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喜歡變化的我,如何在生技領域找到適合的位置?——《撕下標籤,成就最好的自己》

商周出版_96
・2021/06/03 ・4381字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者 / 丹尼爾‧古德曼
  • 譯者 / 許可欣

珍妮佛.帕克(Jennifer Park)

我小心地用鑷子操作放在組織培養箱裡的小管子,在管子中放了已經培養一週的膠原蛋白,膠原蛋白中養著幹細胞。所有東西都經過仔細的消毒——管子、管件和鑷子,下一步是把這個管子插入一個小箱子裡,希望裡面由脈動幫浦產生的規律「心跳」可以誘使細胞變成循環系統的平滑肌細胞。

一週後再檢查這項實驗,我已經可以聞到失敗的味道了。生長媒介散發出淡淡的雞湯味,配件周圍開始長出黴菌,某個煞費苦心的步驟裡,細菌入侵了。我不得不重新開始,把這個失敗、昂貴的實驗清理掉,並找到出錯的環節。一再而再重複。這就是我的研究所生活。

圖/Giphy

我喜歡變化,我喜歡到新的地方旅遊,嘗試新的食物,探索各種愛好。許多不同的事物都會引起我的興趣,所以多年來,我一直難以深入鑽研某一主題。我追求變化的欲望吸引我到麻省劍橋的塞爾文塔生技公司(Selventa),這家公司利用計算技術,使用系統生物學的方法來理解疾病和藥物的反應機制。

塞爾文塔的工作和我在研究所的生活大不相同——相較於專注於單一疾病,我學到的是許多疾病。我可以看到不同疾病間的機制趨勢,理解它們的差異。我覺得塞爾文塔的工作是有效率、廣泛且直接的——我們發展的藥物在未來幾年即可用來治療病患,而不是試圖了解未來某個時候可用在治療上的細胞功能。

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我也喜歡工作中的溝通,喜歡和不同的團隊合作,一起完成專案。我在塞爾文塔工作的時候,從個人貢獻者轉為研究總監,監督團隊合作和溝通。我最近加入另一個波士頓區的生技公司,在那裡我進一步進入管理層,成為業務發展總監。我在新的職位和客戶溝通,了解客戶及公司內部專案團隊的問題和目標,確保我們能滿足客戶的需求。我研究許多疾病,滿足了我對變化的渴望,我也繼續學習新的藥物、疾病和生物機制,這份工作有助於設計出真正有機會進入臨床的最佳療法。

科學和人文的早期學習

我在休士頓一個叫清湖(Clear Lake)的郊區長大,在很好的公立學校上學,父母都是太空總署的承包商,工作地點在詹森太空中心(Johnson Space Center)。父親在俄克拉荷馬州立大學取得電機工程博士,母親在費爾里.狄金生大學(Fairleigh Dickinson)攻讀英文碩士時認識了爸爸,但搬到休士頓後,她又在休士頓大學取得另一個電腦資訊系統碩士學位。

學習科學和人文知識對我們家來說,是成長的重要部分,我拿化學裝置做實驗,我爸會在我和妹妹上學途中提出數學問題,也會幫我們做科展的題目。透過我的母親,我也能接觸到藝術和音樂,她帶我們去聽古典音樂會,幫我們報名音樂和藝術課程。高中時,我參與了樂團,夢想自己能在紐約愛樂交響樂團(New York Philharmonic)演奏單簧管。

高中畢業時,兩大首選大學是柏克萊和康乃爾大學,我選了康乃爾,我想在美麗的郊區城鎮開創人生,而不是搬到已經有姐姐在那裡上大學的城市。在康乃爾,我修讀科學、工程、文學和音樂課程,我在管樂團和爵士樂隊演奏單簧管,心裡好奇當個音樂家會是什麼樣子的。我對自己的職業方向感到矛盾,但身為一個有務實教養的務實人,我選擇追求科學,這個選擇感覺比較穩定,也更有社會影響力。

