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未來電腦一秒開機的黑科技就靠這個了!巨磁阻效應與電子自旋性是怎麼回事?

活躍星系核_96
・2020/03/26 ・3756字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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  • 文/朱嘉棟、李湘、江丞澤 │ 臺灣大學物理學系學生

如果你使用手機、平板、或是電腦閱讀這篇文章,那你正在享受 2007 年諾貝爾物理獎研究成果而來的甜美果實。

巨磁阻是什麼?先從磁阻談起

2007 年的諾貝爾物理獎頒予了法國的費爾與德國的葛林柏格,為了他們發現「巨磁阻效應」(giant magnetoresistance, GMR) 及其相關研究。

在巨磁阻的相關研究發表之前,科學家已知外加磁場會小幅影響材料的電阻率,也就是一般所謂的磁阻效應:「外來磁場所引起的電阻變化」。而「巨磁阻」顧名思義,即是在特定的材料下,此一電阻變化的現象更加顯著。

要解釋磁阻效應這樣的情況,先讓我們縮小到微觀尺度進行觀察:一塊施有外加磁場的導體,在通入電流下,導體內部漂移的電子會因勞倫茲力 註1改變其運動行為。

電流改變的狀況與磁場和電流間的角度有關:當電流方向與磁場平行時,電子漂移速度會較慢,即電阻增大;反之,當電流方向與磁場垂直時,漂移速度較快,即電阻減小。一般來說,電阻率在這種模式下的增減幅度約為 5%

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時間到了 1988 年,艾伯特.費爾與皮特.葛林柏格博士在各自的研究中發現了一種可以讓磁性材料產生非常大磁電阻變化的方法。他們發現,把具有鐵磁性註2的鐵沒有磁性的鉻重複堆疊,組成「鐵鉻多層膜結構」,這個多層結構在外加磁場下,每一層鐵的磁矩方向會發生變化,而電流中含有兩種不同的電子自旋方向,分別感受到不同大小的電阻,因而導致非常大的磁阻效應,其電阻變化幅度高達 50%,這也就是我們所知的巨磁阻效應

巨磁阻開創的全新領域:自旋電子學!

巨磁阻效應的發現具有重大意義,除了強大的應用性,它還開創了一個全新領域:自旋電子學 (spintronics)。

簡單來說,電子具有質量、電荷、自旋等等物理量,而人們可以利用這些物理量開發出各式各樣的電子元件。例如科學家就是利用電子帶電荷的特性,開發出了電晶體、二極體、積體電路等等,大幅增加了人類生活的便利性。

LED 就是發光二極體喔!圖/DaKub@Pixabay

而現在科學家們,在巨磁阻效應的發現與成功展示後,得以藉由電子的自旋特性開發出新一批的電子元件。

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電子自旋性到底是什麼?跟巨磁阻有什麼關係?

電子的自旋具有兩種方向:上與下。一般來說,這些電子在通過非磁性材料時是不可分辨的,也就是找到自旋向上或向下的電子的機率是一樣的,我們稱這個特性為「自旋不可分辨性」。

但當電子通過具有鐵磁性的材料時,如果材料內部具有自發性磁矩(編按:即材料已經具備了磁性),不同自旋方向的電子與材料內部磁矩會產生交互作用,就會有不同的表現,而我們可以利用這個特性將自旋不同方向的電子區分開來。

與自發磁矩平行的電子在傳導過程中較不會被散射,但與自發磁矩反平行的電子,則很容易與自發磁矩碰撞而散射。這個效應可以用一個實例來比喻:在跨年夜時順著人流行走,與逆著人流行走,速度將有顯著的差異。對應到磁性材料中,逆向人流將產生更多的擦撞(散射),進而使整體的輸運速度降低(高電阻)。

若把這個原理套用到 1988 年費爾與葛林柏格博士所提出的鐵鉻多層膜結構時,就可以解釋巨磁阻效應是怎麼發生的:每一層鐵的磁矩全部平行時,只有自旋方向與磁距相反的電子會被散射,而自旋方向相同的電子則容易通過。反之,當每一層鐵呈現交互反平行時,無論自旋向上或向下的電子都會被散射。

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這個結果反映在鐵鉻多層膜電阻的量測上,就會呈現極大的電阻變化率,這種模型稱為「電流雙通道模型」。

