一般的馬達是利用電磁線圈感應的方式把能量換成動能，但是因為複雜的結構以及金屬構造的限制，在有些地方，例如單純的肌肉狀伸縮、生物相容，不需要潤滑或是想做的更微小化上會受限制。
很多的研究在尋找更簡單把電轉換成運動的方式，這影片介紹利用介電彈性體(dielectric elastomer)來作為旋轉馬達。在白色高分子膜的兩邊有可變形的碳電極，當有外加電壓的時候，因為加在電極上的電壓會造成電荷累積，讓兩電極相吸，然後介電彈性體經兩側電荷的壓縮而伸長，只要幾組不同的伸縮膜就可以造成有方向性的旋轉收縮來造成轉動(這影片的設計是利用像是機械手錶的單方向上彈簧-ratcheting-的方式)。這樣的高分子經由電而產生變形的技術還被用在很多的地方，例如直接做成人工肌肉、微流體晶片上的驅動裝置、或是手機上觸控螢幕的觸覺回饋膜等等。
本文原發表於科學影像Scimage[2011-04-25]
本文與 益福生醫 合作，泛科學企劃執行
昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。
要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。
然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。
在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。
然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！
長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。
面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。
在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。
科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。
在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。
然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。
最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。
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睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。
這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。
與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。
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編按：尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師，然而在他少年時期有次感染了霍亂，被醫生宣判可能回天乏術，特斯拉對父親說：「如果你同意讓我去唸工程科系，我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。
一年的身體調養期結束之後，我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻，在充裕獎學金的資助下，開始我的大學學業，我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜，我的學習底子優於一般學生。
進入大學之前，我已經學會多國語言，也啃讀了不同圖書館的藏書，多多少少汲取了有用的資訊。另外，這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀，所以畫圖再也不會成為我的困擾。
我立志要給父母親一個驚喜，所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷，連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度，我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束，我通過九科考試，教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。
我帶著這張獲得褒揚的成績單回家，在短暫休息過後，我滿心期待著能贏得父親的稱讚，但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候，我深感受傷，這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。
但是父親死後，我發現了一疊信件，全是學校教授寄來的，信上說除非父親把我帶離學校，否則我會因為用功過度而沒命，看完後，我悲痛難抑。
此後，我全神貫注在物理學、力學和數學上，閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情，一定會有始有終，因此常常給自己招來難題。
有一次，我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作，看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀，令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作！我下定決心一定要全部讀完，但當我放下最後一本伏爾泰的作品時，感到無比暢快，說：「結束了！」
我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞，也與他們建立起情誼。包括了：羅格納教授，教授算術和幾何學；包施爾教授，教授理論及實驗物理學；奧勒博士，教授積分，專長在積分方程式，這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展，經常會在下課後留一、二個小時給我，出題讓我解答，我很樂意接受這樣的安排。
我跟他解釋我的飛行器構想，這項發明是建立在合理的科學原理上，不是天馬行空的幻想，我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真，很快就會展現在世人眼前。
羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者：羅格納教授的自我表達方式很奇特，每次都會引起一陣騷動，然後是一段長長的沉默和尷尬；包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人，他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳，但他的實驗都被精準無誤的執行，展現如鎖芯般精密的高超精準技巧，沒有一點閃失。
在校第二年，學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ，它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵，以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後，這部機器展現了各種不同的電流效應。
包施爾教授在示範時，把它當作馬達在操作，結果電刷出現故障，火花亂竄，我在一旁觀察發現：沒有這些裝置，馬達仍有可能運轉。
包施爾教授宣稱不可能，並且請我就這個主題上臺報告，他最後在做總結時如此說道：「特斯拉先生也許會有了不起的成就，但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力，猶如把重力轉變成旋轉力，這是一個永動機的概念，不可能成功。」
但是，直覺超越知識，當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候，無疑的，我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。
有一段時間，我迫於教授的權威而猶疑不定，但是我很快就相信自己是對的，然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心，擁抱這個不可能的任務。
首先，我在心中勾勒出一部直流電發電機，使之啟動運轉後，緊盯觀察電樞電流的變化。然後，我會另外想像一部交流電發電機，觀察在相同情況下其運作過程。接下來，我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統，並用各種方式測試其運作情況。
我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實，具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題，直到離校前依舊毫無斬獲，我差一點就要舉白旗投降，宣判這個問題無解。
「電動車」使用者一直跟行動不便的身障者、從菜市場滿載而歸的老人，或在觀光景點悠閒環湖的遊客劃上等號，只是現在，這種刻版印象應該要改觀了！
有鑑於其緩慢的速度，電動車長期被框架在既定使用模式下，但就在今年夏天，出現了一台不同於以往、甚至可以說是直攻痛處的智慧型電動車－Gogoro。究竟它是如何破解「魔咒」？這台挑戰限制的前驅者，其創新便是來自於它動能的靈魂──馬達：
馬達（又稱為電動機）是一種將電能轉化成機械能、再以機械能產生動能來驅動裝置的電氣設備。那馬達是如何運轉的呢？這要來談談「電」與「磁」之間的微妙關係，如果將指北針放在導線附近並通上電，就會觀察到指針有明顯的偏轉現象，這表示當導線中有電流通過時，其周圍會產生磁場（指受磁力所影響的場域範圍）。當通電的導線放置於以固定磁鐵產生的磁場內時，利用電流磁效應可使導線移動，若電流方向不變就會產生連續的轉動，因而產生動能。透過下圖的示意圖可以理解如何從磁場和電流方向，利用「右手開掌定則」來判斷受力方向。
知道馬達如何轉動後，該如何讓它的動力提高呢？這取決於「電磁鐵」磁場的強度，那電磁鐵又是什麼？電磁鐵便是以通電來產生磁力的裝置，從「右手安培定則」可以知道，當直流電通過螺旋狀的導體時會產生具有方向性的磁場，若在螺旋線圈中加入磁性物質（如鐵芯），此磁性物質便會被磁化且達到加強磁場的效果。一般來說，磁場的強度和電流大小、線圈匝數和磁性物質的材質有關，電流越強、線圈匝數越多，磁場就會越強，動力也會提高。
和一般市面上現有的電動車相較，Gogoro 的馬達產生的動力較高，但體積卻相較小上許多，這顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法，其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。為了解密其中的技術，泛科學專訪了 Gogoro 研究團隊，團隊表示 Gogoro 的馬達原以電腦先行模擬、運算出銅線編織結構，再請經驗老道的師傅手工纏繞，但以普通方法並無法在預期的體積內完成此纏繞模式，「這不是科學上的創新，而是技術上的挑戰。」Gogoro 產品管理經理王光祖語帶堅定的說。Gogoro 研發團隊將整顆馬達模組化、切割成 12 等分，並在每等分上以自動化技術用更密集的方式堆疊銅線，「就像小時候玩四驅車一樣，要想辦法在一顆馬達上繞上越多銅線越好。」再以串接技術連接起所有銅線，組裝、固定成完整的馬達。
馬達在產生動能的過程中也會產生熱能，這時候冷卻系統就很重要了，冷卻系統能夠幫助動力系統在運作過程中達到熱平衡，不讓零件因過熱而損耗，尤其 Gogoro 在馬達體積縮小、維持高功率情況下，會達到更高的發熱密度。Gogoro 採用高效率的水冷系統，藉由冷卻液在水流道中循環帶走熱能，再經由散熱器的鰭片和外界的空氣進行熱能交換，以維持冷卻液的溫度。比起傳統水冷系統，這款水冷系統以模組化設計的散熱器配合車體空氣流道，來取代耗電的風扇與過長的水管，讓體積變小、質量更輕，不但提高整體的能源使用效率、導風效果更好，精簡零件避免了維修的風險，模組化設計也易於拆解、清洗。
除了動力系統本身以外，傳動系統和懸吊系統的配合也會影響馬達的功率輸出。比起需要維持扭力輸出而使變速系統損耗較大的汽油引擎，電動車的馬達只需要通電就能全扭力運轉，而 Gogoro 更是使用了輕量、高張力的碳纖維複合材質傳動皮帶，以及體積小、動力輸出平穩、效率更高的行星齒輪作為減速裝置。且不同於一般電動車將馬達置於後輪附近以利於驅動，Gogoro 則是將馬達置於車架中間，使後輪在行駛過程中所產生的跳動不會影響馬達構造，維持良好的壽命表現。
根據截自今年8月的統計，台灣的機車數量是約1,400萬輛左右，其中電動車約有3萬輛；每年各家機車廠商賣出約80萬輛燃油機車，電動機車卻不到9千輛。台灣交通環境下，一般人通勤還是以成本和功能為選擇考量，然而 Gogoro 不以車商角度自居，以自行開發設計、台灣製造和智慧化系統為賣點進軍電動機車市場。Gogoro 特製馬達的確給了電動機車彪悍的能耐，但是否能夠帶著 Gogoro 衝破現在環境、價格和使用習慣等挑戰，甚至往「行動能源」、「大數據」等願景前進，是值得關注的下一步。
參考資料：
peggysha
Amber Wu
shuyun-sylvia
