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一瀉千里竟成國安危機?快拯救軍人的屁屁──《不為人知的敵人》

八旗文化_96
・2017/05/17 ・6263字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

  • 【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

吉布地(Djibouti)是個完全被世人忽視的國家。你要是有一天有機會到這個沙漠國家旅行, 飛機降落時,你會從飛機窗口看見機場旁邊好像有片大工地。事實上,那是美軍的利摩尼爾基地(Camp Lemonnier):總共有三千五百人住在貨櫃改裝的屋子裡。這些貨櫃屋有的相疊、有的並排, 好像是排列未裝飾長箱子的俄羅斯方塊。屋子四周除了依靠冷氣滴下的水生長的矮樹叢,沒有任何景觀。室內的佈置只有緊急措施說明牌(「停下來聽聽「巨響」〔Giant Voice〕及各級長官畫像。

吉布地共和國是一個位於非洲東北部亞丁灣西岸的國家,東臨紅海,商船經由蘇彝士運河進入地中海,或經阿拉伯海通往波斯灣、印度洋的要衝曼德海峽等,因此戰略位置十分重要。圖/Alvaro1984 18 ,公有領域,wikimedia commons.

腹瀉臨床試驗:你的便便長怎樣?

我在基地待了三天,只看到一樣可以被歸類為奢侈品的東西,這樣東西讓人感到很放縱、很舒服, 但是它很昂貴;它會送到這裡只有一個原因,就是要讓士兵、水兵或飛行員生活得舒適一點。它就是馬克.李德爾(Mark Riddle)隊長為屬於海軍醫學研究第三課的那座貨櫃,訂購了 Charmin 牌超柔衛生紙。這座貨櫃門口掛了個牌子,上面寫說是:「腹瀉臨床試驗」(Diarrhea Clinical Trial)。

光是「腹瀉」這個字,看了就讓人想發笑。李德爾倒不抗拒。相反地,他反而在廁門裡邊掛了一個牌子,上面寫說「腹瀉嗎?」,用來徵召實驗對象。在一項目前正在進行的研究中,他為參與者設計了一幅「糞便分級視覺輔助圖」(Stool Grading Visual Aid),圖中有張照片是康寶濃湯的廣告(他會很親切地告訴你:「注意看,有支湯匙跑出來了。」)但是,為了後面我們才會說到的內容,李德爾真的把腹瀉當成一回事看。

你的便便是哪一種?圖/By Cabot Health, Bristol Stool Chart, CC BY-SA 3.0, wikipedia

他說過:「我靠這個東西活,靠這個東西呼吸。」他不是開玩笑。我曾聽過他用「神聖的」這個詞,來形容一組冷凍糞便樣本。他希望軍中高級長官也和他一樣認真。

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數世紀以來, 沒有人相信這個東西。「現代醫學之父」威廉. 奧斯勒(William Osler)於一八九二年寫說,「痢疾(dysentery)對士兵而言,比火藥和槍彈還致命。」(「痢疾」是個包容性的說法,指的是這樣一種感染:病原菌侵入腸膜,導致細胞及微血管內容物滲出。造成痢疾的標準症狀「天殺的腹瀉」〔bloody diarrhea〕,聽起來很有英式褻瀆的味道。)

1848 年美墨戰爭,相對於每一名戰鬥傷亡美軍,就另有七名死於疾病,其中大部分都是腹瀉。美國內戰期間總共有九萬五千名士兵死於腹瀉或痢疾。越戰因腹瀉而住院病患,多於瘧疾病患,比例接近 4:1。

現代醫學之父-威廉.奧斯勒(William Osler)。圖/CC BY 4.0,wikimedia commons.

在世人後來接受病菌理論,科學家也瞭解了感染機制之後,微生物、它們藉以繁衍的汙穢, 以及傳播這些微生物的昆蟲,變成軍事行動的目標。軍中突然有了「蒼蠅控制單位」(Fly Control Units)、衛生軍官,以及軍中昆蟲學家。腹瀉的防止、治療與瞭解方面的重大進展,大部分都有美軍涉入。馬克.李德爾吉布地簡陋貨櫃實驗室的原創單位 NAMRU—3 位在開羅,那裡可以看到四星級的抗腹瀉譜系。

