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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

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)。

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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。

《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。

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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。

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。

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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

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。

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「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。

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。

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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。

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。

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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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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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睡眠不足來杯咖啡?小心!這可能是個惡性循環——《人類文明》
天下文化_96
・2024/06/19 ・2251字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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咖啡因對大腦的影響

咖啡因是一種分子上的模仿大師。人類醒著的每一分鐘,腦中都會不斷增加腺苷(adenosine)這種化學物質,像是沙漏的沙子不斷累積,能夠告訴我們已經醒著多久,且會讓大腦運作逐漸放緩,創造出一種睡眠壓力,讓人體做好入眠的準備。所以醒著 12 個小時到 16 個小時,人就會感受到一種難以抗拒的誘惑,想回臥室躺著進入夢鄉。

然而,咖啡因的分子結構十分類似腺苷,能夠搶先一步與腺苷的受體結合,卻不會活化受體;這樣一來,反而是對這些腺苷受體形成一種化學封鎖。所以,只要你的腦中有大量咖啡因,腺苷就無法與受體結合,難以傳遞正常的訊號咖啡因就是靠著這種藥理作用來抑制睡意,使大腦保持警覺與專注。雖然腺苷依然不斷在大腦中堆積,只不過所發出的訊號就這樣被咖啡因給堵住了。但是,等到身體分解了咖啡因,腺苷就會宛如大壩潰堤,讓人感受到沛不可擋的睏意——這就是可怕的咖啡因崩潰(caffeine crash)。

植物合成咖啡因,原本是做為一種天然的殺蟲劑,避免葉子或種子遭到啃食,甚至還能殺死昆蟲。但奇怪的是,像是包括幾種咖啡類與柑橘類植物在內,有些植物的花蜜也含有咖啡因,花蜜原本該是用來吸引昆蟲授粉的。實驗結果顯示,咖啡因能夠增強蜜蜂的嗅覺學習能力,讓蜜蜂更能記得這些花的氣味,於是不斷回訪這些有著咖啡香氣的花朵。也就是說,這些植物等於是讓蜜蜂吸了興奮劑,引誘它們成為自己忠實的授粉者;可以說,正是咖啡因讓蜜蜂願意不斷嗡嗡嗡上工。

研究顯示,咖啡因是蜜蜂的興奮劑,可以讓他們願意不斷嗡嗡嗡上工。圖/envato

咖啡因的另一個作用是增加依核裡的多巴胺濃度,同時也會提高多巴胺受體的敏感性。這會刺激我們前面提過的中腦邊緣報償路徑,讓人在喝到一杯好茶或咖啡的時候,感受到愉悅的好心情;但也會讓人上癮。人類之所以愛喝咖啡或茶之類的飲料,是因為這能夠刺激大腦、抑制睡意;而且只要一開始喝了,就會因為咖啡因成癮而讓人維持這樣的習慣。於是回過頭來,我們就看到咖啡因對歷史產生了長久的影響。

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在啟蒙時代,咖啡在歐洲咖啡館裡刺激了知識份子的思想與話語;到了不斷變化的工業時代,則是茶讓英國工人階級的身心得以調適。工業革命淘汰了像是編織、打鐵這些傳統工藝,以龐大的機器加以取代。從煤氣燈到電燈泡,各種人造光源讓工廠開始能夠一路運作到深夜。而咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。茶裡面加的糖也能提供熱量,讓人在長時間的輪班期間維持體力。咖啡因就這樣將工人變成了更好的零件,更能配合那些永遠不知疲倦為何物的鋼鐵機器。

〔附注:出於類似的原因,戰爭時期的軍隊也會運用各種精神藥物。像是希特勒速度驚人的閃電戰,先是在 1939 年 9 月橫掃波蘭,接著在 1940 年初攻下法國與比利時。這一方面靠的當然是德意志國防軍裝甲師的機動性,坦克既配備了無線電裝置用於協調,還能得到德意志空軍轟炸機的空中支援。但另一方面,這項成功的背後還有另一項技術的支援:靠著合成興奮劑「甲基安非他命」(methamphetamine,分子結構類似腎上腺素),德軍能夠戰得更猛更久,而不會感覺精神倦怠或身體疲勞。安非他命的化學作用讓人進入高度警覺狀態,也大大提升了自信與攻擊性。閃電戰的成功,靠的其實也是部隊嗑了藥。就連希特勒本人也同時混打多種藥物(古柯鹼、甲基安非他命、睪固酮),提供作戰指揮時的體力。〕

咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。圖/envato

所以講到工業革命,工廠與磨坊的動力靠的是蒸汽機,但如果是操作機器的工人,靠的燃料就是東印度公司帶來的茶葉、加上來自西印度群島的糖。於是,茶的歷史深深植根於對勞工的剝削——從印度的茶園、加勒比海的甘蔗栽培園、再到英國的工廠,都壓榨著這些工人所有清醒的時分。