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康乃爾大學。圖/Wikipedia

創造人生

康乃爾有個校外實習計畫,你可以在寒假期間跟著校友一起工作。因為我考慮之後從事醫學職業,我觀察到休士頓安德森癌症中心(MD Anderson Cancer Center)有名整型外科醫生會在病患移除腫瘤後重建他們的外型。我看到了病患諮詢和手術的過程,看著他們做出困難的決定,看著他們的結果,給我留下了深刻持久的印象。等回到康乃爾,我決定不當醫生了,我要做生物工程師,創造新的器官。

我有三次機會在康乃爾從事生物工程研究。第一個研究經驗是在大二後的暑假跟著賴瑞.沃克(Larry Walker)教授,我得以進入由國家科學基金會贊助的計畫,研究如何利用纖維素酶分解纖維素,以進行廢物處理。大三後的暑假,我在喬治亞理工學院(Georgia Tech)馬克.李文斯頓(Marc Levenston)博士的生物力學實驗室找到組織工程的研究機會,我在那裡學習細胞培養技術,利用不同的細胞外基質,從軟骨細胞裡培養類軟骨組織。在大四的時候,我被馬克.薩爾茨曼(Mark Saltzman)博士聘為大學部研究助理,協助進行牙科組織工程計畫,再次研究細胞和基質,創造組織替代物。

大四時,我花了很多時間在大學爵士樂隊演奏單簧管,幫助管理樂隊,同時練習單簧管、做研究還有上課。大四的最後,我發現一個親密的樂隊朋友,同時也是我的爵士老師要在秋天搬到舊金山灣區,所以我決定申請加州大學柏克萊分校就讀生物工程博士學位,我可以繼續研究組織工程,並和朋友兼爵士樂教授一起演奏音樂。在我心中仍存在一個可能性,我考慮當個音樂家,而不是生物工程師。

圖/Giphy

柏克萊是個研究生物工程的好地方;好幾個教授都在我感興趣的領域進行研究,我加入了法蘭克.索卡(Frank Szoka)博士的藥物運輸和基因治療實驗室。但因為我不確定要專注於哪個計畫,我認為自己需要更多的指導。所以也參加了李松(Song Li)博士的實驗室,李博士利用幹細胞和奈米纖維進行組織工程研究,他是一個新進教授,在實驗室裡還會親力親為,也有時間和學生在一起。後來我選擇李博士作為我的博士論文指導老師,成為他的第二名研究生。

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迷人的領域但乏味的實驗

在二○○一年,組織工程還是個新領域,希望能在實驗室培養出患病器官的生物替代品。幹細胞治療也是新的研究方向,它的願景是在適合的環境內,產生可以變成器官的細胞種類。我們的實驗室還紡出了由生物相容性材料組成的奈米纖維,作為細胞排列的支架,這在血管或神經的應用中非常重要。結合三個未來概念——組織工程、幹細胞和奈米纖維——我的研究論文似乎是劃時代又令人興奮的。我的博士論文聚焦於利用在機械力刺激分化幹細胞,創造血管組織,取代動脈粥樣硬化的血管。

雖然這項科學聽來很迷人,實際實驗卻很乏味,而且經常失敗。研究經驗中最棒的部分是分析資料,以及找出生物化學論文和顯微術影像的趨勢,從這項工作中,我知道自己偏好分析,而不是直接實驗。六年後,我完成了研究,發表了有關機械刺激誘發幹細胞分化成不同細胞種類的論文。

圖/Giphy

研究所畢業後,我決定進入業界,從事會發展最終產品的實用計畫,但我很難找到這樣一份工作。大多數開出的職位需要博士後或業界經驗,我最後在麻省伍斯特的生技新創公司找到工作。先進細胞科技(Advanced Cell Technology,ACT)想利用胚胎幹細胞製作血液細胞,這個領域和我在研究所的心血管專業相似。在ACT工作一年後,我發表有關從胚胎幹細胞中分化出紅血球的論文,然而,這家新創公司的財務狀況不佳,我決定離開。

更好的選擇

我在求職搜尋引擎(Monster.com)上找工作,教育程度設為博士,業界工作經驗為零到一年。在所有開放的職缺中,只有一個符合這些指標,塞爾文塔這家公司的職位看起真的很有趣——分子和計算生物學的分析工作,但不用進實驗室。這個計畫讓我可以學習多種疾病,公司從事系統生物學的開發,專注於大局,在多年辛勞的實驗室生活後,這真的很吸引我。工作地點在劍橋,那裡是麻省生技業的中心,搬到劍橋的話,想參加音樂活動或是結識志同道合的年輕人也比較容易。

