只會把食物放冰箱是不夠的，更要瞭解有效日期和保存方式

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。

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。

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）」！

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。

以研華科技為例，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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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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哪些人會需要換肝呢？

需要換肝的族群年齡分佈大致上呈兩大族群，一邊是剛出生帶有先天疾病的小朋友，一邊是後天罹病的成年人^[1]。譬如說小兒科會見到的膽道閉鎖，這些小朋友天生膽道就發育不良，膽汁無法順利排到膽管，而淤積在肝臟。如果不處置，會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。

成年人需要換肝的在在台灣以前常見的是因為 HBV 或 HCV 造成的猛爆性肝炎，現在可能就屬肝癌、酒精性肝炎、非酒精性脂肪肝炎、藥物中毒等最為大宗。依照巴賽隆納小細胞肝癌（hepatocellular carcinoma）治療指引^[2]，在肝功能還未受損太嚴重時，若腫瘤數目、大小、位置理想，肝癌病人是可以接受換肝手術，「治癒」肝癌的。這比起許多以延長幾個月的餘命為目標的癌症治療而言，是很難得的。

台灣其實是特例？國際肝臟移植的現況

據衛福部 2020 年統計數據，台灣 2005 至 2018 總計執行了 6211 例的肝臟移植，其中活體肝臟移植就佔了其中的 4915 例^[3]。所謂的「活體」移植就是在幾乎相同的時間內，兩個開刀房、兩組醫護人馬，同時開刀，一邊把受贈者有問題的肝臟取下，一邊把捐贈者的部分肝臟擷取，最後接到受贈者體內。這也常常躍升至媒體，如「捐肝救父」、「捐肝救子」的佳話。

活體移植不僅考驗主刀者的技術、也考驗醫護團隊的默契。開刀只是其中一關，開刀前的配對、開刀後的術後照顧、抗排斥治療等等，皆是重重的考驗。不過台灣日本等國家活體移植的盛行，其實是國際移植界的特例。

活體移植牽涉到的倫理議題，也讓台灣目前活體移植只限於親屬。若非親屬捐贈，則只能排隊，等意外死亡者的肝臟捐贈。所以在國際上行之有年、且更常見的其實是大體捐贈，一般上會是來自因意外或因疾病而腦死的病人。

肝臟從捐贈者體內被取出後，會在 2-5°C 的液態保存液中暫存，並且在數小時內必須移植到受贈者體內。這黃金數小時，是沒有血液灌流的，換句話說，肝臟組織無法有效率的得到生存所需的氧氣，以及排泄代謝廢物，所以一般來說會把這段黃金時間限縮在 12 小時內。如果算上捐贈肝臟組織的運輸以及兩個手術（捐贈以及受贈者）的時間，整個移植是一個跟時間賽跑的過程。如果到目前為止，這個任務還不夠艱鉅的話，我們可以看看美國的統計數字。

在美國大約有 17,000 人在等肝臟捐贈，但實際上每年只有約 6,500 個肝臟被捐贈^[4]。所以肝臟捐贈目前還是非常短缺的，而需要換肝的人在等待過程中，存活機率也一點一滴的流失。

全新的方向：瑞士的跨領域研究

在大體捐贈以及活體移植各有其限制的狀況下，一組在瑞士的人馬開始了一個全新的肝臟移植方式^[5]。這群人結合了工程、生物化學以及醫學專業，一起研發了一台機器，可以在體外模擬許多類似人體內的環境，讓肝臟在移植過程中，有最小的轉換過程。可能的環境衝擊包括溶血、血行動力學不穩、溫度控制、血糖控制、肝醣消耗、以及物理壓力造成的組織壞死。而在今年，他們發表了第一個使用此機器的人體肝臟移植案例。

肝臟組織是來自一個 29 歲的年輕病人，因為腹部硬纖維黏液瘤（desmoid fibromatosis），併發長期感染以及敗血症，為了要控制病情而必須切除部分肝臟組織。一般來說，這樣的肝臟組織是不會再捐出去的，不只因為有腫瘤病史，而且又有進行中的感染，如果腫瘤細胞在受贈者體內繼續生長，或是感染持續進行，那麼受贈者的預後一定也很慘淡。但是這組瑞士人馬，在經過捐贈、受贈者兩方同意後，決定利用手術後剩下的肝臟組織。於是這個被取下來的肝臟組織，在肝門靜脈、肝動脈、下大靜脈、以及總膽管都被恰當的接到機器上後，就開始了這個神奇的體外之旅。