電流雙通道模型。FM(藍色)表示磁性材料,NM(橘色)表示非磁性材料,磁性材料中的箭頭表示磁化方向;Spin的箭頭表示通過電子的自旋方向;R(綠色)表示電阻值,綠色較小表示電阻值小,綠色較大表示電阻值大。圖片改作自 wiki commons Guillom。 CC BY-SA 3.0, 連結

如上圖所示,我們將一束電流拆成自旋向上與向下的電子,他們在通過磁化方向與自身相同的鐵性層時將體驗到小電阻 (r),反之通過相反磁化方向的磁性層時將體驗到大電阻 (R)。從巨觀的角度這裡的電阻有兩個並聯,而圖右的 Rr – rR 並聯相較於圖左的 rr – RR 並聯大得多,也就是右圖的磁化方向交叉出現,就會出現巨磁阻效應。

而時隔 30 年,美國華盛頓大學與香港的研究團隊發現了一種新穎的複合性材料,使巨磁阻效應能被更顯著放大。

他們改良 1988 年費爾等人的鐵鉻多層膜結構,藉由先進的奈米技術在兩層石墨烯中間插入一至多層的三碘化鉻薄膜,形成另一種多層膜材料。而由於 CrI3 分子內含較「鐵鉻多層膜結構」中的鉻層更大的磁矩,因此更容易操縱電子在其中的移動速率。

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新研究中將兩層石墨烯中間插入三碘化鉻薄膜,形成電阻變化率更大的多層膜材料。圖/Song et al, 2018

此一複合系統只需施加微量的磁場改變其中 CrI3 的磁化方向,便可出現出高達 19000% 的電阻變化率,與最初費爾等人的 50% 相比,提高了近 400 倍。

而此一大躍進,不僅使物理界為之振奮,也為科技界注入一劑強心針。

巨磁阻:我們生活中的科技應用

事實上,日常生活中所見的磁碟即是受惠於巨磁阻效應。

我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,是所謂的「磁記錄」。即是利用磁場感應的方式,探測或改變部分鐵磁性材料區域的磁矩方向,以達成記錄目的。

磁性材料中磁矩的分布通常是一區一區的,稱為「磁域」。在同一磁域中磁矩的排列方向都相同,但不同磁域的磁化方向可以不同,磁域的排列方向便可做為 1 或 0 的數位訊號。因此磁域密度大小,與讀寫入磁域方向的方法,將是決定磁儲存技術品質的關鍵。

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The inside of a computer hard drive
我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,即是所謂的「磁記錄」。圖片來源

巨磁阻效應最大的應用在於製作硬碟機的讀取頭。當讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時,其內多層薄膜的磁性層會與磁區發生交互作用,進而影響讀取頭內多層膜中的磁性層,呈現平行或反平行狀態,因而使得整個薄膜系統的電阻產生極大變化、影響通過電流的大小,由此讀取待測磁區的相關資訊。

巨磁阻讀取頭是利用磁區之間的磁場大小,來決定多層膜中的磁性層是否反轉;相較於原本依靠磁通量變化使讀取頭內線圈產生感應電流來判讀的方式,更能減少因電流雜訊所造成的誤判。除了更加準確,同時也更薄更省電。薄膜奈米級的厚度,以及讀取的精準度,大幅縮小了硬碟的體積,使新一代硬碟的容量得以大幅增加。

巨磁阻薄膜奈米級的厚度使新一代硬碟的容量大幅增加。

有了 MRAM,未來電腦手機開機只需一秒?

除了硬碟讀取頭的應用之外,巨磁阻效應在記憶體的進步也占有一席之地。

目前常用的記憶體 (RAM) 可分為兩類,一是揮發性記憶體,如動態隨機存取記憶體 (DRAM) 或靜態隨機存取記憶體 (SRAM);另一類則是非揮發性記憶體,如快閃記憶體。

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「揮發性」或「非揮發性」的區別,是指當某個元件儲存資料後,若外部電源關閉,在電源重新啟動時先前儲存的資料尚能保留住,則稱為非揮發性,若否,則稱為揮發性。

DRAM 與 SRAM 是電腦中最重要的兩種記憶體,它們的特性各異。DRAM 耗電量大且資料處理速度慢,優點是容量較大;而 SRAM 處理速度非常快,記憶密度卻小了很多。由於 DRAM 與 SRAM 都是揮發性記憶體,每當電腦啟動時,都須重新執行作業系統的載入動作,耗時甚多。若能使用非揮發性記憶體取代它們,便可實現隨開即用的便利。