第一任主任海軍上校羅勃.菲利普斯(Robert A. Phillips)想到一種方法,就是在輸液(rehydration)中加入葡萄糖,來加強腸道對鹽分和水分的吸收。這代表病患可以用喝的方式達成補充水分的目的,不必跑到診所讓醫生做靜脈點滴注射。這不但是偏遠戰區(缺乏醫護人員)戰士的救命丹,也是當地一般百姓的救命丹。1978 年,《刺胳針》學報的社論說,菲利普斯的發現「可能是本世紀最重大的醫學發展。」

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花招百出的腹瀉病原菌

李德爾的研究主題,全稱為「旅人腹瀉動態治療法試驗性評估」(Trial Evaluating Ambulatory Treatment of Traveler’s Diarrhea,簡稱 TrEAT TD)2 。「旅人腹瀉」其實是個囊括性的說法。旅人腹瀉大部分(至少有 80%)是細菌感染,5~10% 是病毒感染(這裡的嘔吐物往往流進供水系統), 其他不等比例為阿米巴原蟲、甲地鞭毛蟲等原生動物感染。但這些全部都是食物和飲水汙染引起的。

會引起痢疾的阿米巴原蟲。圖/By Dr. George Healy, Public Domain, Wikipedia

以前有種分類叫做「軍中腹瀉」(military diarrhea,這裡的「 軍中 」指的是病患屬性,不是其擴散的爆炸性)。但若是看主要病原,兩種腹瀉都一樣。軍中腹瀉即是旅人腹瀉,因為士兵被派駐到那種你不想要飲用當地水源的地區,也就算是旅人了。

李德爾和大衛.崔伯(David Tribble)3 所做的一項研究,還有幾項和美國海軍醫學研究中心(US Naval Medical Research Center)合作的研究,都顯示 2003 年至 04 年間,在伊拉克參戰的軍人,有 30% 到 35% 都碰過找不到安全食物及飲水的狀況。特別是在衝突初期,戰士簡直像是落後地區的背包客,要在汙穢的土壤中大便,還要對著小販兜售的食物趕蒼蠅。這項研究顯示,曾經罹患腹瀉的士兵,在伊拉克是 77%,在阿富汗 54%;其中 40% 的病例嚴重到必須就醫。

但相對於每一名上午來掛病號的病患,就有四名不就醫,而是忍過去。李德爾很想知道為什麼:旅人腹瀉一般來說病情持續約三至五天,但從李德爾的資料顯示,既然都有了新種的抗生素, 可以讓你四到十二小時之內就復原,為什麼還要這樣忍受?他到處問人,大部分是吃飯的時候。機庫般長度的 Dorie Miller 廚房裡 4 ,餐桌照教堂地下室風格列成長排。所以吃飯時,你對面或旁邊總是會有友善的陌生人,可以談談腹瀉這回事。

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李德爾今天上午就和他左邊那人開門見山地聊起來。那人穿的制服顯示他是陸戰隊士官,姓羅賓森(Robinson)。李德爾跟他搭訕說:「我也在海軍做事,我在試驗一種簡單的旅人腹瀉治療處方。我們發現,只要吃一次抗生素和抗蠕動……」

羅賓森正好在吃蛋,抬起頭說:「 蠕……?」

我說:「好像易蒙亭(Imodium)一樣,把你堵住。」

「噢,絕對不要那樣。你不會想這樣干擾大自然。」羅賓森有著像演員文.雷姆斯(Ving Rhames)那樣的渾厚聲音與權威氣氛。你可以想像李德爾吃過這頓早餐回到實驗室後,可能會把他的資料丟進垃圾桶去──我到底在想些什麼?

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「你肚子裡有壞東西,髒水,或是什麼的,你一定要讓它出來。」這好像是在和「巨響」討論腹瀉。「干擾了這個過程,只是敗事有餘。」

這種話我們聽多了。很多人以為腹瀉是身體想要把入侵者趕出去,或是排除入侵者產生的毒素。他們認為,吃抗腸蠕動藥物會干擾這種「清理」過程,所以他們不吃。但是,腹瀉並不是你在搞病原菌,而是病原菌在搞你,而且它們的招式多多。