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不過,這份工作要利用電腦程式進行計算生物學,這兩個領域我都不熟悉。但我在面試時,對方說那些技巧都可以在就職後學習,他們需要的是有強大分子生物學背景的人,他要能讀懂生醫研究的期刊論文的人,我有他們要求的背景,也喜歡那裡的人、那份工作,所以我以科學家的身份加入塞爾文塔。

在塞爾文塔,我們為多種炎症、腫瘤和代謝疾病(如潰瘍性結腸炎、肺癌和糖尿病)創建了計算藥物模型。電腦做出統計預測後,我們會檢查機制,確保在該疾病的生物學上是合理的,然後利用已知機制、新的機制和相關文獻建立網絡。

圖/Giphy

一開始進入塞爾文塔,我感到不知所措,我從未做這麼深入的分子生物學,身邊的人看來都聰明又博學,但我最終找到了方法,不再拿自己和同事比較,我開始領導專案和團隊,也和客戶有更多互動。我知道自己的優勢在於管理技巧,例如內部溝通及解釋專案結果、對客戶的影響等。我的專長不是想出新奇的科學創意,而是連結人與人,看到大局,利用我對科學的知識,以及對里程碑、時間表的實際理解,幫助團隊更有效率地完成目標。

在塞爾文塔工作七年後,我決定利用我在溝通、管理、大局理解的優點,尋找生技界的另一個職位。我在二○一六年離開塞爾文塔,到另一個波士頓區生技建模公司應用生物數學公司從事業務開發工作。

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在應用生物數學公司裡,我們利用數學模式,幫助製藥/生技公司更加理解他們的藥物,找出最佳特性和劑量方案。我們的分析可以在臨床試驗前模擬病患的結果,以加速藥物開發的過程,讓實驗能安排優先順序。我會見客戶,確保我們的專案團隊能符合客戶需求,並尋找新專案的機會。我還是得做一些科學研究,必須了解疾病和有效的藥物機制,但我的角色主要是溝通。在我的新工作中,我可以看到全局,學習藥物開發的各個階段,我喜歡這份工作,從協助加速新藥開發、嘉惠病患中獲得滿足感。

關於主角

珍妮佛.帕克是麻薩諸塞州林肯市應用生物數學公司的業務開發總監,她擁有康乃爾大學的生物工程學士學位,和加州大學柏克萊分校的生物工程博士學位。

——本書摘自《撕下標籤,成就最好的自己》,2021 年 3 月,商周出版
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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

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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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「牠」比人類更懂團隊合作?生存 3000 萬年的選址專家,蜜蜂用搖擺舞選擇完美家園——《跟達爾文學投資》
今周刊出版
・2024/12/07 ・2877字 ・閱讀時間約 5 分鐘

搖擺舞的祕密:蜜蜂如何用舞步傳遞築巢地點?

蜜蜂已經存續 3000 萬年。牠們經歷了多個冰河時代、數以千計的環境災難、大大小小源源不斷的掠食者,以及地球歷史上最具破壞性生物的到來:人類。

蜜蜂一生中最重要的決定,就是選擇牠們的家。我稱之為「決定」,因為這就是個決定:這似乎遵循一個過程,可能需要數小時甚至數天,而蜂群中的每隻蜜蜂似乎都有發言權。不同於進食、交配或戰鬥,對蜜蜂來說,選擇一個家,似乎是一個刻意又「深思熟慮」的過程。

蜜蜂是高度社會性的生物,生活在數以千計的蜂群中,彼此之間距離非常靠近。蜂巢裡通常有一個由工蜂餵養和保護的女王蜂,這些工蜂全都是不育的雌蜂 。一個蜂群通常在冬季結束時分裂成幾個蜂群(swarm)。每一個蜂群都需要找到一個新家來建造蜂巢,扶養工蜂幼蟲,並為下一個冬天建造儲藏蜂蜜的蜂房。