但現有的非揮發性記憶體因處理速度緩慢,而且讀寫數次後便會失效,因此尚無法取代 DRAM 與 SRAM。

但若能應用巨磁電阻效應開發出磁阻式隨機存取記憶體 (MRAM),除了兼具非揮發性、省電、處理速度快,以及高度可重複讀寫特性之外,記憶密度也非常高。前面提及研究中,所發表的新穎材料亦讓人們看到 MRAM 愈趨耀眼的前途。

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如新材料能成功進入應用階段,將可望在不久之後取代現有的記憶體元件,成為新世代的記憶體。如台積電近年來即開始研發整合自家低漏電的電晶體與 MRAM,打造出利於物聯網的硬體環境。

未來技術成熟時,若能以 MRAM 成功取代目前電腦手機上的記憶體,不僅將大幅降低功耗,開機時間也將縮短至一秒以內,更多應用也會隨之而生。

未來技術成熟時,MRAM 甚至能開機時間縮短至一秒以內。圖/Pixabay@Pexels

總而言之,巨磁阻效應的重要性,會在未來的科技產品中慢慢浮現,而此次華盛頓大學與香港團隊對於巨磁阻薄膜的突破性發現,也在相關的科學與科技領域中,立下一新的里程碑。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

註解:

  1. 勞侖茲力 (Lorentz force):運動於電磁場的帶電粒子所感受到的作用力。
  2. 鐵磁性 (Ferromagnetism):又稱作強磁性,指的是材料在磁化後,仍能維持磁性的特性。常見如鐵在磁場中放置一段時間後,即使磁場消失仍能維持一定之磁性。
  1. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures
    Science 360 (6394), 1214-1218. DOI: 10.1126/science.aar4851 May 3, 2018
  2. 新一代記憶體發威 MRAM 開啟下一波儲存浪潮
  3. Giant Magnetoresistance: Basic Concepts, Microstructure, Magnetic Interactions and Applications. MDPI Sensors 2016, 16, 904 17 June 2016

(編按:增補作者與致謝資訊。2020/7/20)

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (3)
顯微觀點_96
・2025/03/13 ・3195字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

科學:一場每天進行的淘汰賽

在以錦標賽理論(tournament theory)運作的專門領域中,贏家獲得的獎勵將遠超出輸家,即使兩者的實際表現、累積貢獻僅有毫釐之差。就像奧運百米賽跑,0.005 秒決定了金牌與銀牌,只慢了 0.01 秒的第四名沒有資格出現在頒獎台。

諾貝爾獎、終身職制度、學術獎金、研究計畫的經費審核,也依照近乎贏者全拿的錦標賽理論運作。錦標賽制度在運動賽事中可以促進選手與隊伍不斷提高表現水準,但在科學領域呢?

諾貝爾獎作為額外的最高榮譽,嚴格維持其傳統限制(獎項最多由 3 人共享、僅頒發給在世者),許多傑出科學家成為遺珠,但這不阻礙他們在專業領域得到足以安心的資源,作出重要貢獻。

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2008 年,諾貝爾獎得主合照。左一為錢永健,左二為下村脩,左四為查菲。普拉修曾想像自己置身其中,並得到更光明的學術前途。Courtesy of Nobel Prize website.

但是,目標包含鼓勵尖端學術研究、探索重要問題的學術終身職制度與計畫審查系統,它們的錦標賽特質卻在普拉修身上呈現負面效果。

若說錦標賽模式的獎勵機制可以鼓勵科學家投入潛力豐厚的研究題材,以及努力實踐靈感的能力。那麼普拉修和查菲一樣,及早意識到能夠獨立發光的 GFP 是生物學研究的金礦,可以用來追蹤活體細胞中的基因與蛋白質表現。而且普拉修更早著手研究,優先踏上 GFP 基因轉殖的跑道。

「要是我們在普拉修完成 GFP 序列後馬上展開合作,他應該不需要離開伍茲霍爾。」
說起自己與普拉修在 1989 年到 1992 年之間的失聯,查菲如此猜測

查菲和錢永健之所以能夠找到普拉修,搶先實現 GFP 應用(當時有其他競爭團隊在研發細胞內的螢光標記),是因為當時網路快速發展,使美國國家醫學圖書館(NLM)的線上文獻查詢系統 Medline 在 1992 年進入大學圖書資訊系統,他們才能起身實踐靈感,唾手找到普拉修的最新研究。

