第一步：「提供狗狗牠從未吃過，且肉品單一的蛋白質」，這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務，因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了，搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

那該怎麼進行食物排除法呢？別擔心，沒有找不到的肉品，只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料，新萃推出了一系列低敏肉，包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類，是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外，新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素，能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃，有消化不良症的狗狗也適用。

• 新萃產品說明

參考資料

1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服，為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用？
9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善？小心食物過敏！ – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
10. 寵物知識+／毛孩對什麼食物過敏？獸醫：驗血完全不準！診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News

「沙贊！」然後一道閃電就會打下來，擊中一位青少年，瞬間變成一位穿著紅衣+披風、渾身肌肉的（中二）成年人，這就是 DC 宇宙中，超級英雄沙贊的變身過程。

很有趣的是，大家可以回想一下，最近這 10 幾年來席捲世界的漫威和 DC 英雄，絕大部分執行英雄行動前都是進行「著裝」，例如鋼鐵人、蝙蝠俠、美國隊長……等，但是沙贊不一樣，儘管不複雜，但他需要一套特別的手續來改變他自己的身體，已獲得他身為超級英雄的力量，這點跟日本的超人力霸王比較類似。

根據 DC 宇宙的設定，賦予沙贊力量、讓他變身的閃電都來自神界的奧林帕斯山，只要他大喊一聲，閃電就會隨傳隨到，而因為一切是神力的關係，理論上他接收力量的位置無關緊要，也非常的安全。

真不愧是奧林帕斯山啊！如果我們能夠在比利（電影中變身成沙贊的少年）的頭上裝一個收集閃電能量的器材，那費城一定變成全美國能源最豐沛的城市。

但是要進行超級英雄活動，普通的閃電能量夠嗎？這道奧林帕斯山的閃電會不會是一道超越人類認知的超級閃電呢？

還有儘管沙贊不會受影響，但如果有人不小心在變身時不小心碰觸他或在他附近，會發生什麼事呢？

這真的值得一起來探討～

先定立標準：閃電能提供多少能量？

閃電是大自然中最純粹的能量展現之一，經過大氣學家的觀測和預估，一道閃電電壓大概是 3 億伏特，帶有 10 億焦耳的能量，這差不多是燃燒 30 公升左右的汽油。

聽起來非常的厲害，那我們利用閃電來獲得能源會不會是個好方法？

其實從 1980 年代開始科學家就有這種想法，但是他們發現這其實很不切實際，主要原因有幾個：閃電很難預測、傳導到地面上能量又會大減、效率很不穩定……但那是大自然的閃電，讓沙贊變身的可是充滿神力的閃電耶！不只能夠提供沙贊穩定且高能的能量來源，還可以藉由跟蹤比利知道閃電的位置和時間。

我們只要把比利抓起來請出來，跟他預約時間大喊沙贊，就可以發電了～

現在的問題是……這道閃電有多少能量呢？

要知道一道神奇閃電帶有多少能量其實有點困難，因為一旦比利變身之後，他似乎沒有時間限制，不像超人力霸人那樣有 3 分鐘的活動上限，後者會比較好估算是因為你可以設想這 3 分鐘內超人力霸王做了哪些事情，在逐一拆解。

所以筆者覺得最能夠執行的方式，是羅列出電影中沙贊一次變身基本上會做到的事情，這樣結果應該就足夠是神力閃電的基本盤。

從電影《沙贊！眾神之怒》中，筆者列出幾個沙贊在超級英雄狀態時做的事，包括:

1. 以音速飛行 10 分鐘
2. 把一隻體型巨大的飛龍打飛 10 公尺
3. 把一台車移動 200 公尺
4. 從手中放出好幾道像特斯拉線圈的能量閃電

這樣感覺差不多了吧……等等～還有一件很重要的事，就是這道閃電同時還把一名 17 歲的青年變成一名看起來 30 歲的成年人，這瞬間成長所需的誇張能量應該也要算進閃電的功勞裡，所以這個列表還要加進另一項:

5. 讓 17 歲的青年成長成 30 歲男性的所需熱量

那我們接下來可以逐一估算了。

• 那首先就來計算成長所需的熱量吧！

要讓人成長的能量，其實也是熱量，也就是大家耳熟能詳的卡洛里，1 千大卡的熱量差不多是 4184 焦耳的能量。

根據衛服部提供的資料，一名成年人每日所需的熱量依他的活動量和體重來決定，那沙贊毫無疑問絕對是重度活動量那一類的，體重的話少年比利看起來介於 60~70 公斤之間，而飾演沙贊的演員柴克萊威曾說為了演戲需要增重到超過 90 公斤，雖然隨著體重增加每日所需熱量也會不同，但為了簡單估算，我們姑且用 80 公斤算到底吧～