因此,當蜜蜂創造一個新的蜂群時,牠們最重要的任務是找到合適的築巢地點以建立蜂巢。牠們的家需要一個空腔體積,來容納足夠的蜂蜜以度過整個冬天。此外,入口需要離地面夠高,以防止地面上的掠食者瞄準蜜蜂。入口也應該很小,以確保隱蔽性和溫暖,以便蜂巢免受極端強風等惡劣天氣因素的影響。

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那麼,蜜蜂如何選擇建蜂巢的地方?牠們會跳舞。

假設各位決定研究蜜蜂如何選擇築巢地點,那麼將會觀察到這樣的情形。當來自母蜂群的蜜蜂分裂成一小群時,幾十名偵察員會朝向不同的方向飛去,查看方圓5公里內適合的築巢地點。當偵察員遇到一個吸引牠的地點時,牠會回到蜂群並表演搖擺舞,向姊妹們傳達該地點的距離、方向和品質(雄蜂是懶惰鬼,牠們不做任何事;牠們唯一的工作就是使女王受孕)。舞蹈的持續時間與到新地點的距離成正比,蜜蜂搖擺的角度代表牠們相對於太陽向外飛行的角度,搖擺的強度(舞蹈次數)表示新地點的品質。

由於偵察兵已經飛越了一大片區域,所以牠們會向蜂巢夥伴宣傳許多相距甚遠的地點。蜂群中的蜜蜂跟隨各種偵察員的腳步,檢查廣泛分散的地點,然後返回蜂群進行搖擺舞。

因此一開始,偵察員會宣傳幾個可能的築巢地點,似乎試圖將牠們的同伴招募到每個選定的地點,這看起來是一個相當混亂的場景。然而,幾個小時或幾天後,所有蜜蜂都開始跳舞,只支持一個地點。一旦達成共識,蜂群就會飛到選定的位置。但是,其實蜂群是沒有領袖的(女王蜂只是一部繁殖機器,完全依賴工蜂提供食物和福利)。因此,我們會得出一個(正確的)結論,築巢地點的選擇是由所有蜜蜂參與的民主過程完成的。

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一旦觀察到這種現象,各位可能會問以下一些問題:這種幾乎百分之百共識的民主過程,是如何運作的?

Close-up of one Bee on a sunflower

從混亂到共識:蜂群如何民主選擇完美地點

正如我之前提到的,蜜蜂需要選擇一個高品質的地點來確保牠們的生存。但不明顯的是,如果牠們可以有多個高品質的地點供選擇,牠們幾乎總會選出一個最好的地點。這些挑剔的蜜蜂不會接受「夠好」的選項。當科學家在蜜蜂的飛行範圍內,人為創造一些良好的築巢地點時,他們發現蜜蜂幾乎總是聚集在最好的地點。更令人驚訝的是,蜜蜂很少先找到最佳築巢地點;但一段時間過後,即使蜜蜂發現最佳地點的時間比其他稍差的地點晚得多,最終還是會達成共識選擇最佳地點。

研究人員已經證明,蜜蜂在評估築巢地點的品質方面有著絕對的標準。牠們搖擺舞的活力轉化為跳舞的次數,代表特定場地的品質。蜜蜂需要 15 分鐘到 1 小時來評估一個潛在的地點。牠會檢查空腔的外部,並花很多時間在裡面四處走動和短途飛行。如果蜜蜂在第一次檢查時發現築巢地點很理想,就會回到蜂群中,用搖擺舞來宣傳該地點。如果另一隻蜜蜂跟著牠來到這個地方,當這隻蜜蜂回到蜂群時,她會跳(持續時間和強度)幾乎完全相同的搖擺舞。蜜蜂有一個評估巢穴品質的通用標準。

所有蜜蜂在選擇築巢地點時,都有一致的興趣。牠們的共識是經過一段時間才建立的,因此,最後所有蜜蜂都只支持一個地點,而這幾乎總是最好的地點。但是,共識是如何達成的?

