製造防彈背心必備的纖維「克維拉」，為何能夠強鋼勝鐵？

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。

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？

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。

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。

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？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

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。

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。

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。

「教授」趴在辦公室的地板上，百無聊賴。材料科學家、互動設計師、工匠與工藝研究人員，整日於麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab），忙進忙出，沒空搭理。作為論文第一作者Jack Forman的愛犬，身兼創作謬思，「教授」可能從沒想過，自己終將獲邀貢獻學術，並且榮登致謝名單。^[1]

FibeRobo

「教授」備受冷落的這段時日，研究團隊一直忙於開發織物纖維：穿戴手套、實驗袍和護目鏡，隔著通風櫃，以液晶元（mesogen）為主要原料，適量加入能感光、增加黏性、降低驅動溫度，以及延長有效期限等的各種化學物質。然後，將調製好的液晶彈性體（liquid crystal elastomer；LCE），灌進精心設計的機器。利用液晶分子在常溫下整齊排列，遇熱就亂了陣腳，導致收縮的特性，生產出來的FibeRobo纖維，長度能為溫度所控制。製作步驟及機器各部位的功能，大致如下：^[1]

1. 可調控溫度的針筒幫浦，將原料加溫至約莫34°C，降低其黏性後，推擠出來。（圖片：Step 1的上半段。）^[1]
2. 用紫外線照射，使纖維稍微硬化，避免蜷曲。（圖片：Step 1的下半段。）機器外圍的黃色壓克力板，能隔絕99%的紫外線，保護使用者。透過調光器，則可依需求適度調整光線強度。避免光線太弱，使纖維斷掉；或者是光線太強，而結塊並堵塞針筒的開口。^[1]
3. 鑷子夾住纖維兩端，把它拉得又直又細，再沾點礦物油，比較容易舒展。（圖片：Step 2。）^[1]
4. 經過滑輪的纖維，於緊拉的張力下，再照一次紫外線，加強硬化。（圖片：Step 3。）滑輪轉動的速度愈快，纖維就愈細。^[1]
5. 纖維被捲到機器最頂端的線軸上。（圖片：Step 4。）^[1]
6. 從線軸上取下纖維，撒點滑石粉，降低摩擦力，方便以後用機器紡織。等布料完成，再以溫熱的肥皂水，洗去滑石粉。^[1]

通電與收縮

FibeRobo纖維搭配別種材料，可以創造不同的效果。然而傳統多股對絞的作法，會扭曲FibeRobo，使它收縮的特質變得難以預測。於是，研究團隊改將FibeRobo置於中央，在外面纏繞其他材料。比方說，拿以蠶絲包覆銅芯的利茲線（litz wire）來捆它。銅的電阻低，升溫快，能迅速使FibeRobo遇熱收縮。FibeRobo與利茲線合體後，接上2.5安培、8.5伏特的電，8秒即縮短37%；斷電30秒，則又恢復原狀。不過，這種混合纖維傾向堆成一團，不適用於針織、紡織與刺繡。研究團隊建議，最好分開製作，再搭配使用。^[1]

另外，他們也嘗試用導電塗料浸染纖維。如同調製LCE原料時，身穿防護衣著，隔著通風櫃，先將FibeRobo泡入含有重量百分濃度7%碳黑（carbon black）的甲苯（toluene）溶液裡。8小時後取出，置於80°C的烤箱中，烘烤1個鐘頭。如此一來，FibeRobo纖維就能通電，其電阻會跟著長度的伸縮變化。拉長變細的時候，電阻較高。^[1]

成品展示

研究團隊用FibeRobo纖維跟其他材料，做了些模型和成品，來展示實際用途。以下是其中幾個例子：^[1]

• FibeRoBra運動胸罩：當體溫隨運動逐漸上升，FibeRoBra便開始收縮，給予乳房無鋼圈、零負擔的支持。體溫下降後，布料又回到放鬆的狀態。^[1]

• FibeRoGlow燈具：開燈後升高的溫度，令燈罩緩緩上捲，彷彿打開花瓣。全程費時，大約5分鐘。^[1]