就普拉修的運氣來說,網路卻發展得不夠快。在 1990 年代中期開始流行的電子郵件若早個幾年普及化,普拉修更可能維繫與查菲的合作,及時得到經費與GFP轉殖成果,並晉升終身職。

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當年普拉修的電話留言渺無回音,他以為查菲退出學術圈(查菲年輕時確實曾刻意遠離科學)。而查菲則猜測普拉修挫敗於GFP基因選殖,連個通知都沒有。在網路、電子郵件還不普及的 1990 年,要維持與合作者的聯繫需要付出更多心力與時間。通訊的困難與少許不足的人際積極性,導致兩年的延遲發表,讓普拉修耗盡研究經費與終身職的機會。

查菲的gfp線索筆記
查菲的 GFP 線索筆記,普拉修出現在右下區,線索的末端。他的前雇主科米爾、GFP 純化者下村脩(Shimomura)也出現在上方。查菲在回憶錄中說,這些線索引導他實現後來的成就。Courtesy of M. Chalfie

查菲團隊實現 GFP 基因轉殖的時候,實驗室裡甚至連一台螢光顯微鏡都還沒添購,他們必須和其他學者借用、排隊等候系所共用的共軛焦顯微鏡,才能觀察大腸桿菌與線蟲體內新生的螢光。後來,查菲多次要求顯微鏡供應商帶螢光顯微鏡來提供「試用」,團隊才得以更便利地檢驗轉殖成果。

GFP 的應用需求,大力刺激光學顯微技術的進展。它最早期的轉殖實驗成果,竟是由免費試用的螢光顯微鏡呈現。這聽起來是令人莞爾的科學史軼聞,但能夠靈活周轉的人脈、儀器,也是孤立的普拉修和著名大學教授查菲的學術資本落差之一。

透過改變訓練技巧與累積訓練量、最大化優勢、競賽當下的意志與觀察力,運動員偶有逆轉資本落差的機會,以黑馬之姿獲勝。但是在學術領域,研究題材的重要性與個人的才華、執行能力卻不像跑道上的衝刺秒數一樣清晰。

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「他們大可以把我從諾貝爾獎名單去掉,換上普拉修。」
查菲總是對媒體表示,普拉修的貢獻不可忽視

在科學這個由同儕評價定勝負的錦標賽中,多數科學家難以逆轉經費、人脈等資本差距,也很難讓不同領域的專家了解自己的研究重要性,只能努力支撐、累積資本,期待自己贏得經費與知名度的時刻。等待運氣與環境好轉的餘裕,得以截長補短的經濟與社會資本,卻正是學術領域錦標賽中多數年輕科學家所缺乏的。

落敗的運動員至少獲得在競賽中表現的機會,以及某個程度的肯定。論文發表日期稍微落後競爭對手的科學家,則連努力被看見的機會都非常稀少。

普拉修與諾貝爾化學獎失之交臂、鬱鬱不得志的職涯是段引人喟嘆的個人史,並非科學體系的挫敗。他只是科學錦標賽持續依照慣例淘汰的諸多優秀人才中,有幸被贏家們提及的一位。

比普拉修年輕一歲,學術晉升之路卻順暢許多的錢永健曾說,「下村脩和普拉修對 GFP 研究的貢獻是無可取代的。」而且在普拉修 1992 年發表 GFP 基因的純化與定序,並且樂意對任何人分享之後,

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「後面那些以研發 GFP 獲得榮譽的人,與其他人的不同可能只有些微的進度落差。」

錢永健在 2004 年至 2008 年之間,積極地建議諾貝爾獎委員會頒獎給下村脩與普拉修,但結果並非如此。

生命中的萬花筒 陳樂融
源自錢永健開發的多種螢光蛋白,形成 brainbow 技術。作品名:生命中的萬花筒,作者:陳樂融 Courtesy of Taiwan顯微攝影競賽

後續發展

普拉修從斯德哥爾摩回到亨茨維之後,受到包括國家公共廣播電台(National Public Radio)、《科學》期刊、亨茨維時報等美國媒體關注。但在訪談與報導的熱潮過後,普拉修依然坐困時薪 8.5 美元的豐田接駁車裏頭。