比利瞬間成長為超人般壯碩所需能量= 40 大卡 x 80 公斤 x 365 天 x (30-17) 年 x 4184 J= 6.35x 10¹⁰ 焦耳 = 635 億焦耳

這數字怎麼已經有點大了……但在吐槽之前，我們先把其他的所需能量都估算完吧～

• 以音速飛行 10 分鐘

這裡我們借用四分之一英里估算法，這是個可以從物體重量（通常是車子）和行駛四分之一英里所需的時間來求得功率的簡單方式。

沙贊體重 90 公斤，而他在音速下完成 1/4 英里所需的時間為 1.2 秒，根據線上工具估算，這名英雄相當於擁有 22,876 馬力，轉化為瓦特差不多是 1700 萬瓦特，如果沙贊要飛行 10 分鐘，他就會需要大約 100 億焦耳的能量 。

• 把一隻體型巨大的飛龍打飛 50 公尺

這個計算方式並不困難，就是簡單的做功運算，但是筆者遇到了很嚴重的問題：電影中的飛龍-拉頓到底多重呢？

經過一番搜尋，網路上對於一條中世紀奇幻飛龍到底有多重幾乎是沒有定論，看起來好像沒有人有認真算過，所以筆者打算自己來操刀，解決這個世紀大謎題 (?)。

有看過《空想科學讀本》的人對筆者使用的方法一定不陌生，就是把模型浸到水裡面，估算體積之後放大，再考慮密度來求得飛龍的體重。

所以筆者到了地下街的玩具店，買了一條看起來最像電影中奇幻飛龍體型的模型玩具（其實是動漫《轉生成為史萊姆》的公仔，似乎是主角後期的樣子吧？筆者沒有看不清楚~），將它放進水盆裡面裝水，做好水位標記之後取出模型，水位下降之後從水盆的面積和下降高度求得玩具龍的體積大概是 0.000283 立方公尺，這時我們需要玩具龍的身長和電影中的拉頓身長來做等比放大，玩具龍身體差不多是 25 公分，而從電影中拉頓站在棒球場內野的畫面來做估算，它的身長大約是 25 公尺，身長差 100 倍，所以體積會變 100 的 3 次方也就是 100 萬倍，所以說拉頓的體積大概是 283 立方公尺。

這時我們需要拉頓身體的密度來求得體重，如果拉頓是生物的話，它的身體密度應該也要接近水（每立方公尺 1000 公斤），例如人體的密度就差不多是每立方公尺 1062 公斤，但是電影中拉頓身體看起來有點像是由木頭構成的，而世界上最堅硬的木頭是澳洲鐵木樹（Australian buloke）密度是 1085 kg/m3，再加上龍的奇幻性質，我想把拉頓的身體密度定為 1100 kg/m3 應該是還可以接受的吧？

如果用這個方式估算，電影中看守花園的飛龍拉頓，體重大概會是 311 公噸，我們套入物理課本中看過的做功計算公式，可以知道沙贊把一條龍打飛 50 公尺所需要的能量，大概會是 7775 萬焦耳。

• 把一台車移動 200 公尺

相較前面兩個，這計算相對簡單一點，我們一樣用上面的作功公式來求需要能量，而我們需要的就是車子的重量。根據統計，美國一般路上的車子平均重量為 1800 公斤，如果要在 3 秒鐘內移動 200 公尺，就相當於需要 4 百萬焦耳。

• 從手中放出好幾道能量閃電

沙贊從手上放出閃電，看起來就像是電弧的一種，而電弧是因為有強大的電場或高壓電存在，使的原本不導電的物質電漿化得以使電流通過的現象，而說到能夠最穩定產生電弧的狀況，筆者第一個想到的是在現實中會看到的特斯拉線圈。

特斯拉線圈是一種由知名物理學家特斯拉發明的強大變壓器，這種變壓器使用共振原理運作，主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力，因為特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果，所以很常在一些科學博物館或展示中看到，而世界上最強大的特斯拉線圈： Electrum 的能量使用率為 130,000 瓦特，假設沙贊能夠用同等功率放出電弧長達 10 秒鐘，就會需要 130 萬焦耳的能量。

這下子我們需要的數字都有了！

這道神奇閃電所附帶的能量大約是：

635 億（變成大人）+100 億（音速飛行 10 分鐘）+7775 萬（打飛一條龍）+400 萬（移動一台車）+130 萬（放出閃電）= 735 億 8305 萬焦耳