• ShadeRobo窗簾：窗簾不該因為陽光強烈，氣溫上升，就自動捲起來。因此，驅動此窗簾所需的溫度，被設計得比較高。布料只有在上面的利茲線通電時，才會有反應。4伏特、2.5安培的電，得花2分鐘，才能將這個5 x 5公分的小窗簾捲好。冷卻1分鐘後，又會完全攤平。^[1]

• FurbeRobo遙控狗背心：論文的第一作者Jack Forman，為他的愛犬「教授」，織了一件小背心。本文開頭的那張照片，即是牠的定裝照。如果寵物在辦公室悲鳴，於實驗室忙碌的主人，就可以透過藍芽，啟動背心上的控制器。此時，連接12伏特、2.5安培電池的利茲線，會通電並發熱，造成驅動溫度不高的布料，輕微收縮。就像給狗溫暖的擁抱，減輕牠的分離焦慮（separation anxiety）。不過，基於動物實驗倫理等因素，後來示範布料收縮的照片，都是穿在布偶上拍攝，「教授」再次被晾在一旁。^[1]

成本與環保

2023年麻省理工學院的團隊，在美國計算機協會（Association of Computing Machinery）主辦的使用者介面軟體與技術（User Interface Software and Technology）研討會上，發表了這篇介紹FibeRobo的論文。研究團隊認為，他們的成果具有商業化的潛力。畢竟跟雷同的技術比起來，製作FibeRobo的成本相對低廉：機器的針筒幫浦約美金250元；裝滿5、10、20或30毫升原料的針筒，每個至多4元；而生產直徑0.5mm的纖維，每公尺約0.2元。^[1]單人操作單機，一天或一個下午就能產出750公尺的纖維；^{[1, 2]}亦有報導指稱是每日1公里。^{[3, 4]}不過，FibeRobo不可回收，儘管某些新興LCE纖維可生物分解，有時搭配的導電材質，仍是廢料處理的阻礙。因此，在這方面還有改善的空間。^[1]

1. Forman J, Afsar OK, Nicita S, et al. (2023) ‘FibeRobo: Fabricating 4D Fiber Interfaces by Continuous Drawing of Temperature Tunable Liquid Crystal Elastomers’. UIST ’23: Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 9, pp. 1 – 17.
2. MIT Media Lab. (27 OCT 2023) ‘FibeRobo: Powerful Body-Temperature Morphing Fibers’. YouTube.
3. Paul A. (26 OCT 2023) ‘This liquid crystal fabric is ‘smart’ enough to adapt to the weather’. Popular Science.
4. Global Update. (29 OCT 2023) ‘New Liquid Crystal Elastomer Fiber Makes Shape Shifting Fabrics a Reality – FibeRobo’. YouTube.

2022 年 9 月 30 日，^[1]在巴黎時裝週 2023 春夏大秀上，近乎全裸的超模 Bella Hadid 緩步走上伸展台。她氣定神閒地，任由與法國時尚品牌 Coperni 合作的科學家們，用噴槍將液態布料覆蓋在她身上。^{[2, 3]}經剪刀裁去布邊，並劃出高衩，一件服貼簡約的雪白平口洋裝，當場完成，驚豔全場。^[4]

時裝秀的科技時刻

英國品牌 Alexander McQueen 也曾於 1999 春夏系列時裝秀中，讓超模 Shalom Harlow 在緊湊高亢的音樂襯托下，接受二支機械手臂的顏料洗禮，演繹出時尚史上經典的噴墨洋裝。^[5]不過，這兩次乍看雷同的科技嘗試，其實有根本上的差異：Alexander McQueen 的做法，是把洋裝當作畫布，透過機械手臂在上頭忘情揮灑。放蕩不羈的風格，使模特兒的皮膚上沾染不少墨水，帶著一縷淒美的頹喪。^[5]然而，這次巴黎時裝週的白色洋裝製作，則是宛如迪士尼動畫《睡美人》的情節。噴槍就是設計師的魔杖，妙手一揮便幻化出成品，整個過程乾淨俐落。做完馬上走秀，都不怕沿路滴水。^[4]

這款神奇的噴霧布料，是 Manel Torres 博士研發的 Fabrican。^[3]