從諾貝爾頒獎典禮的輝煌榮譽,回到乏味、有時不受尊重的駕駛座上,失落的普拉修不敢相信自己依然找不到科學研發相關的工作。他喪氣地想,「經歷了這一切,我竟然還是沒有辦法回到科學領域。這中間一定出了什麼錯。」

在最憂鬱的那天,普拉修一度把接駁車停在路邊,撥號向亨茨維自殺防治熱線求助。過不多時,他在 2010 年找到科技研發的職位,2012 年他接受錢永健的提議,進入他的實驗團隊擔任研究員。重新在一個充滿支持與資源的環境投入科學研究,讓普拉修再度感到生活的動力與快樂。

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2016 年錢永健逝世,實驗團隊解散,而普拉修在前一年就已離開 UCSD,從此沒有留下任何公開痕跡。曾被自殺防治熱線的機械式留言激怒到啞然失笑,決定繼續活下去的普拉修今年已經 73 歲,科學錦標賽的勝負再也不能困擾他,但科學思考帶給他的樂趣或許能夠不斷更新。

Prasher In Ucsd
普拉修在錢永健實驗室的照片。讓他對人生更加滿意的不是體面的加州大學聖地牙哥分校制服,而是可以實現對科學的好奇與想像,並得到周遭的支持。Courtesy of San Diego Union Tribune

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缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (2)
顯微觀點_96
・2025/03/06 ・2645字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

科學遠見的現實基礎

儘管 GFP 基因定序研究在 1992 年受到查菲和錢永健重視,普拉修卻已經決定轉換跑道,停止在伍茲霍爾海洋研究所的苦悶掙扎。他向所內評審委員會提出中止審核,放棄晉升,並將在一年內離職。

延伸閱讀:缺席的普拉修,2008年諾貝爾化學獎第4位得主(1)

當普拉修把查菲和錢永健要求的 GFP 基因樣本送到,他一面感到終結的哀傷,一面認知到「不問報酬地把 GFP 基因交棒給其他人,是當下最合理的選擇。」尤其是像自己這樣使用公共經費進行研究的學者。

除了對社會的責任感,普拉修也意識到學術現實面,研究資源充沛的成功學者,更有機會實現GFP的潛力。在知名大學任教的查菲和錢永健已在各自領域中奠定名聲,更容易申請經費。而且他們可以用既有經費支應 GFP 轉殖實驗的開銷,不需要特意申請高門檻的 GFP 獨立經費,更不會落到像普拉修一樣,經費耗盡還慘澹經營 GFP 基因選殖一整年。

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此外,查菲和錢永健還有研究生和博士後研究員的充沛學術勞動力,而普拉修則總是獨力進行所有研究勞動。孤立、勞累而缺乏成就感,普拉修沒能成功以綠色螢光照亮細胞生理,也無法驅散他自己周遭的職業陰霾。

查菲能在 1992 年重新連繫上普拉修,是因為查菲向研究生尤斯克亨(Ghia Euskirchen)感嘆,普拉修從未回報 GFP 的基因選殖成果,或許是個難以成功的任務。

查菲與完成第一個線蟲螢光基因轉殖的四人團隊 1
查菲回憶錄中列出為 GFP 基因轉殖技術做出巨大貢獻的四人團隊,左上為普拉修,右上為尤斯克亨,下方兩位是接替尤斯克亨進行 GFP 轉殖實驗的技術人員。Courtesy of M. Chalfie

尤斯克亨當下便和查菲一起打開實驗室電腦,用剛安裝的線上論文資料庫 Medline 搜尋相關文獻。他們不可置信地在搜尋結果第一位看見普拉修的 GFP 基因選殖論文,接著飛奔到圖書館尋找實體期刊,在上面找到普拉修的電話,重新建立聯繫。

在查菲的指導下,尤斯克亨只花一個月就完成了大腸桿菌的 GFP 轉殖,成為第一個螢光轉殖生物的拍攝者。接著,查菲團隊順利地讓線蟲的神經細胞表現綠色螢光,證明 GFP 可以在不同生物體內獨立發光,無須其他來自水母的分子。微觀生物學的未來一片光明。