志賀氏菌(Shigella)和彎曲桿菌(campylobacter)這兩種細菌性痢疾病原,會用「分泌器」輸出毒素──透過這種「皮下刺刀」,將毒素注入腸內膜的細胞內,而將細胞殺死,讓細胞內的液體滲出。這種液體就是稀便的部分成因,但是不只這樣。這種失去功能的細胞要是過多,大腸就無法再執行吸收水分的功能;原本食物經過腸道時會越來越乾,但現在卻是一路上都濕漉漉的。

腸聚集性大腸桿菌也會造成這種結果,只是方式不同;它會形成一層腸黏膜包覆──一組細菌方陣蓋住腸膜,使腸膜無法吸收水分。霍亂弧菌(Vibro cholera)和腸毒性大腸桿菌(ETEC)則是使用化學武器;這兩者都會製造毒素,挾持細胞內原本維持細胞平衡的幫浦。幫浦被挾持之後,會把水抽到細胞外,速度比病患藉由喝水來補充水分還要快 5

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這些小生物為什麼對我們這樣?這有演化上的動機嗎?「有──」李德爾說。「一直都有。」它們讓人產生液態糞便,糞便會噴得比較遠,覆蓋面比較大,就能夠加速它們的傳播。最好是蓋住全世界!霍亂病原菌特別精於此道。霍亂病人一天下來腹瀉的液體多達 5 加侖(1 加侖相當於 3.8 公升)。

由於這個量實在太大,菲利普斯醫生的一名同事靈機一動,發明了霍亂病床(cholera cot)。這種軍用床在床鋪中間的臀部位置挖了個洞,底下接了個桶子(桶子另售)。這種床至今都還在生產。特殊需求床網站 specialneeds cots.com 說,這種床讓病患「不用下床就可以上『廁所』(bathroom)」。這種說法把委婉語(euphemism)一舉推上了量子物理學領域。

它們讓人產生液態糞便,糞便會噴得比較遠,覆蓋面比較大,就能夠加速它們的傳播。最好是蓋住全世界!圖/U.S. Army Corps of Engineers Savannah District @Flickr

除此之外,腸道病菌也很難驅除。它們已經演化出一些方法,可以在「大洪水」中屹立不搖。旅人腹瀉有半數病例是腸毒性大腸桿菌造成的,這種大腸桿菌配備有毛狀掛勾,叫作 longus,可以把自己掛在接近細胞壁的地方。接到細胞發出的化電訊號(chemoelectrical signal)之後,大腸桿菌還會長出有彈性的菌毛(fimbriae),這種菌毛末端有吸盤。但你的免疫系統有更精密的防衛功能,不只可以把這些全都驅除掉,還會製造特殊設計的抗體。其中一種衝著大腸桿菌的吸盤而來,不讓它們附著;另一種則破壞 longus 或將毒素的毒性化解掉。

羅賓森士官對腹瀉的意見已經說完了,不過他要李德爾帶話給負責把衛生紙裝進戰場配給品—即食餐包(Meals, Ready-to-Eat)的人。他從餐巾撕下飲料券大小的一片,然後說:「就這麼大,用來擦屁股!」6 李德爾自行回答說,海軍帶的是嬰兒濕紙巾。他或許會後悔說這個,因為羅賓森立刻駁斥說,陸戰隊只能從 T 恤上撕下一片布。這或許是陸戰隊與海軍關係的寫照。

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李德爾謝過羅賓森士官後起身告辭。他喜歡在八點前進辦公室。八點時,利摩尼爾基地的公共擴音機將播放吉、美兩國國歌,先是吉布地國歌,然後是美國國歌。這時每個在戶外做事的人都要暫停工作,肅立在原地,以示尊敬。吉布地的國歌旋律優美,曲風浩浩蕩蕩,很像昔日電視西部影集的主題曲。

這整件事情當然並不好玩,但要是你發生「餐後緊急事件」,大概就會有興趣了。進食──特別是到吃到飽自助餐廳飽餐一頓之後──所引發的胃腸反射,會促使大腸內容物「前進」,將前天的晚餐移走,好容納這頓早餐。但或許你更進一步罹患了大腸激躁症(IBS,簡稱腸躁症);這樣一來,就算你愛國心再強,可能無法原地肅立聽國歌播放到最後一個音節。