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最初,科學家們假設蜜蜂偵察員將舊巢的地點與新地點(其他跳舞的偵察員把牠找來新地點)進行比較。如果她發現新地點的品質比較高,就會不再支持舊的地點,並更積極地跳舞以表示對新地點的肯定,但事實證明這是錯的。大多數蜜蜂只會前往一個築巢地點,很少有蜜蜂會前往 2 個以上的地點。

Close up view of the working bees on honey cells

湯瑪斯.西利(Thomas Seeley)和其他人的艱苦研究揭示了建立共識過程背後的奧祕,只有兩個要素。首先,正如我們已經知道的,蜜蜂會為了一個品質更好的地點而跳更多舞;第二,蜂群中的蜜蜂會隨機跟著在跳舞的蜜蜂,以探索新的地點。

但是,這兩個簡單的行動如何導致對最佳地點近乎百分之百的共識?

簡單卻高效:蜜蜂如何以數學模型找到最佳家園

假設有3名偵察員,牠們評估 3 個可能的新築巢地點— A、B 和 C —品質各不相同。假設地點 A 是最好的,地點 C 是最差的。在評估了地點 A 之後,第一個偵察員返回蜂群並跳了 20 次舞。第二個偵察員評估地點 B 並跳了 10 次舞。最後,第三名偵察員在評估地點 C 後,只跳了 5 次。

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讓我們假設蜂群中有 100 隻蜜蜂在等待牠們的偵察姊妹回來。請記住,牠們會隨機跟隨任何一隻跳舞的蜜蜂,然後去探索令這隻蜜蜂興奮的地方。由於第一隻蜜蜂的舞蹈占了 57%(20 ÷ 35),因此蜂群中的 100 隻蜜蜂有 57 隻會跟著第一隻蜜蜂。按照同樣的邏輯,29 隻蜜蜂會去評估地點 B,只有 14 隻蜜蜂會評估地點C。當這 100 隻蜜蜂回到蜂群時,會發生什麼事?

來自地點 A 的 57 隻蜜蜂每隻跳 20 支舞=1140 支舞

來自地點 B 的 29 隻蜜蜂每隻跳10支舞=290 支舞

來自地點 C 的 14 隻蜜蜂每隻跳 5 支舞=70 支舞

因此,地點 A 現在貢獻了蜜蜂表演的舞蹈循環總數的 76%(1140÷1500),而第一輪為 57%。在下一輪中,蜜蜂隨機跟著任何一隻跳舞的姊妹。因此 76% 的等待蜜蜂會去探索地點 A。

如果這個過程繼續下去,就會發現對最佳地點 A 的應援將繼續暴增—在第三輪中,按照同樣的邏輯,對地點 A 的支持度將增加到 88% —直到幾乎所有蜜蜂都只支持地點 A 為止。

各位是否像我第一次讀到這個過程時一樣感到目瞪口呆?大家了解這是什麼情況嗎?蜜蜂要做出一個非常複雜且充滿挑戰的決定。但牠們卻利用一個非常簡單的過程:為一個更好的地點而更加努力地跳舞,並隨機跟著一隻跳舞的姊妹。

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——本文摘自《跟達爾文學投資:取經大自然,從物競天擇脫穎成為市場贏家!》,2024 年 10 月,今周刊出版,未經同意請勿轉載。

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為什麼不要對重聽的阿嬤大叫──不只是沒禮貌的問題
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2024/06/04 ・3173字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/張逸屏|雅文基金會聽語科學研究中心 主任/研究員

端午節時,幼兒園大班的晴晴跟著爸爸媽媽回阿嬤家過節,晴晴興奮地跟阿嬤分享前幾天在學校聽的故事「紅盒子裡的祕密」,但是,最近開始出現重聽情況的阿嬤,常常聽不清楚或聽錯,不是說「啥?什麼?」,不然就是把「驢子爺爺」聽成「吳爺爺」。於是,晴晴不自覺地愈講愈大聲,希望能讓阿嬤聽清楚,當阿嬤還是聽得霧煞煞,晴晴只好更大聲!最後,大聲到爸爸從廚房跑出來罵晴晴:「怎麼可以對阿嬤講話這麼大聲、太沒禮貌了!」晴晴委屈地哭了起來……

大家應該都有碰過被身旁的人提醒跟這位長者說話要大聲一點的經驗吧?根據世界衛生組織的數據[1],60 歲以上高齡人口中,約有 1/4 的人患有足以造成生活障礙的聽力損失(disabling hearing loss)。然而,說話大聲一點,真的可以讓重聽的年長者聽得比較清楚嗎?一般來說,嗓門特別小的人,或是原本用悄悄話的方式在說話,這時提高到一般音量應該會有用。然而,若是一般音量的情況下,大聲說話、甚至大吼大叫,其實是不怎麼管用,更可能會有反效果的[2]。這樣違反直覺的情況,是什麼緣故造成的呢?