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199210.14 第一張螢光大腸桿菌照片
1992 年 10 月 14 日,尤斯克亨拍下第一張螢光大腸桿菌照片。當時查菲還沒準備好觀察成功轉殖的螢光樣本,尤斯克亨只好到以前待過的實驗室借用螢光顯微鏡。Courtesy of M. Chalfie

錢永健則是透過與同儕的討論,知道生命科學仍然缺乏合適的螢光標記蛋白,進而在 UCSD(加州大學聖地牙哥分校)新安裝的 Medline 資料庫上搜尋「綠色螢光蛋白」,驚訝地發現普拉修的論文摘要。和查菲一樣,錢永健衝進圖書館影印實體論文,並馬上連繫普拉修,比查菲更早確保 GFP 基因序列的樣本。

查菲團隊轉殖 GFP 的同時,錢永健團隊建構出多種 GFP 變異體,人類開始以不同螢光蛋白觀察細胞內部運作。兩個團隊的成果啟動了學術界和生技產業洪流般的關注與需求,錢永健團隊甚至設立了自動化的樣本供應網頁,只要填寫線上申請書,錢永健實驗室就會無償將螢光蛋白基因載體寄送到府。

值得一份晚餐,或是更多

接下來的十多年,GFP 相關蛋白照亮細胞內的奧秘,成為「生化研究的領航星」,並帶領研發者邁向諾貝爾化學獎。而捨棄 GFP 研究的普拉修,則像是失去指引一般,不僅沒能獲獎,更經歷了顛簸困頓的人生苦旅。

離開伍茲霍爾海洋研究所,普拉修在美國農業部轄下獲得分子生物學技師職位。在政府機構經歷職場摩擦、調職搬遷,使緊繃難熬的氣氛瀰漫普拉修全家之後,他前往亨茨維應徵 NASA 承包商的工程師職缺。在火箭城研發太空診斷器是讓普拉修覺得相對有趣的任務,經費短缺卻再次扼殺了他的期待。

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NASA 在 2006 年裁減生命科學研究經費,普拉修因此被裁員,轉而成為接駁車司機。他在駕駛座上友善健談,意外發現自己其實喜歡工作中和陌生人互動的部分。但是 8.5 美元的時薪讓他入不敷出,連他和查菲共享的 GFP 專利金都在幾年內消耗殆盡。

1994 F Science Gfpcover
1994 年 2 月 11 日發行的《科學》採用查菲團隊的 GFP 線蟲做為期刊封面,象徵螢光蛋白普照分子生物學的光明時代開端。此圖片也收錄在查菲的 GFP 回憶錄《點亮生命》(Lightung Up Life)中。相反的是,普拉修的生涯似乎始終不被綠色螢光照耀。Courtesy of M. Chalfie

儘管事業成果的對比相當符合美國媒體對「不公平」題材的嗜好,普拉修不曾在訪談間表現對查菲和錢永健的嫉妒。

2008 年 10 月 8 號早餐之前,普拉修聽到三位科學家因為 GFP 獲得諾貝爾化學獎,他若無其事地換上灰色制服前往公司開車。不過,上班前他打了通電話到當地電台,糾正他們對錢永健姓氏的發音。

查菲和錢永健在諾貝爾獎致詞與回憶錄中,不約而同地感謝普拉修的研究貢獻,錢永健更經常提供普拉修回到學術領域的工作機會。不願接受研究職位作為恩惠、從斯德哥爾摩回到亨茨維開接駁車的普拉修則笑說「如果他們來到亨茨維,該請我吃頓晚餐。」

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「他們總是有提到我的功勞,而且他們有傑出的科學事業,完成重大貢獻之後,繼續發展他們傑出的科學事業。」普拉修一向對媒體表示,查菲和錢永健是更值得諾貝爾獎的人選,而非中輟離開科學領域的自己。

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發源於 GFP,透過多種螢光蛋白混雜表現而成的 brainbow 技術,是研究生物修復傷口、更新組織時的重要工具。作者: Marco de Leon from Taiwan 顯微攝影競賽

但是,普拉修並非真正「離開」科學領域。他結束 GFP 研究後,不論在政府機構或私人企業,依然從事超過十年的科學相關工作,並作出實際貢獻。相對於逃離科學,他其實是被不理解 GFP 潛力的終身職審查委員會給排除,被迫離開「高賭注的尖端學術領域」(high-stakes academic science)。

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