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當科技發展跑在世界前面,科學家該做什麼?基因編輯技術 CRISPR 共同發明人——珍妮佛.道納專訪

旻諭_96
・2018/12/22 ・2581字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

上個月底,來自中國南方科技大學副教授賀建奎,因宣稱利用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術,使得一對雙胞胎寶寶天生免疫愛滋病,掀起巨大倫理與醫學爭議。

什麼是 CRISPR/Cas9 ?

CRISPR/Cas9 基因編輯技術就像是一把多功能的分子剪刀,可以用來修正基因組成,治療遺傳性疾病。如果把生物體的基因想像成一本書,CRISPR/Cas9 技術出現讓編輯基因就像是編輯文章中某個段落的幾個字一樣容易。(延伸閱讀:編輯基因的超級瑞士刀:CRISPR 技術──《基因編輯大革命》操控基因的工具就在手邊:CRISPR基因編輯工具將帶來怎樣的未來?──《基因編輯大革命》

CRISPR/Cas9 基因編輯技術就像是一把多功能的分子剪刀,可以用來修正基因組成,治療遺傳性疾病。
圖/flickr

由於 CRISPR/Cas9 技術門檻比過往的基因編輯技術低了許多,在 2012 年美國生物化學家珍妮佛.道納 (Jennifer A. Doudna) 和法國微生物學家伊曼紐夏彭提耶 (Emmanuelle Charpentier) 共同合作的研究論文發表之後,學術圈捲起一股 CRISPR 研究風潮,相關研究論文在數年內快速飆升。2013 年初這項技術就已經能夠被用在超過十種以上的基因,也促成這次中國基因編輯寶寶誕生爭議。

當 CRISPR/Cas9 技術發展速度快到政府來不及制定相關法規來因應,或甚至根本來不及知道有它存在,此時科學界該如何應對?

泛科學在今年十月初非常榮幸能採訪到 CRISPR/Cas9 基因編輯技術的共同發明人:珍妮佛.道納 (Jennifer A. Doudna),和我們面對面一起討論,在 CRISPR/Cas9 技術發展如此快速之時,身為科學家是如何突破同溫層,引領不同背景的專家一同討論基因編輯的未來?是什麼原因促使道納持續向大眾解釋自己的研究?為因應科技發展迅速的時代,她又給台灣的科學界什麼建議呢?

如何突破同溫層:從公眾演講開始練功

轉譯專有名詞,對科學家是個大挑戰

科學家平常接觸的對象都是相同領域的教授、研究生,也已經習慣以專業術語介紹自己的研究成果。當科學家開始和不同領域的人對話,往往會需要花很多時間思考如何轉化專有名詞,道納說:「我猜想很多科學家想專注在自己的研究上,不太想解釋自己到底在研究甚麼,也不太接觸跟自身研究相關的倫理與社會問題。」

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道納坦言自己原先也抱持相同想法,但她發現她有責任必須站出來向大眾解釋自己的研究。

那該如何跨出這一步呢?

換位思考,想像自己是圈外人

道納從 2015 年開始,一邊在柏克萊持續運作自己的實驗室,一邊到世界各地舉行公共演講、寫科普書。她說:「我會去想像,如果我完全不知道這些專業術語,我該怎麼去理解這項新技術?」從這個過程中,道納透過不停地修改解釋方式,及不斷思考有哪些新的比喻可以用,漸漸抓到解釋研究成果的訣竅。「慢慢的我也開始瞭解大眾對什麼感興趣,也越來越擅長跟非生物學家討論我的研究,對我而言這變成一個很有趣的挑戰!」

道納透過不停地修改解釋方式,及不斷思考有哪些新的比喻可以用,於是她漸漸抓到解釋研究成果的訣竅,也開始瞭解大眾對什麼感興趣及越來越擅長跟非生物學家討論她的研究。
圖/pixabay

患者家屬的回饋與感謝,是支持道納做研究的強大力量

對科學家而言,和不同領域的學者說明自己的研究內容無非是個大挑戰,對道納而言也是。既然如此,是什麼原因讓她堅持繼續完成這項艱鉅任務?