腹瀉治療的漫漫長路

李德爾派駐在開羅 NAMRU—3 總部的幾年,屢次碰到腹瀉感染。這是去本地餐廳「採取糞便樣本」的結果。腸躁症的資料紀錄非常豐富,但是一般公眾不是很瞭解。這種病是腹瀉感染,特別是嚴重或連續復發的結果。你要是和最近確診為腸躁症的患者談話,其中有 1/3 的人會告訴你,他們的症狀是從一次食物中毒後開始的。國防部的資料顯示,派駐中東期間曾發生急性腹瀉的士兵,發生腸躁症的風險是一般人的五倍大。

甚至連退伍軍人部(Veterans Administration)都承認,腸躁症──還有「反應性」關節炎──是種腸道感染的感染後遺症(post-infectious sequelae)。病患要是可以證明他們的腸躁症,是在佈署期間感染志賀氏菌、大腸桿菌或沙門氏菌之後發生的,將可以享有補貼。李德爾估計,國防部將把用在這種食物中毒後遺症的經費,增加到和創傷後壓力症候群一樣。

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我不想住在馬桶裡,別再拉肚子了!圖/Jim @Flickr

但為什麼不多用一點抗生素?首先,問題在於抗藥性菌株的發展。只是有些藥可以在一天之內就把感染治好,所以這比較不是問題──因為一天的時間根本不夠抗藥性菌株演化、繁殖。比較令人擔憂的或許是,最新研究顯示,在海外(尤其是東南亞)旅人若是曾使用抗生素治療腹瀉,他的結腸內部常常會有兩種「壞」菌移植進來,然後他們會把這些壞菌帶回家,在鎮上散播。這兩種「蟲」在他體內居住的時間或許不久,也不會對他造成問題,但卻可能會對免疫系統較弱的病人造成危險。這個問題由於現在已經有較新的單劑藥方,所以或許也不是問題。

這些問題主要是第一世界的顧慮。我從吉布地回來的那週,世界衛生組織發表了一組統計數字,說全世界每年死於腹瀉的病患有 220 萬人。單單死於腸毒性大腸桿菌者,每年就有 38 萬到 50 萬人。小孩脫水的速度比較快,所以特別危險。疾病控制防治中心(Center of Disease Control and Prevention)估計,每日有 2195 位五歲以下小孩死於腹瀉,比瘧疾、愛滋和麻疹三項加起來還多(蓋茲基金會有在資助海軍發展 ETEC 疫苗)。

李德爾二十幾歲時常常旅行,他還記得當時他突然有了一種領悟。很多人的人生──他們的際遇、健康、壽命──都取決於自己出生的地方。「這其實是很隨機的。」我們在他的辦公室;辦公室就在他實驗室的樓下,位在同一座貨櫃裡。「不應該是那樣,你父母剛好住在哪裡應該沒那麼重要。」他停下來,因為一架噴射機在跑道上起飛,聲音很大。這裡,每一天有好幾個時段,每隔幾分鐘就有一台飛機起飛。這種感覺很像在希斯洛機場停機坪下方有間辦公室一樣。飛機引擎聲過去之後,他又開始說:「我學醫是為了幫助最大多數人。」然而,正當我覺得他要對我講嚴肅認真的話的時候,他卻說:「我剛巧就遇上了腹瀉。」

 

注釋:

  1. 譯注: Giant Voice 是種公共廣播系統,發生緊急狀況時,會立刻透過廣播系統施放警報,將消息告知眾人。
  2. 按照首字母縮寫規則,縮寫本來應該是TEAT TD。(譯注: teat 在英文是乳頭、奶嘴的意思。)不過,算了。因為研究腹瀉的人就算避免掉 teat 這個字,照樣很難贏得他們應得的尊敬。
  3. 這是我做的腹瀉研究統計:你要是和一組叫做李德爾(Riddle)和崔伯(Tribble)的腹瀉研究員交談,有百分之九十四的機率,會把其中一人甚至兩人稱為卓伯(Dribble)。
  4. 全名是 Dorie Miller Galley。軍方要替一項裝備命名時,其實很少會用暱稱。不過,要是有人的全名裡面有Doris,大家就會想要破例。Doris “Dorie” Miller 是名伙房兵,因為他在珍珠港攻擊事件中的英勇表現,他的名字出現在多達二十三件政府及民間的設施上,其中八件用 Dorie,十五件-包括美國郵政總局-用 Doris。美國海軍也將一艘巡防艦命名為 Doris Miller。由於大部分的護衛艦名都不用名字,所以大家很容易就會避談 Doris 這點。
  5. 劑量造就毒藥。小量的霍亂/ETEC 仿毒素可以有效治療便秘(尤其是影響三分之一腸躁症病患的便秘)。二○一二年,鐵木藥廠(Ironwood Pharmaceuticals)發表了一款這類綜合藥劑,一名市場研究員立刻預告這種藥將會取得「巨大成功」(blockbuster status)—說到便秘藥,還有什麼說法比這個適合呢?(譯注: blockbuster status 的本意是指一項產品在市場上取得巨大成功;但字面上的意義卻可以理解為「摧毀堵塞」,所以作者才說這個說法完全適用於治便秘藥物。)
  6. 我試過,但真的弄不懂是由誰來決定即食餐包要放多大張的衛生紙,還有要怎麼放等等。不過,我可以告訴各位很多衛生紙的事情,因為我找到了聯邦規格 ASTM D-3905。我可以告訴各位規格中規定的張力強度、乾燥度和濕度等等。我也可以告訴各位規格中允許的顏色(白、淺褐、黃、綠)、最低重量和基礎重量、使用後纖維比以及吸水速率。我們要的答案或許就在這裡。如果你的肛門像分配「任務配給之一的衛生紙」之負責人那樣夾得夠緊,你也許就不需要太多衛生紙。

 

 

 

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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八旗文化_96
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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

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腹瀉腹痛真兇揭曉!後腸神經內分泌瘤如何威脅健康
careonline_96
・2025/01/24 ・2592字 ・閱讀時間約 5 分鐘

圖 / 照護線上

「有位五十多歲的患者反覆出現腹瀉與腹痛,曾經在多家醫院接受治療。後來又因為發現直腸腫瘤合併肝轉移,而接受切片檢查。」高雄醫學大學附設中和紀念醫院院長暨大腸直腸外科王照元教授表示,「病理報告顯示,患者的腫瘤是神經內分泌瘤,大家才曉得原來導致反覆腹瀉與腹痛的主因是後腸神經內分泌瘤。」

經過討論後,患者接受了手術治療,後續也使用體抑素類似物(somatostatin analogs, SSA)治療,減少腫瘤分泌相關荷爾蒙,幫助緩解症狀並抑制腫瘤生長。王照元教授說,由此可知神經內分泌瘤的診斷、治療都相當具有挑戰性,往往需要多專科的配合,才能達到較好的治療成效。

神經內分泌瘤(neuroendocrine tumor)是源自各種神經內分泌細胞,很多器官都可能出現神經內分泌瘤。王照元教授解釋,在人類胚胎發育過程中,原始消化管可分成前腸、中腸、後腸,後腸會形成遠端橫結腸、降結腸、乙狀結腸、直腸等,出現在這些部位的神經內分泌瘤稱為「後腸神經內分泌瘤」。

後腸神經內分泌瘤較好發於中老年人,近年來的病例數有逐漸上升的趨勢。在台灣、日本、韓國等亞洲國家,後腸神經內分泌瘤的發生率較高[1]。經由大腸鏡檢查有機會在較早期發現後腸神經內分泌瘤。

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後腸神經內分泌瘤症狀千變萬化
圖 / 照護線上

神經內分泌瘤可能會分泌多種激素,而造成潰瘍、腹瀉、心悸、暈眩、咳嗽、氣喘、臉潮紅等症狀。不過大部分為非功能性神經內分泌瘤,僅有 10 至 20% 為功能性神經內分泌瘤。王照元教授說,後腸神經內分泌瘤也可能導致疼痛、出血等狀況[2]

後腸神經內分泌瘤的診斷與治療

懷疑罹患後腸神經內分泌瘤時,醫師會安排進一步檢查,利用抽血、驗尿檢測腫瘤相關的生物標記,利用切片檢查、特殊染色來確認腫瘤的性質與分級,利用電腦斷層、核磁共振等影響檢查來評估是否有轉移至其他部位。

後腸神經內分泌瘤診斷與治療
圖 / 照護線上

針對局部或早期腫瘤,建議採取手術治療,切除腫瘤及鄰近淋巴結。王照元教授說,針對晚期或轉移性腫瘤,可能考慮進行減積手術,盡量減少腫瘤體積,幫助減緩症狀,改善生活品質。