圖一/大吼大叫往往不會讓重聽的人聽得更清楚(圖片來源:Pixabay)

大聲不是比較聽得清楚嗎?

一般直覺上會認為,既然重聽或有聽力損失,就是講大聲一點應該就能聽得到了,不是嗎?事實上,由於「語音組成」及「聽力損失特性」這兩大因素,會使得加大音量卻反而有聽不「清楚」語音的問題。

然而,在解釋上述兩大因素之前,必須先釐清聽得「到」不一定聽得「清楚」。大家應該都有這樣的經驗,在有噪音或距離較遠的情境下,例如在廚房洗碗時,家人在客廳說話,我們會聽「到」家人在說話的聲音、也可能聽到大致的內容或是部份內容,但卻沒辦法聽「清楚」完整的內容、或是有聽錯的情況。而重聽或聽力損失的情況也很類似,因為聽力損失有不同的程度,一般年長者的重聽不會是完全聽不到的情形,因此老人家常會說「我都有聽到啊!是你講話不清楚。」

語音組成:聲母和韻母

那麼,當音量變大、卻反而「聽不清楚」,到底是什麼原因造成的呢?一般來說,聽不清楚的通常是指語音當中的聲母(子音)無法被完整地傳遞與接收。回想一下,小時候在學注音符號時,拼音時寫在上面的就是聲母(子音)、下面的則是韻母(母音)。圖二以「沙」(/ㄕㄚ/)為例,可以看出子音/sh/(聲母/ㄕ/,但只有氣音的部份)的部份音量小,且集中在高頻帶,而母音/a/(韻母/ㄚ/)的部份則是音量大,且相對集中在較低頻的區塊。然而,當我們試著說大聲一點,也就是把音量放大時,無論我們怎麼嘗試,都只能放大母音部份的音量[3],子音部份的音量都還是很小。甚至,我們可以試試看只針對子音的部份(如/sh/, /s/, /t/等音)「大叫」,會發現根本沒有辦法做到。

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圖二/語音的組成分為聲母(子音)和韻母(母音)。以「ㄕㄚ」(/sha/)音為例,從上半部的聲音波形可看出,子音(/sh/)的音量(振幅)比母音(/a/)要小得多;下半部則是聲譜圖(spectrogram),縱軸代表頻率,子音(/sh/)的頻率成份集中在高頻帶(黑色集中在較上方),母音(/a/)則是低頻相對較多。

然而,在語音中音量較小的子音才是主要提供清晰度的來源[3,4],曾有研究發現,若將語音中子音主要所在的高頻帶(1000 Hz 以上)去除掉之後,語音清晰度只剩不到 40%;反之,若將母音主要所在的低頻帶(500 Hz 以下)去除,語音清晰度仍有 95%[4]。試試看,若將一句話當中的子音都省略掉,那麼「他今天去上班」就會變成「阿因煙玉ㄤˋ安」,會變得非常非常難以理解。

聽力損失的特性:高頻通常較嚴重

大多數老年性的聽力損失是屬於高頻聽損[5],也就是在較高頻率的部份比較聽不清楚。這個類型的聽損者,就常會有前面所提到的感受:「我都有聽到,但我就是聽不清楚、沒有辦法理解內容!」而如果本文一開始提到的晴晴,因為阿嬤聽不清楚而愈說愈大聲時,卻如同前述,語音當中只有阿嬤原本就聽得到的母音部份變大聲了,但應該是要帶來語音清晰度的子音卻沒有辦法同樣變大聲。即使說話者不斷把音量加大,原本是希望能讓對方聽清楚,豈料適得其反,讓子音和母音之間的音量差距更大,更加劇了不清晰的問題,造成了愈大聲反而愈聽不清楚的矛盾現象。