一切的變因都盡量模擬體內環境，包括溫度（37 度）、血液灌流速度、脈衝式血壓，並且持續抗生素（因為捐贈者有細菌以及真菌感染）。三天後，這個肝臟再重回人體中，是位 62 歲的受贈者。

這個嘗試特別的地方在於，雖然肝臟在體外保存了三天，卻沒有在大體捐贈常見的組織再灌流傷害（是指經過一段缺血的時間後，血管重新被打通，血液帶來充足的氧氣，但同時也產生很多自由基），這是只有活體捐贈才比較能看到的優點。而且可能因為肝臟先天免疫功能的保留，後續的排斥反應並不明顯，病人術後的抗排斥藥用量逐步地降低。與此同時，體外保存期間還可以持續治療，譬如在這個例子中的抗生素治療，讓一些本來無法使用的組織，變成可以捐贈的祝福。

肝臟移植的一線曙光

雖然在台灣大體肝臟捐贈比較不常見，反而活體肝臟移植是比較盛行的做法，但活體移植仍存有道德辯證、危害健康捐贈者健康等等的疑慮。畢竟捐贈者一般都是健康人，而捐肝的大手術也是有一定的風險的。

在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中，這個體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明。只是就像任何新的醫學發明，臨床的資料需要長期而且大量病患的累積，才能有足夠的證據支持。這個幸運的受贈者已經持續被追蹤了一年，也許再五年、十年，再百個、千個病人，而有了世代研究，體外保存技術將會變成移植醫學的顯學。

1. Kasper, D. L., Fauci, A. S., Hauser, S. L., Longo, D. L. 1., Jameson, J. L., & Loscalzo, J. (2015). Harrison’s principles of internal medicine (19th edition.). New York: McGraw Hill Education.
2. Llovet, J.M., Fuster, J. and Bruix, J. (2004), The Barcelona approach: Diagnosis, staging, and treatment of hepatocellular carcinoma. Liver Transpl, 10: S115-S120. 
3. 衛福部公布：我肝移植成功率逾八成高雄長庚雙冠王
4. https://hospital.uillinois.edu/primary-and-specialty-care/transplantation-program/liver-transplantation/your-liver-transplant-options/cadaver-liver-transplant
5. Clavien, PA., Dutkowski, P., Mueller, M. et al. Transplantation of a human liver following 3 days of ex situ normothermic preservation. Nat Biotechnol (2022).

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託，泛科學企劃執行

文／周志輝｜中興大學食品暨應用生物科技學系榮譽特聘教授

你有想過丟進垃圾桶的是垃圾還是食物嗎？沒有！因為你只會看賞味期限。

法國民眾每年都會丟棄大約七百萬公噸的食物，其中有 67 %是被消費者丟棄，另外有高達約 80 萬公噸的食物被商店等食物供應鏈所丟棄[1]；在德國也有類似的問題，平均每人每年竟然丟棄了多達 81.6 公斤以上的食物[2]，當中大部份是未變質、仍可食用的食物，或甚至是尚未開封的產品，整個歐洲估計更高達每年 1 億公噸，其實這些都是可以避免的資源浪費。

超過「賞味期限」就不能吃了嗎？

導致大量食物被浪費的主要原因之一，是有多達三分之二的消費者未能正確了解包裝上各種標示日期，像是何謂最佳食用日期（best before date），在歐洲就因此導致約 15~33 %的食物遭丟棄[3]。面對這個問題，在丹麥就有過期食品超市；德國政府過去幾年也開始關切這些浪費的問題，試圖透過教育讓消費者明白問題的嚴重性，鼓勵大家購買較小的包裝，盡量將食物吃完、減少剩菜和浪費，可惜最後成效相當有限[1]，看來在資源充裕的環境，要改變大家浪費的習慣並不容易。

