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是毒還是藥? 源於南美洲毒蛇「矛頭蝮」的快速止血組織膠

羅夏_96
・2021/08/11 ・3740字 ・閱讀時間約 7 分鐘

講到有毒生物,總會讓人感到不寒而慄,畢竟毒素對人體造成的痛苦與傷害可不小。但毒和藥是一體兩面的,毒使用得當就能作為藥;藥用多也會變成毒。因此科學家們一直都對天然毒素有不少興趣,希望能從中開發出藥用價值。而近期發表在 Science Advances 上的研究,就從蛇毒中得到靈感,開發出一種新型的快速止血組織膠[1]

近期研究從蛇毒中得到靈感,開發出一種新型的快速止血組織膠。 圖 / pexels

組織膠的應用與瓶頸

傳統在處理撕裂傷或是手術傷口上,會使用縫合線或手術吻合器來關閉傷口以促進癒合。但不論哪種方法,都必須在組織上做穿刺。在傷口癒合後,也必須將縫合線或是手術釘給拆除。在縫合和拆除的過程中,都會給病患帶來疼痛。那有沒有能讓病患不經歷縫合和拆除的疼痛,又能有效關閉傷口的方法呢?有的,那就是「組織膠」。

組織膠是一種使用在皮膚與身體組織的黏著物質,它能提供傷口保持關閉所需的張力,以幫助傷口癒合。組織膠因不用縫合,不僅可以快速完成,也能減輕病患的疼痛。而使用組織膠的傷口,其癒合狀況和縫合一樣好。因此組織膠在這些年來,逐漸被醫學界用在傷口處理上[2]

組織膠有兩個種類:化學合成(chemical synthetic)和自然衍生物 (natural derived),下面分別介紹這兩類組織膠的優缺點。

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化學合成:這類組織膠會使用氰基丙烯酸酯(也就是俗稱的三秒膠)等化學合成物來關閉傷口。化學合成物的優點在於,它不僅能快速有效地黏合傷口,而且對外力有較高的抗性,能讓傷口處於穩定的關閉狀態,有利於傷口癒合。但其缺點在於,對人體有毒性。現已知氰基丙烯酸酯的降解會引發人體強烈的發炎反應。雖然後續研發出毒性較低的氰基丙烯酸酯延伸物,但對人體仍有一定的毒性。因此這類組織膠多用於戰場等緊急情況,正規醫療通常不會使用。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7d/Cyanoacrylate.png/1024px-Cyanoacrylate.png
氰基丙烯酸酯的化學式。圖 / 維基百科

自然衍生物:這類組織膠使用凝血酶和纖維蛋白原等在凝血反應中的天然物質。人體組織在受傷流血後,會啟動凝血反應。凝血反應的過程相當複雜,這邊我們只需要知道,凝血的最後步驟,就是透過凝血酶將纖維蛋白原轉化成纖維蛋白,捕捉血液中的血球細胞以形成血塊,封閉傷口並阻止流血[3]

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/Coagulation_in_vivo.png
凝血反應。圖 / 維基百科

而自然衍生物的組織膠,就是模仿凝血反應的最後步驟,藉由外加凝血酶和纖維蛋白原,在傷口處直接形成穩固的纖維凝塊來封閉傷口。這種通過組織膠形成的纖維凝塊不僅比一般血塊的產生速度更快,其強度也比正常血塊高。加上是使用自然產物,因此與人體相容性極高,不會有毒性疑慮,目前已廣泛使用於傷口處理上。

聽起來,似乎自然衍生物的組織膠已能替代手術縫合了。但其實不然,這類組織膠目前只適用於小規模出血的小傷口。為什麼呢?因為大量的出血會把組織膠給沖掉,同時大的傷口會不停的收縮,這也會讓組織膠脫落。另外在用組織膠處理大傷口時,很容易會讓組織膠進到血管中,而這會導致血管內形成血栓(這可是很致命的!)。因此面對大出血和大傷口,手術縫合依舊是較好的選項。

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雖然組織膠目前無法應對大出血和大傷口,但仍有不少科學家投入研究與改良。原因在於,在急救現場或戰場上,大量失血是導致傷患死亡的重要原因。但這些情況下所造成的傷口,很多無法用加壓法來止血,更不用說在這些場合,無法施行手術縫合來止血。因此不少科學家期望能研發出凝血時間快,且強度足夠的組織膠,來彌補加壓止血和手術縫合的不足。

而加拿大曼尼托巴大學和中國陸軍軍醫大學的聯合團隊,就受到蛇毒的啟發,研究出一種凝血速度和強度都遠超過往的組織膠[1]

蛇毒止血組織膠

引起研究人員興趣的毒蛇,是生活在南美洲的矛頭蝮(Bothrops atrox)。矛頭蝮是當地最毒的毒蛇之一,當牠們將毒液注射到獵物體內後,能造成迅速且強烈的凝血反應,這個反應強烈到會讓獵物的身體完全耗盡形成任何血塊的能力,最後因過度出血而死。而這個強力的凝血反應,是由毒液中的巴曲酶(batroxobin),這個功能是和凝血酶非常類似的酵素所引起的。會造成凝血反應的蛇毒有很多,那為何偏偏是巴曲酶被研究人員相中呢?原因有二,第一是巴曲酶的凝血速度比起其他蛇毒更快;第二是巴曲酶在血管內會自然降解,因此在血管內造成血栓的機率較小。

矛頭蝮(Bothrops atrox)。圖 / 維基百科

除了巴曲酶,研究人員也對一種新型的光反應明膠有興趣。光反應明膠在用紫外光激活後,才會開始進行凝血反應,這樣即使有部分明膠進入血管中,也不必擔心會形成血栓了。這種光反應明膠所形成的纖維凝塊,其強度比一般組織膠高很多,但由於它的凝血能力並不強,面對大出血的傷口,纖維凝塊很容易被沖掉。因此研究人員心想,如果將巴曲酶和光反應明膠結合起來,不就能得到一種凝血快、強度高又可靠光方便操作的新型組織膠嗎? 