助聽器科技來幫忙:音量壓縮

那麼,要如何才能讓重聽的長輩,或是聽力損失者能夠聽得清楚呢?如果對生活溝通已經造成困擾,應該要尋求專業耳科醫師和聽力師的協助,嘗試配戴設定適當的助聽器。助聽器的功能不只是放大聲音,還具備了「音量壓縮」的科技[6],讓小聲的聲音放大較多、大聲音量的聲音放大少一些。若套上前述子音和母音相對音量的概念,那就是能讓較小聲、原本聽不清楚的子音變得清楚,提高語音的清晰度。不過,配戴助聽器會需要一段時間的適應,同時也需要和聽力師討論生活上聆聽的需求,才能找到最適合自己的設定。並不是到藥局隨意買一副助聽器,以為戴上就能解決聆聽的所有困難喔!

和聽損者談話的小撇步:正常音量、稍慢語速、發音清楚

除了配戴助聽器之外,溝通策略[1,7]的運用也很有幫助註1。從前面的解釋已經了解到,大吼大叫對聽損者理解語音不但沒有幫助,甚至會有反效果。所以在語音本身上面,可以調整的部份不在音量,而是速度和發音清楚。因此,用一般的音量、語速稍微放慢、發音清楚一點但保持自然,這幾個小撇步可以幫助聽損者聽清楚。同時也可試著換句話說,或是搭配手勢動作來幫助理解。

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其他還有一些策略,包括先取得聽損者的注意力,讓他知道您在跟他說話,避免環境噪音或多人同時說話,這些方法可讓聽損者專注在要聽取的語音訊息上,並減少干擾。此外,建議環境的光線要充足,並可稍微靠近聽損者、讓他能看清楚您的臉部,這麼做可讓聽損者獲取臉部表情和口形等線索,幫助解讀語音訊息的內容,即便聽損者不一定有練過讀唇,但口形線索確實會有幫助,您可以留意看看在很吵雜時,若能看到說話者的臉及口形(當對方沒有戴口罩)時,會比較容易聽清楚。

相信若是晴晴運用了上面所提到的這些溝通策略,不但可以快樂地跟阿嬤分享在學校發生的事,享受愉快的祖孫親情時光,也不會被爸爸罵對阿嬤沒禮貌了喔!

圖三/與聽損者談話時,除了正常音量、稍慢語速、發音清楚等小撇步以外,在光線充足的地方談話,讓聽損者能看到說話者的臉部表情和口型輔助語音接收,也是很好的策略。(圖片來源:Pixabay)

註1 :欲了解更多溝通策略,可參考雅文基金會「聽損溝通小學堂」和「微聽損網站-聽說策略」

  1. World Health Organization. (2024/02/02). Deafness and hearing loss. Retrieved from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/deafness-and-hearing-loss
  2. Painter, K. (2013/03/10). How to talk to a hearing impaired person? Don’t shout. USA TODAY. Retrieved from https://www.usatoday.com/story/news/nation/2013/03/10/talking-hearing-impaired/1965127/
  3. DPA Microphones. (2021/03/04). How to improve speech intelligibility when amplifying the voice. Retrieved from https://www.dpamicrophones.com/mic-university/how-to-improve-speech-intelligibility-when-amplifying-the-voice
  4. DPA Microphones. (2021/03/03). Facts about speech intelligibility. Retrieved from https://www.dpamicrophones.com/mic-university/facts-about-speech-intelligibility
  5. Victory, J. (2024/02/21). Understanding high-frequency hearing loss: This kind of hearing loss affects speech clarity. Retrieved from https://www.healthyhearing.com/report/52448-Understanding-high-frequency-hearing-loss
  6. 張逸屏(2022/01/07)。長輩常抱怨助聽器噪音大?——孝子們該認識的「音量壓縮」科技。泛科學。取自https://pansci.asia/archives/339307
  7. UCSF Health. (n.d.). Communicating with people with hearing loss. Retrieved from https://www.ucsfhealth.org/education/communicating-with-people-with-hearing-loss
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。