大家可以看到各國許多不同的日期標示方式，例如：有效日期（expiry date）、保存期限（shelf life）、最佳食用日期或賞味期限（best before）、此日期前食用（use by）等，它們究竟代表什麼意思？事實上，「此日期前食用」與消費者心中的「有效日期」意義較相近；不過「賞味期限」和「最佳食用日期」其實是表示「在此日期前，食品仍可保有良好品質及風味」，並且通常設定之期限較短，但並不表示在該日期後，食品就不安全或變質。

然而，因為不夠理解或無法分辨其中差異，許多人會在接近產品上印刷的日期數字時，就選擇丟棄食物，十分可惜。

降低水活性、控制低溫環境

很多因素都會影響市售食品的保存狀況，包含保存期間產品的水活性（Water Activity）、溫度變化、氧氣的接觸、陽光照射和酸鹼度（pH）等因素。

以水活性來說，它與微生物的生長息息相關，一般來說，水活性下降到約 0.8 就能有效抑制細菌、酵母和黴菌的生長，如果進一步將水活性降低到大約 0.6，幾乎就沒有微生物可以生長繁殖。人類很早以前就知道用鹽和糖來保存食物，目的就是降低水活性來控制微生物的生長，所以，保持乾燥是有效的食品保存方法。

此外，冷藏冷凍也是常用的保存方式，一般微生物生長的溫度範圍為 20~40 ℃左右，低溫同時也能讓許多化學反應減慢，有效延長食品的保存時間。還有一些其他的技術，例如：罐裝、發酵、煙燻、放射線照射及添加防腐劑或抑菌劑等方法，其概念基本上都是控制微生物的繁殖。

制定「保存期限」五步驟

根據國內食藥署的「市售包裝食品有效日期評估指引」[4]，包裝食品上應清楚標示有效日期——指在特定的儲存條件下，市售包裝食品「可保持產品價值」的最終期限，應以時間點為標示方式，如：有效日期：O 年 O 月 O 日。

至於如何訂定這個日期，廠商大多會採用「比照法」，直接參考市場上同類型商品的有效期限，訂定自己產品的有效日期。或者，廠商也能考量個別產品所使用的原料、製造過程，以及運輸、儲存及販售環境等因素，設計適合的保存試驗，來決定保存期限。

如下方流程圖所示，制定「保存期限」主要可分為五個步驟：首先分析產品本身、加工、倉儲及流通販賣中可能出現的「劣變因子」，包括：原料、配方組成、水活性、酸鹼度、滅菌方法、包裝材料、儲存環境等，再針對這些因子選擇適當的評估指標。除了首要的微生物評估外，還有成分、物理、化學及感官品評（如：風味、色澤或質地）等評估指標，接著，便是盡量參照「與消費者端相同的運輸和儲存條件」進行保存期限試驗。

最後，廠商再根據這些分析結果，參考法規標準（如：微生物限量標準），以自主管理的方式訂定食品有效日期，並要確保食品在有效日期內，無變質、腐敗等問題發生。

除了日期之外，也別忘記適當的「保存方式」

總的來說，有效日期算是一種「新鮮度」的指引，只要保存條件良好，多數食品經長期存放後都仍屬安全，影響最明顯的往往只是「風味」；而如果能在適當的條件下儲存，許多產品即使在過了有效日期（或是賞味期限）後，仍然是可以保持不錯的風味。

最後大家別忘記，無論一家廠商投入多少實驗來為他們的產品訂定保存期限，終究只是一個有條件下的參考日期，消費者關心有效日期之餘，更要注意適當的保存方式，否則即使未過期，也可能出現品質下降或變壞的情形喔。

參考文獻

• France passes new law forbidding food waste.
• German Minister wants to remove “Best before date”.
• Date marking and food waste.
• 市售包裝食品有效日期評估指引。

在古代有飛鴿傳書，在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式，現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現，經冷凍乾燥處理的小鼠精子，可於沒有液態氮的環境中妥善保存，並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