道納分享她多年前在瑞士一場討論「未來的人性」的論壇中遇到一位歷史學家,在論壇中分享「我們如何從過去的歷史來了解未來的人性」。會後這位歷史學家把道納拉到一旁,滿懷感激的跟她說:「你做的事情真的很重要,我的姊妹患有遺傳性的自發性突變,造成嚴重的神經失調,她經歷非常非常多的痛苦,連帶著家人也都受影響。」她越說越哽咽。她繼續說:「如果未來真的有可能可以利用基因編輯技術來修正基因,勢必非常多人能因此受惠。」

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道納開始她的 CRISPR 研究之後,曾收到世界各地許多來信,說著不同家庭曾因為遺傳性疾病遭受許多痛苦,而這次是道納第一次親自從患者家屬聽到這樣的回饋跟感謝。如此真實的案例就發生在眼前,讓道納既震撼,也大受感動。

道納開始她的 CRISPR 研究之後,在瑞士一場論壇中遇到一位歷史學者是遺傳性自發性突變的患者家屬,這位歷史學者對她的研究表達的回饋跟感謝,讓她既震撼也大受感動。
攝/ TW

當她回到實驗室裡繼續她的研究生活,時不時就會想起這些病患家屬對她的感謝,這些回饋讓她更確信 CRISPR 的研究到底有多重要。「病人在等,沒有時間可以浪費,我們必須趕緊加快研究腳步,讓 CRISPR 技術越趨精準、有效跟安全。」

給科學界的建議:鼓勵投身生科基礎研究、培養知識轉譯能力

走出同溫層泡泡:從學生時期開始練習

從道納分享自己和大眾溝通的經驗,我們知道科學家向各領域的人解釋科學研究,不僅是為了善盡社會責任;同時科學家在溝通的過程中也能獲得更強大的研究能量。道納非常鼓勵台灣的科學家走出實驗室與大眾對話,她特別提到:

「如果科學家想練習向其他專業領域的人介紹自己的研究,或許從學生時期就可以開始練習,比如透過社群媒體試著向身邊的同學、親友解釋自己的研究。」

若能從學生時期就培養這個習慣,知識轉譯的能力可以持續整個學術生涯,也可以形塑校園中討論科學的風氣和文化!

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道納非常鼓勵台灣的科學家走出實驗室與大眾對話。
攝/ TW

讀生科,一生科科?現在正是投身生科基礎研究好時機

除了鼓勵科學家和準科學家培養知識轉譯的能力,道納也鼓勵尚未確定未來方向的學生投入生科領域。她提到:「現在的生命科學領域的前景很看好,有越來越多優秀的新技術被研發出來,是投入生命科學領域的好時機。」

另外道納也聊到,CRISPR/Cas9 基因體編輯技術能夠如此快速地被應用,是因為基礎研究很紮實。這說明了基礎研究需要更多人的支持,紮實的打底之後才會有更多機會轉向應用端,形成更完備的新技術。

因此道納想對生科領域的莘莘學子說:「如果你正在思考未來的研究方向,不一定要選擇可以明顯看見應用層面的研究主題,基礎研究也是非常值得投入心力的領域。」

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旻諭_96
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大學主修生科,研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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2024 臺灣科普環島列車啟程 催生科學傳播新力量
PanSci_96
・2024/10/21 ・915字 ・閱讀時間約 1 分鐘

「2024 臺灣科普環島列車」今(21)日自臺北火車站啟程,沿著西部幹線南下,將於 10 月 21 日至 26 日搭載全臺 202 所國小學生,展開 6 天的科普環島之旅。前副總統陳建仁、國科會主委吳誠文、數位發展部部長黃彥男、交通部臺灣鐵路公司副總經理賴興隆,美、荷、法、德、英國等駐臺代表、9 家車廂參與單位代表及師生們均蒞臨開幕式。