在腫瘤無法完全切除的狀況下,一般會搭配藥物治療、放射治療、標靶治療、化學治療等。王照元教授說,藥物治療主要是利用體抑素類似物,體抑素類似物能減少腫瘤分泌相關荷爾蒙,並抑制腫瘤生長,延長無惡化存活期。

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圖 / 照護線上

傳統體抑素類似物採肌肉注射,每四週注射一次。王照元教授說,目前有新型長效體抑素注射凝膠採深層皮下注射,注射體積很小,僅 0.5 ml,幫助降低注射時的疼痛感,提升患者對治療的耐受度。根據真實世界數據,接受新型長效體抑素注射凝膠治療的患者,穩定治療時間平均比傳統療法長約 10 個月[3]。提高患者的治療順從度,也有助提升治療成效。

接受治療期間,醫師會定期安排檢查以評估治療成效並監測病情進展,患者如果有任何不適,請務必與醫師討論。

後腸神經內分泌瘤的診斷與治療經常會牽涉內科、外科、放射科、病理科等多個科別,因此多專科團隊可以提供較完善的照顧。王照元教授提醒,醫師會根據患者的年齡、合併症及對生活品質的需求,擬定個人化的治療計劃。患者要和醫師密切配合,才能達到較佳的治療成效。

筆記重點整理

  • 神經內分泌瘤是源自各種神經內分泌細胞,很多器官都可能出現神經內分泌瘤。在人類胚胎發育過程中,原始消化管可分成前腸、中腸、後腸,後腸會形成遠端橫結腸、降結腸、乙狀結腸、直腸等,出現在這些部位的神經內分泌瘤稱為「後腸神經內分泌瘤」。
  • 神經內分泌瘤可能會分泌多種激素,而造成潰瘍、腹瀉、心悸、暈眩、咳嗽、氣喘、臉潮紅等症狀。不過大部分為非功能性神經內分泌瘤,僅有10至20%為功能性神經內分泌瘤。後腸神經內分泌瘤也可能導致疼痛、腸阻塞、腸穿孔、腸道出血、解尿困難等狀況。
  • 針對局部或早期腫瘤,建議採取手術治療,切除腫瘤及鄰近淋巴結。針對晚期或轉移性腫瘤,可能考慮進行減積手術,盡量減少腫瘤體積,幫助減緩症狀,改善生活品質。
  • 在腫瘤無法完全切除的狀況下,一般會搭配藥物治療、放射治療、標靶治療、化學治療等。藥物治療主要是利用體抑素類似物,體抑素類似物能減少腫瘤分泌相關荷爾蒙,並抑制腫瘤生長,延長無惡化存活期。

[1] Das S, Dasari A. Epidemiology, Incidence, and Prevalence of Neuroendocrine Neoplasms: Are There Global Differences? Curr Oncol Rep. 2021 Mar 14;23(4):43. doi: 10.1007/s11912-021-01029-7. PMID: 33719003; PMCID: PMC8118193.

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[2] Smith JD, Reidy DL, Goodman KA, Shia J, Nash GM. A retrospective review of 126 high-grade neuroendocrine carcinomas of the colon and rectum. Ann Surg Oncol. 2014 Sep;21(9):2956-62. doi: 10.1245/s10434-014-3725-3. Epub 2014 Apr 24. PMID: 24763982; PMCID: PMC4521622.

[3] Harrow B, Fagnani F, Nevoret C, Truong-Thanh XM, de Zélicourt M, de Mestier L. Patterns of Use and Clinical Outcomes with Long-Acting Somatostatin Analogues for Neuroendocrine Tumors: A Nationwide French Retrospective Cohort Study in the Real-Life Setting. Adv Ther. 2022 Apr;39(4):1754-1771. doi: 10.1007/s12325-022-02060-1. Epub 2022 Feb 22. Erratum in: Adv Ther. 2022 Jun;39(6):3059-3060. doi: 10.1007/s12325-022-02127-z. Erratum in: Adv Ther. 2023 Jan;40(1):387-388. doi: 10.1007/s12325-022-02335-7. PMID: 35190997; PMCID: PMC8989892.