傳統保存方式：充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式，是將精子保存於液態氮或乾冰中，極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後，會再透過人工授精或是試管外（in vitro）授精來繁衍後代^[2][3] 。然而，使用液態氮仍可能會產生一些問題，例如，在 196℃ 超低溫度下，進行樣本處理需要非常小心，因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題，並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外，為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境，需不斷地補充液態氮，這也會造成昂貴的花費。因此，對於部分國家的研究機構來說，這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說，若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響，小鼠精子解融、退冰，並導致精子無法使用。

玻璃安瓿保存法很讚，但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題，日本山梨大學（University of Yamanashi）生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術，將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿（Ampoules，一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶，常用於盛裝藥品等溶液。）並置於 4℃ 的環境中三個月，然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理，可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡，無法移動，但精子中的 DNA 仍然維持完整性^[4]。

爾後，再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時，一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種，例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種^[5]。然而，使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說：「雖然玻璃安瓿的體積小，但它們相當笨重且易碎，容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此，我們希望發展新的保存技術。」

紙類保存凍乾精子有搞頭，但哪種材質最適合？

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子（mouse FD spermatozoa）的材料，研究團隊檢測了六種材質，分別是：日式傳統和紙（Washi）、包裝紙（Wrap）、乙烯基板（Vinyl sheet）、秤量紙（Weighing paper）、過濾紙（Filter paper）、日式糖果紙（Oblate）。

首先，過濾紙（Filter paper）是不可以使用的，因為小鼠精子容易卡在紙上，並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙（Oblate）也被認為無法作為保存材料，原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中，就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而，實際試驗後才發現，日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物，導致難以收集小鼠精子。此外，其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子，但仍有一些小缺點，例如：包裝紙太容易撕破，乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說，日式傳統和紙是個較好的材料，但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染，使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄，但比包裝紙還要硬，是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此，在此六種材料中，秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現，無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料（傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙）的冷凍乾燥小鼠精子，其精子受精率（fertilization rates）沒有顯著差異。然而，在胚胎的發展成桑葚胚（morulae）或囊胚（blastocyst）的比率，最高的是以秤量紙（Weighing paper）包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率，是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標，而在四種材料中，使用秤量紙（Weighing paper）包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%，後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度，以及材料操作容易程度，最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子，並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎？

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA，研究團隊藉由彗星分析法（comet assay），來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度，若 DNA 有損害，其結構會較為鬆散，斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳（gel）時被拖出細胞，在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異，至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知，保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA，其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些，不過，就統計結果而言，兩者之間有顯著差異。

但另方面，在小鼠精子進行細胞質內精子注射（ICSI）之後，藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核（male pronucleus）中 DNA 損壞程度，結果卻發現，相較於保存在塑膠片的小鼠精子，保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後，其雄原核^[註2]有較高的亮度，顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述，保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度，與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度，是可以相比擬的。

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子？

小鼠精子經過預先培養之後，會秤量紙作為載體，將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽，依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙，然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒，最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來，將冷凍的精子溶液乾燥，乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後，將冷凍乾燥後的小鼠精子取出，並用兩張秤量紙包裝，最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時，再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口，並用鑷子取出小鼠精子，最後再用水回溶精子。

凍乾的小鼠精子，可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境，冷凍乾燥（freeze-dried，FD）的小鼠精子保存在室溫環境下三天，其後代存活率較差，但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中，並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天，可直接利用普通郵件的方式寄送，不需額外的保護措施。而收到郵件後，只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式，將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學，兩校之間的距離約為 200 km，並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此，冷凍乾燥的小鼠精子，是可在沒有其他保護措施之下，在室溫下藉由明信片寄送。

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說：「遺傳資源對於人類未來而言，是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存，但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存，有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式，可以方便保存數千種的小鼠品系（strain），除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來，更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而，使用如此方便及簡易的運送方式，可能會造成許多不合法的運輸過程發生，因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

註解

1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞，約 48 小時分裂成 4 細胞，約 72 小時分裂成 6~8 細胞，並在約 96 小時分裂成桑葚胚（Morula）；之後才會形成囊胚（Blastocyst）。
2. 雄原核，指的是在受精之後，精核進入卵子內，但尚未於雌原核（female pronucleus）融合。

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