高中生成為科學傳播新力量 助力全臺科普教育

吳主委表示,自 2016 年以來,已連續 9 年舉辦科普環島列車活動,持續推動科學教育。今年活動規模擴大,火車將在 6 天內行經 17 個縣市、32 個站點,提供超過 300 項科學實驗,讓全臺學童能從小接觸科學。

更值得一提的是,近年來國科會積極邀請全臺高中學生,透過科學培訓後上車擔任「車廂關主」,帶領國小學童玩科普;高中生們由「知識接收者」轉為「科學傳播者」的角色,不僅加深其擔任小老師的使命感,也提升科學傳播、知識轉譯及組織規劃能力。

今年有 391 位來自全臺 18 所高中的學生參與培訓,其中 162 位為女學生,突破科技領域的性別刻板印象,展現女性在科學界的力量。這些科普小老師們將於 10 月 21 日至 26 日帶著全臺各縣市、鄉鎮國小學童學習更多有趣的科學實驗,為科普教育展開多面向的正循環。

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2024 年的科普環島列車很不一樣! 全民一起上列車、長知識

「2024 年臺灣科普環島列車」停靠站點及時刻表

今年臺灣科普環島列車首度開放全民上車體驗,活動開放報名迅速額滿,共有360位民眾參加,8節車廂搭載不同科技主題的特色實驗,包含今年最發燒的 AI 人工智慧、半導體、衛星通訊、以及與我們生活息息相關的隔震減震知識,都設計在車廂的科學實驗活動中,讓參與活動的學生、民眾能獲得最新最熱的科技知識。各車廂活動由台灣默克集團、友達永續基金會、瑞健醫療、ASM 台灣先藝科技、國家地震工程研究中心、數位發展部、緯創資通、聯華電子科技文教基金會和上銀科技等單位規劃設計。

國科會特別感謝各參與單位的支持與合作,讓此次活動更豐富多元。科普列車活動期間,在全國各地火車站及周邊地區也同時舉辦科學市集,歡迎各地民眾經過火車站時不要錯過難得的科學體驗機會!

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量子科技即將走入生活?最有趣的科學知識傳播 QuBear 量子熊,來了!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/07/10 ・676字 ・閱讀時間約 1 分鐘

不知從什麼時候,「量子」取代了磁場、奈米,成了時興的名詞。特別是把量子與資訊兜在一起,無論是在科學或是科技上,都深具潛力。或許有一天,我們將打開以量子位元建構的量子電腦,透過量子演算法進行各種計算,並把資訊用量子傳輸的方式傳遞出去。

這樣的日子可能真的不遠了。

為了因應量子科技時代的來臨,行政院在 2022 年 3 月宣布成立「量子國家隊」,由 17 個產學研團隊組成,包含了通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用開發這三大領域。

「量子熊 QuBear」身為量子國家隊的推廣擔當,針對年輕世代學子,激發量子科學與科技的興趣與瞭解,將全力推動 Quantum PAY,以三大多元管道「Podcast、 Article、YouTube」進行知識傳播,內容類型含括播客、文章跟影音短片。量子熊 QuBear 除了打造線上平台,更製作多個 quantum PAY 學習模組,努力朝著建立量子熊的微學習平台,以及建構長遠的科學知識傳播生態圈的目標前進。

最後,你或許會好奇,量子熊的名字是怎麼來的?

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量子電腦的核心技術是量子位元 (qubit)。英文發音快一點,就跟 QuBear 有點相似,於是就裝個可愛,叫做量子熊啦!

記得看到量子熊時,幫忙按讚、訂閱,還有~開啟小鈴鐺~https://www.youtube.com/channel/UCkWM3vYaCd_VoPHQ1hrUdzA

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