如今,若想要控制我們的睡眠清醒週期(sleep-wake cycle),咖啡因仍然是一項重要工具。這個科技社會的步調太過急促,不允許我們被動順應自己的生物時鐘,得主動加以調整,適應數位時鐘的要求。而很多人靠的就是自行攝取咖啡因,在每天上班途中把自己叫醒、讓自己能在辦公桌前熬夜趕工,或是在長途飛行後,把生理時鐘同步到新的時區。很多咖啡因成癮者都能自己調整這種藥物的劑量,一方面巧妙發揮咖啡因的正面作用,讓自己更能面對現代世界對專注力的需求,另一方面也能避免過度攝入造成的負面作用,像是焦躁不安、心跳加速、胃部不適。

然而,咖啡因雖然讓我們得以抑制大腦發出的睡意訊號,卻也成了現代人常常睡眠不足的一大主因。咖啡和茶就這樣和人類玩著兩面手法:我們喝咖啡和茶,是為了緩解長期的嗜睡;但造成這種情形的元凶也正是咖啡因。事實上,我們早上會想趕快來杯咖啡,讓腦子清醒一點、或是提振精神,很多時候其實是在緩解一夜難眠的戒斷症狀。

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——本文摘自《人類文明:生物機制如何塑造世界史》,2024 年 05 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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青少年睡眠不足的解方?在高中生早自習被取消之後——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/03/04 ・3231字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 蔡宇哲/心理學博士,主持 podcast 《哇賽心理學》與《睡眠先生的活力學》。

Take Home Message

  • 美國眾議院在 2020 年決議將每年 9 月的第三週訂為「學生睡眠健康週」;臺灣教育部也在去年宣布取消高中早自習,希望青少年可以多睡一點。
  • 多項國際研究發現,青少年睡眠不足會影響注意力、學習、記憶,連帶牽動到學業成績,甚至還可能影響情緒調節與自我控制能力。
  • 研究發現,延後上學提升了學生的學業成績、出席率、準時上課率,並降低睏睡度;但學生對於「睡眠是否重要」的概念也會影響延後上學帶來的幫助。

教育部在去(2022)年宣布,在 111 學年度開始取消高中早自習,學生只要在上午 8 點前到校即可,希望藉由調整上學時間讓青少年能睡多一點。不過這項措施並未得到所有人的認同,尤其是華人文化一直以「勤奮」為勉,像成語焚膏繼晷、懸樑刺骨等都隱含著睡得少才會有成就的意涵。家長與老師也常以此來勉勵國高中生努力讀書。然而,這樣的傳統觀念在睡眠科學的檢驗下卻是大錯特錯。

睡眠不足將影響青少年的身心理

2020 年,美國眾議院決議將每年 9 月的第三週訂為學生睡眠健康週(Student Sleep Health Week, SSHW)。不僅如此,美國睡眠醫學學會(American Academy of Sleep Medicine, AASM)也在去年 9 月 12~18 日進行相關倡議。

不過他們為什麼要特地宣導?主因為美國國家睡眠基金會(National Sleep Foundation)統整的研究報告經專家討論後,提出青少年每日應睡 8~10 小時、平均睡眠時數達到 9 小時的建議。但美國疾病管制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)的數據卻顯示,有將近八成的中學生呈現睡眠不足的狀態,因此美國政府希望能透過政策與教育推廣來倡導睡眠的重要性。

那臺灣學生呢?根據 2020 年臺灣兒福聯盟發布的調查報告顯示,臺灣高中生有將近九成每天睡不到八小時,國高中生每天的平均睡眠時數更僅有 6.9 小時,連建議值的低標都沒達到。

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在挪威一項針對學生睡眠情況與學業成績的研究中,研究團隊共調查了 7798 位 16~19 歲的青少年,發現上床睡覺時間、睡眠時數,以及睡眠缺損都與學業成績有關。上床睡覺時間愈晚、睡眠時數愈少,睡眠缺損也愈嚴重,學業成績就會愈低落。簡單來說,學業成績較差與睡不夠有關。

雖然這項結果只代表兩者相關,並不表示因果關係,然而已有非常多研究都發現睡眠不足會使人的注意力、學習、記憶情況變差,而且在實驗室控制的情況下這項因果關係可以被確認。如果要有好成績便需要仰賴專注,才能讓學習與記憶的歷程能夠順利開展。因此,睡眠會影響學業這點確實有它的道理。

睡眠不足會影響青少年學習。圖/envatoelements

此外,睡眠影響的並不只是單純白天有沒有精神、注意力是否集中而已,甚至還會影響到青少年的心理健康。衛生福利部國民健康署在 2021 年一份針對臺灣國高中生的萬人抽樣調查中發現:有 25% 的國高中生在過去一年內曾認真地考慮過自殺。就算這項數據可能被誇大了,但即使將數字折半來看依然很令人擔憂。不過自殺念頭又跟睡眠有什麼關係呢?