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歐洲人克服乳糖不耐,少拉肚子就是達爾文贏家?
寒波_96
・2022/09/16 ・3812字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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牛奶、羊奶等生乳中含有乳糖(lactose),可以被乳糖酶(lactase)分解。但是小朋友長大以後,乳糖酶基因便不再表現,失去消化乳糖的能力。幾千年前,世界各地卻出現多款基因突變,讓人能一輩子保有乳糖酶。2022 年一項針對歐洲的研究提出觀點:這項能力之所以受到天擇喜好,是因為能避免拉肚子!?

人類如今也發明去除乳糖的牛奶。圖/被拍電影耽誤的置入性行銷之神──Michael Bay 麥可貝

史上最強遺傳適應,演化過程出乎意料?

人類原本和眾多哺乳動物一樣,小時候依賴母乳餵食,長大後不再喝奶,乳糖酶也失去作用。但是隨著人類馴化牛、羊等動物,即使是成年人也常有機會吃奶。

另一方面,由於乳糖酶基因外頭的調控位置突變,使得許多歐洲、非洲人的酵素在成年後可以持續作用,稱為乳糖酶持續性(lactase persistence,簡稱 LP,也就是乳糖耐受),而且同樣效果的不同突變,至少獨立誕生過 5 次。

具有某方面優點,使得存在感增加的 DNA 變異,稱作遺傳適應(genetic adaptation)。已知的人類案例非常多,天擇的影響力有強有弱,LP 算是受到最強烈天擇力量的基因之一。

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由此推敲,當人類開始養牛、養羊,又吃奶以後,同時衍生 LP 應該是順理成章的事?然而,一系列考古學、遺傳學、古代遺傳學的探索,卻徹底打破上述看似合理的推論。

首先,考古學調查發現人類在中東馴化牛、羊,吃奶的歷史至少有 9000 年,接著距今 7000 年前已經引進歐洲多處。再來,由遺骸中直接取得古代 DNA 得知,LP 遺傳變異要等到 4000 多年前才出現,而且超過 3000 年前都還很小眾,最近 2000 年內才大幅提升存在感。

顯而易見,人類開始吃奶的年代,比獲得成年後消化乳糖的能力,更早好幾千年。 2022 年新發表的研究透過更廣泛的取樣分析,再度確認這件事。

由陶器中取樣乳脂質的地點和年代。圖/參考資料 1

再度確認:吃奶比遺傳突變更早好幾千年

隨著技術進步,如今有好幾種方法判斷古代人會不會吃奶,像是分析牙結石中的乳蛋白、容器中的乳脂質等等。新研究偵測陶器中的乳脂質,包括以前發表 188 處,以及新取得 366 處,總共 554 處中東、歐洲的遺址中,得知 6899 件乳製品存在的紀錄。

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吃奶的文化能追溯到中東,新石器時代擁有農業的人群,帶著他們的牛、羊一起移民歐洲,也將吃奶文化傳入歐洲。到了距今 7000 年前,歐洲各大地區已經出現乳製品。也許不見得會直接喝生乳,不過肯定存在起司等生乳加工的食品。

比較特殊的是巴爾幹半島,現在的希臘。那時居民會養牛,養羊,吃肉肉;但是分析超過 870 件陶器,完全見不到乳脂質的蹤影。此處或許更晚才建立起吃奶文化。

總之,7000 年前吃奶文化已經廣傳歐洲各地。相比之下,比對不同年代、地點的死人骨頭取樣,消化乳糖的 LP 遺傳變異最早在 4600 年前現蹤,比吃奶晚很多。

而且 LP 出現一段時間後,存在感依然非常低,距今 3000 到 5000 年前的青銅時代,LP 並沒有什麼過人之處。到此為止,LP 只能說是人類族群中的一款普通變異,還不能算是遺傳適應。

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不同年代,歐洲各地的吃奶狀況。距今 7000 年前之際(5000 BC)吃奶已經相當普及。圖/參考資料 1

現代社會:能代謝乳糖沒有好處,不能代謝只有小小壞處

儘管比本來以為的晚很多,LP 遺傳變異在歐洲族群的比例,還是於最近 3000 年內明顯上升。它到底因為什麼優點才受到天擇青睞,歷來爭論不休,有人提出營養、維生素D 等假說,可是都缺乏決定性的證據。

搜集幾十萬人遺傳資訊的英國生物樣本庫(UK Biobank),近來被大量用於各色分析。這項研究從中探討 LP 的影響,分析對象中大部分人具有 LP,少數人沒有(論文用語是 lactase non-persistent,縮寫為 LNP,也就是乳糖不耐)。比對得知,LP 並不會影響喝奶、食用乳製品的行為。