Fabrican 噴霧的原理

來自西班牙的 Torres 博士，^[6] 2003 年於英國倫敦創立 Fabrican 有限公司。他希望用皮膚般貼身的媒材，來製作衣服，並加速生產的流程。^[7]一件 Fabrican 服飾的生成，從無到有約莫只要 9 到 15 分鐘，^{[1, 6]}而且材質和顏色都有多元的選擇。^{[8, 9]}無論是棉、毛、亞麻、尼龍或是奈米碳纖維等原料，^{[6, 9]}加入特製的揮發性溶劑後，噴在人體上便會快乾成形。 ^[6]這種液態布料能做出一年四季的服飾，差別主要在於塗層的厚度。成品噴好後，不僅可以重複穿著和洗滌，也能以溶劑即刻還原再利用，^[10]十分環保。

Fabrican 服飾的量產

Copern i 的二位品牌創辦人 Sébastien Meyer 與 Arnaud Vaillant ，在這次的巴黎時裝週開始前 6 個月，就已經緊鑼密鼓地和 Torres 博士，一起研究如何呈現這件白色洋裝。「我們不會因此賺錢」，回想秀場上的那一刻 Meyer 如是說：「但那是段美麗的時光 ── 一個創造情感的體驗。」^[3]

以人工一件一件地噴出衣服，並不符合經濟效益，所以除了上述量身訂做的方法，Torres 教授還開發出適合工業化量產的模式。這個概念有點類似 Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀的演出，不過要把那位面目驚恐，非常入戲的模特兒，換成冰冷的人體模型。如此一來，裝有噴槍的機械手臂以及負責運算的可程式邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC），便能以每秒 9 公尺的速度噴出原料，不眠不休無休地將已經設計好的服飾，精準地製作出來。由於針對不同產品，只要依照個別需求，微調程式或液態布料的成份，Fabrican 官網宣稱，這比起仰賴為數龐大的傳統機器，更適合剛起步的事業和開發程度較低的國家。^[11]

Fabrican 的其他用途

此外，同樣的技術也能運用在汽車內裝，^[11]以及醫療器材上。比方說，口罩、繃帶、藥物貼片、創傷敷料，^[12]還有取代石膏的骨折固定器等。^[13]比較出乎意料的是，據說 Fabrican 也有清除海洋汙染，例如：原油外洩等的功能，可惜相關的資訊不多。^[14]看到如此萬用的布料科技，只能期望它無論如何都要打入一般市場，造福大眾。別像伸展台上的高級服飾，永遠那麼遙不可及。

延伸閱讀

蠶繭電池是綠能的未來？！

1. Testa J. (02 OCT 2022) ‘The Best Moment of Bella Hadid’s Life’. The New York Times.
2. Yang R, Chen L, Chiang R, Tseng R.（01 OCT 2022）〈巴黎時裝周2023春夏秀場盤點！Coperni現場噴墨製衣、Balmain邀請傳奇巨星Cher壓軸走秀〉Harpers Bazaar.
3. Maguire L. (01 OCT 2022) ‘A spray-on dress and a solid gold bag: Coperni goes after Gen Z with novelty and fun’. Vogue Business.
4. iDest. (01 OCT 2022) ‘Bella Hadid Closing Coperni Spring 2023 Collection’. YouTube.
5. Couture Daily. (13 JAN 2013) ‘Alexander McQueen spring/summer 1999’. YouTube.
6. Sample I. (17 SEP 2010) ‘Spray-on clothing becomes a reality’. The Guardian.
7. ‘Fabrican History’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022)
8. FannVideo Best. ‘New Spray-on Clothing Future Technology’. (28 MAY 2013) YouTube.
9. ‘Fabrican Technology’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
10. New Scientist. ‘Spray-on clothing could be the future of fashion’. (17 SEP 2010) YouTube.
11. ‘Industrial – Industrial Application’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
12. ‘Healthcare – Innovation, choice and flexibility in healthcare’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
13. fabricanltd. (15 MAY 2012) ‘Spray-on arm cast. Fabrican Ltd’. YouTube.
14. ‘Environmental – Protecting our environment from seaborne spills’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)