一篇 2018 年發表於《美國醫學會雜誌.兒科》(JAMA Pediatrics)期刊的研究,將 67615 份青少年(國三到高三)問卷資料中的睡眠時數分為八小時以上、七小時、六小時,以及少於六小時這四組,比較這些人從事危險行為的情況。結果發現,睡眠時數少於六小時的青少年在攻擊行為上比睡滿八小時的高出將近兩倍,自殺行動更高出三倍之多。

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也就是說,睡眠不足這件事不僅影響了白天在課業表現上的各種層面,還包含比較容易被忽略的情緒調節與自我控制,而這對青春期的學子來說更是雪上加霜。睡眠不足的影響太容易被忽略,誰在生氣時會想到今天脾氣這麼差是因為前一晚沒睡好呢?但透過科學研究確實發現,睡眠不足會讓脾氣變得暴躁,容易看什麼事都不順眼。

青少年獨有的「生理時鐘延遲」

既然睡不夠,那應該要讓學生早點睡才對。很多人會把青少年晚睡的因素歸咎於課業壓力、網路與遊戲,但這些僅是外在因素,其實還有一個無法抗拒的內在因素,那就是青春期獨有的「生理時鐘延遲」現象,即使想早睡也睡不著。

早在 1993 年,美國睡眠領域的專家卡斯卡頓(Mary Carskadon)與不少學者都曾針對青春期生理時鐘延遲的現象進行研究,當時的網路與手機都還不像現在如此普及,且在實驗室控制的情況底下也排除了課業壓力,但依然發現學生在進入青春期之後會有作息延遲的情況。而且這個現象也非人類獨有,在恆河猴(Macaca mulatta)與一些囓齒類動物身上也會出現,因此這可能是生物體的發展所導致,而非單純社會文化與壓力的影響。

因此在生理時鐘延遲、難以提早入睡,但又必須早早起床上學的情況下,睡眠不足的現象必然會發生。再加上課業壓力與網路、遊戲等誘因,又結合了華人不用睡太多的勤奮文化,就成了臺灣青少年睡眠不足的難解困境。

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睡眠不足是許多青少年常見的問題。圖/envatoelements

延後上學,全球青少年睡眠不足的治標措施

睡眠對青少年來說如此重要,但卻又受到多重因素的影響,因此透過政策改變上學時間反而變成一種最快速的方法。十多年前英美各國就都陸續試行相關的政策,多數都發現延後上學對學生學習是幫助。因此,美國加州政府在 2020 年頒布了法令,規定公立學校的國中必須在上午 8 點以後、高中則是在 8 點 30 分以後才可以開始上課。而臺灣在去年開始,也規定高中生可以於上午 8 點前到校即可。不過這樣的措施卻受到不少反對者質疑,認為只延後這一點時間根本沒有用。針對這些質疑,我們可以透過科學研究獲得一些驗證。

2018 年發表的一篇研究就以美國西雅圖中學施行延後上學政策的學生為研究對象,該校學生的上課時間從原本的上午 7 點 50 分改成 8 點 45 分,足足延後了 55 分鐘。結果發現,延後上學後學生的整體睡眠時數增加了 34 分鐘,且學業成績、出席率、準時上課率都提高,睏睡度則降低。簡單來說,延後上學可以讓中學生睡得比較多一點,在學校的整體表現也變好。

另一篇去年進行的大規模研究,收集了橫跨 1999 ~ 2017 年的資料,參與者包含了 28 所學校、上萬名高中生都延後至上午 8 點 30 分上學。調查這些學校實施延後上學的前一年和實施後連續四年的數據,結果發現在實施後的第四年,學生的畢業率從原本的 80% 提高到 90 %,出席率也由 90% 提升到 93% 。在大樣本的情況下有如此高的提升,可說是相當驚人。

從結果來看,單單只是延後上學這件事就可以對青少年有多項正向的影響,是個有效又不用花太多錢的方法。當然這個政策影響層面很廣,還有家長接送、老師上班時間等議題,但至少延後上學這件事對於學生而言,目前的證據都是正向的。

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治本之道,肯定睡眠的重要性

延後上學對青少年有幫助,但從落實到實際有好成果出現之前,需要大眾與家長對睡眠擁有正確的觀念,才能發揮政策的效果。筆者有次參與國際睡眠醫學研討會時,一位韓國學者的報告中就提到影響延後上學政策成效有個很重要的關鍵,就是「學生是否認為睡眠是重要的、自己需要睡多一點」。

如果連學生都認為睡眠不重要、自己不需要睡那麼多,那麼延後上學、獲得多一點時間睡覺的幫助自然就變小了。臺灣在取消早自習、讓高中生延後上學時,也需要搭配推廣睡眠教育,讓青少年與大眾都了解睡眠充足才是展現高效學習、身心得以平衡的基礎。

延伸閱讀

  1. McKeever, P. M. et al. (2022). Delayed high school start times and graduation and attendance rates over four years: the impact of race and socioeconomics. Journal of Clinical Sleep Medicine. 18(11), 2537–2543.
  2. Dunster, G. P. et al. (2018). Sleepmore in Seattle: Later school start times are associated with more sleep and better performance in high school students. Science advances, 4(12), eaau6200.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 3 月號〉
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