直接喝奶才有乳糖代謝的問題,加工成起司等乳製品可以避免,但是「問題」也許不是真的問題。更進一步比對,LP 對於健康狀況也沒什麼影響。簡單說就是:對 33 萬位英國人的分析發現,LP 與否,無關緊要。

加上其餘資訊推論,現代社會在正常情況下,缺乏 LP 大概就是喝奶拉肚子,不是什麼嚴重的問題。例如隨著中國經濟發展,沒有 LP 的中國人大量喝奶,多數也沒怎麼樣。

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這也符合台灣人的經驗,台灣人配備 LP 的比例不高,可是隨著飲食習慣改變,多數人也就是這樣喝奶。另外喝奶會改變人的腸道菌,影響消化狀況,也是一個影響因素。

普遍缺乏 LP 的台灣人,很多人也是生乳照樣喝。圖/[廣宣] 牛奶妹 徵求中興大學牧場鮮奶長期訂戶

飢荒、疾病,時代力量的逆境考驗?

為了解釋歐洲歷史上 LP 比例的大幅上升,許多論點提出喝奶的優點,但是想想頗有可疑。把鮮奶加工製成乳製品,就能輕易抵銷 LP 問題,即使是飢荒時節也不例外;不能直接喝奶也不會餓死,吃起司就好。在營養加分方面,能喝奶真的有什麼優勢嗎?

由人群中遺傳變異的比例變化,我們能評估天擇影響的結果,但是不見得能抓到當初天擇真正的目標。新研究的分析指出,LP 的意義似乎不在創造優勢,而是避免劣勢。

跑完一大堆統計分析後,有兩項因素和 LP 的關聯性最高。一項是人口數量的波動,另一項是人口的密度。論文的解釋是,人口數量波動和飢荒有關(飢荒讓人口減少),密度和傳染病有關(人變多會增加傳染病的機率)。

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沒有 LP 的人直接喝奶,副作用往往是腹瀉,在豐衣足食的現代社會多半沒有大害,還能刺激代謝,順便減肥;雖然對某些人而言,拉肚子依然是困擾的問題。

至於營養不良的人,腹瀉更可能出問題;某些疾病下,拉肚子造成脫水,容易重傷害健康。時常被營養不良、傳染病、飢荒等災厄糾纏,是古代的常態。

由此推論,不論是饑荒的短期逆境,或是傳染病的長期逆境(論文沒有特別討論,我想也包括寄生蟲?),配備 LP 的人由於能少拉肚子,生存機率也會大一點。

不同地區的人群,在不同年代的 LP 人口比例。圖/參考資料 1

魔鬼藏在拉肚子?

影響最大的年齡層可能介於 5 到 18 歲。此一小大人的階段,乳糖酶將漸漸失去作用;營養不良、體弱多病的人身體比較脆弱,拉肚子是要命的事,這或許正是天擇的目標!

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古時候衛生狀況不佳,拉肚子大概很常見,而未成年人的死亡率也遠勝現在,小孩死掉並不意外。在此之下,能減少拉肚子的 LP 遺傳變異,長期累積下來,正面影響力或許頗為可觀。

這項研究的說法是否正確?它仍不足以算是決定性的證據,不過脈絡頗有道理。非洲也有多個獨立誕生的 LP 遺傳變異,相較於歐洲了解少很多,這是個潛在的研究方向。

另外不可忽視,讓乳糖酶維持作用的 LP 遺傳變異,也受到飲食習慣、生活背景影響,不單純是遺傳的事。例如自古牧業發達的蒙古、哈薩克,居民的 LP 比例一直很低,幾千年來也活得很好。少拉肚子也許能解釋歐洲的狀況,其餘地區不宜過度延伸。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evershed, R. P., Davey Smith, G., Roffet-Salque, M., Timpson, A., Diekmann, Y., Lyon, M. S., … & Thomas, M. G. (2022). Dairying, diseases and the evolution of lactase persistence in Europe. Nature, 1-10.
  2. The mystery of early milk consumption in Europe
  3. Famine and disease drove the evolution of lactose tolerance in Europe
  4. How humans’ ability to digest milk evolved from famine and disease
  5. Ancient Europeans farmed dairy—but couldn’t digest milk

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。