 而正常世界一道閃電的能量大約是 10 億焦耳，也就是說～這道神奇閃電差不多是等於 74 道現實中閃電的能量。

好厲害啊！真不愧是奧林帕斯的眾神，能夠這麼精準的傳遞如此巨大的電能量根本就是神蹟…..也確實是神蹟沒錯～

但是如果一個不小心承接這道能量的人不是沙贊的話，會發生什麼事呢？

一般人被普通的閃電擊中就已經不是鬧著玩的了！

直接被閃電擊中的人會成為電流的一部分，一部分電流會沿著皮膚表面移動，另一部分會穿過身體的心血管或神經系統，前者會對皮膚造成灼傷，後者則有可能造成呼吸停止或心臟驟停，但我們還是能找到一些歷史上從雷擊中生還的故事，因為有沒有辦法在雷擊中活下來是跟就醫和電流通過體內的時間而定……運氣好的話，你不會死的。

但是在沙贊的神奇閃電面前，這一切都成為笑話。

這道 735 億焦耳的閃電能量相當於 2 顆歷史上最強大非核子炸彈：炸彈之母（GBU-43/B 大型空爆炸彈）爆炸所釋放出的能量，所以如果今天好死不死沒有打在比利身上，而是擊中地面的話，後果一定不堪設想，周遭的親友絕對是灰飛煙滅，費城可能會變成廢墟，之前說的收集能量可能完全行不通，因為應該沒多少設備儀器能夠承受如此巨大的威力。

反倒是比利啊~你是不是在承接沙贊能力時同時被改造了，被2顆炸彈之母轟炸都沒事，真是太神啦！還有就是一定要站好喔～

你的手機能無線充電嗎？不過，雖說是無線充電，但還是得要放在充電盤上，由充電盤連結一條電線，這樣的充電方式，想必跟大家期待的「真．無線充電」有落差。

好消息是，有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式，所以代表這些電能是完全免費的！但……這是真的嗎？

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊，但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置，舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等，都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想，無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量，那這些強大的電磁波網絡，是不是也可以拿來傳遞電能呢？

實際上還真有類似的例子，一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電！礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線，就能收到附近廣播電台送出的訊號，轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢？主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置，還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波；市售的礦石收音機玩具，甚至附有一條長長的鱷魚夾電線，可以接到大型金屬家具，產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利，利用指向型遠距充電，系統會先定位出手機的位置，再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機，克服電磁波發散的問題，據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電，雖然還不到快充，但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段，尚未正式推出。

無線射頻獵能

再換個角度思考，能量在傳遞的時候會向四周發散，而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品，那能不能反過來，捕捉這些由其他電器溢散的電磁波，並轉為能量呢？

還真的有人這麼做了。收集這些廢能，並轉化成可用電能的技術，就稱為「無線射頻獵能」。近十年來，有許多相關的技術與研究，不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月，美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環，而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是，其實他們當時並不是在研究無線充電，而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息；這種名為可見光通訊 VLC 的技術，有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到，這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍，過程中會釋放出大量不可用的無線電波，浪費掉許多能量；於是轉念一想，嘗試用線圈收集這些逸散的能量，降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現，當線圈靠近金屬片時，收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號，金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出；隨著金屬片面積越大，攔截到的電磁波也越多，收集能量的效果也越好。

但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板，於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看，效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣：面積越大，獵能效果越好。

然而，意想不到的是，實驗效果最好的，竟然是人體！

推測這是因為人體中含有大量水分，其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線，能增加無線電訊號的發射效率，同樣的道理，也可以用來收集環境中的無線電波能量。

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」，是第一個借助人體的獵能裝置；後續又嘗試將線圈做成戒指和手環，希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上，就再也不需要幫手機充電了呢？該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率，也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電，不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置，像是常見的智慧健康手環，或是負責監控體溫或血糖的元件，甚至類似心律調節器的植入式醫療器材，或許就可以利用該線圈設計，減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中，各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線，如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下，如果可以汲取周遭無線電波的廢能，不只可以節省能源，還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術，都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索，設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡，而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上，有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路，可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦，為無線電力網的夢想邁出了第一步。

不過，在這波遠距無線充電的熱潮下，市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術，宣稱可以透過空氣的震動替手機充電；然而，雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作，但在充電效率和經濟成本上根本不切實際，對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外，還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術，他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量，並且在「空間中創造能量結構」，還不需要任何形式的電磁場，就可以達成 100 瓦的無線充電！至於到底有沒有這麼好的事，就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代，無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步；能夠有效的無線傳輸能量，才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛，減少電池的消耗，成為一個自由移動，自給自足的物聯網。

不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號，無線且遠距的充電與獵能，將來勢必會有讓人驚豔的發展。

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