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於是他們將巴曲酶加到光反應明膠中,並修改了激活明膠的光波長,改為一般的可見光(一般手電筒光即可)。如此不僅排除紫外光對傷口組織的傷害,也方便操作人員在戰場等複雜環境下使用。研究人員將這種混和巴曲酶和光反應明膠的組織膠稱為 HAD(hemostatic bioadhesive),並測試了 HAD 的各項數值。

在體外凝血測試中,一般凝血時間約為 5〜6 分鐘,HAD 的凝血時間約為 45 秒,而這個凝血時間比目前市售最好的組織膠(〜90 秒)還要快。而在纖維凝塊的強度和黏性上,HAD 所形成的凝塊,其各項數值都比市售組織膠高約 10 倍。這些體外實驗都顯示出 HAD 的止血潛力,但當你看到 HAD 在活體實驗中的止血效果,更會覺得它潛力無窮!

體外凝血時間,可看出 HAD 比市售組織膠(Fibrin glue)快。圖 / 參考資料1
纖維凝塊的強度 ( E ) 和黏性 ( H ) ,HAD 皆比市售組織膠強。圖 / 參考資料1

研究團隊接著用實驗小鼠來測試 HAD 的活體止血效果。HAD 在尾巴切除(和肝臟切口)的實驗中,都表現出優異的瞬間止血能力,並且也讓失血量分別降低了 78% 和 79%。

小鼠尾巴切除的止血測試示意與結果,可看出 HAD 的表現最好。圖/參考資料1

而在皮膚深層創口的實驗中,傷口上只需塗上 HAD,就能達到跟手術縫合一樣的傷口癒合效果。另外在主動脈破裂的情況下,HAD 也能快速有效地阻止出血,而其所產生的纖維凝塊的強度和黏性,甚至能抵抗動脈的血壓衝擊。

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小鼠的皮膚深層傷口癒合的示意與結果,可看出 HAD 能達到和手術縫合差不多的效果。圖/參考資料1

綜合以上的結果,HAD 確實是一種能快速止血與封閉傷口的組織膠,而且 HAD 所形成的纖維凝塊,不僅與傷口組織有良好的結合,其黏性和強度也足夠抵抗大量出血和外部沖洗。這些都顯示出 HAD 在臨床應用的巨大潛力。

研究團隊表示,希望未來能讓 HAD 成為急救包的標準配備,在戰場和急救現場上,做為拯救生命的重要工具。不過他們也表示,在達到這個目的之前,還有很多臨床試驗的工作要進行。

天然毒素做為藥物開發的寶庫

上面只是將天然毒素應用在醫療上的一個例子。事實上,天然毒素做為藥物開發的來源,可遠遠不只這例。例如有研究顯示,蜘蛛毒液能幫助心臟病患者[4]、蜂毒也能治療乳癌[5]。這些研究都顯示出,天然毒素是藥物開發的重要寶庫,其中仍有很多寶等著我們去挖掘[6]

然而,我們對大自然的肆意破壞,不僅讓這些有毒動物滅絕,牠們的毒液所潛藏的醫療價值,也隨著牠們的滅絕而消逝。而這無疑也扼殺了人類治療疾病的可能。

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  1. Guo Y, Wang Y, Zhao X, Li X, Wang Q, Zhong W, Mequanint K, Zhan R, Xing M, Luo G. Snake extract-laden hemostatic bioadhesive gel cross-linked by visible light. Sci Adv. 2021 Jul 14;7(29):eabf9635.
  2. Bioadhesive
  3. Coagulation
  4. Redd MA, Scheuer SE, Saez NJ, Yoshikawa Y, Chiu HS, Gao L, Hicks M, Villanueva JE, Joshi Y, Chow CY, Cuellar-Partida G, Peart JN, See Hoe LE, Chen X, Sun Y, Suen JY, Hatch RJ, Rollo B, Alzubaidi MAH, Maljevic S, Quaife-Ryan GA, Hudson JE, Porrello ER, White MY, Cordwell SJ, Fraser JF, Petrou S, Reichelt ME, Thomas WG, King GF, Macdonald PS, Palpant NJ. Therapeutic Inhibition of Acid Sensing Ion Channel 1a Recovers Heart Function After Ischemia-Reperfusion Injury. Circulation. 2021 Jul 15
  5. Duffy, C., Sorolla, A., Wang, E. et al. Honeybee venom and melittin suppress growth factor receptor activation in HER2-enriched and triple-negative breast cancer. npj Precis. Onc. 4, 24 (2020)
  6. Muttenthaler M, King GF, Adams DJ, Alewood PF. Trends in peptide drug discovery. Nat Rev Drug Discov. 2021 Apr;20(4):309-325
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 893 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

延伸閱讀選擇適合物鏡 解析鏡頭上的密碼

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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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