從零打造「MIT迷你潛艇」——專訪中山大學水下載具研發中心主任王朝欽

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 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

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。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

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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重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

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。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《水下載具的新星——仿生魚的設計與未來應用》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜吳謹安

地球地表有 70% 被水體所覆蓋，但湛藍水面下的廣袤區域卻鮮少有人類踏足，水中的壓力、密度與溫度變化更構成許多潛在危險。而水下載具便提供相對安全的方式協助人類進行水下活動，早期遙控式水下載具（Remotely operated Vehicles，ROV）主要執行「粗工」類型的工業活動，母船以纜線供電並傳輸資訊給載具，對操作靈活度、節能的要求較低。直到近年水下載具逐漸被賦予水下探勘、調研等任務，在大範圍移動前提下，開始發展無纜線的自主式水下載具（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）。但AUV在海中移動同樣會受到操作靈活性的挑戰，並且缺少纜線供電使得節能也成為一大難題。

針對水下載具的限制，臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授便指出，若能研發出仿生魚，模仿在水中長期演化的魚類的力學系統—即仿生型自主式水下載具（Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle，BAUV）。將有助於克服現行水下載具在海中所遭遇的節能與操作限制。

一般水下載具面對的挑戰：靈活度與節能

一般 AUV 以剛性機體搭配螺槳作為驅動，在活動時會受到許多挑戰與限制—(1) 靈活度：螺槳驅動的載具無法做到靈巧的迴旋，而淺水層或近岸水流通常較為強勁，更不利於剛性高的 AUV 活動。(2) 螺槳潛在故障風險：海洋垃圾與水生植物可能捲入螺槳導致故障。(3) 能源使用效率：螺槳驅動載具過於耗能，使得載具活動時間受限無法長期在水下獨立作業。

郭教授也提到，BAUV 吸引人之處在於近岸作業時非常好用。一般 AUV 受限於環境與自身結構的限制，在近岸作業時常綁手綁腳。相較之下，BAUV 柔軟的身軀可以在狹小空間內迴旋自己的身體，並且透過擺動尾鰭、胸鰭或是排水等方式推進，沒有螺槳捲入水草與垃圾的問題。

不過，BAUV 在設計上也需要考慮諸多因素。例如，BAUV 通常以連桿原理驅動鰭片擺動，需要考慮零件彈力係數多少、擺動幅度才能接近魚鰭的擺動。此外，生物學家甚至嘗試發展人工肌肉，利用改變材料的溫度或壓力，達成材料的膨脹收縮，進而模仿肌肉纖維的伸長與縮短。但相較電動馬達，人工肌肉目前提供的力量輸出較小、速度不夠快，只適用於小型載具。而且軟性人工肌肉如何承受海底高壓也須進一步研究。

郭教授提到中國浙江大學發表於 Nature 期刊的研究，便參考深海獅子魚（hadal snailfish）的身體結構，捨棄堅硬的抗壓外殼，改以柔軟的矽氧樹脂等聚合物包裹電子零件，並有著一對大而薄的翅膀規律擺動提供動力，最終成功地在馬里亞納海溝 10000 公尺深的海底游動。

作業環境大不同：淺海與深海作業的挑戰

如同魚類適應其生活環境演化出不同型態，在淺海與深海作業的 BAUV 外型設計也有不同。淺海因為有較為強勁的海流波動， BAUV 通常接近流線型，能因應海流借力使力、做出高速的迴旋動作。郭教授以溪流中的魚類為例，在溪流中常可以看到魚類緊貼在石頭後方游動。原理便是利用水流經過石頭後形成的反向渦流，幫助牠們不費力地在流動的溪流中保持在固定位置。

反之，深海水流較小，主要的問題是密度躍層（Pycnocline）、通訊與環境偵測：

(1) 密度躍層：海水密度受溫度、鹽度與深度影響，通常密度會隨水深增加而變大，直到一定深度後，深度的影響降低。此時，密度主要受溫度與鹽度影響增加，有時會突然形成一道密度劇烈增加的水層，便稱為密度躍層。若 BAUV 無法改變自身密度，可能因浮力太大無法突破向下潛入。相反的，也可能無法有足夠的浮力向上浮出水面。

(2) 與水面的通訊：深海作業的 BAUV 與母船間可能相隔有數公里厚的水層阻斷電磁波傳遞，使得資訊聯繫變得更加不易。儘管仍可利用通訊聲納與水面聯繫，但同樣面臨電力的限制。郭教授也提到或許載具不需要頻繁地與水面聯繫，以比目魚為例，比目魚身形扁平且長期在海底，幾乎與海底融為一體。教授指出若能設計一種 BAUV 模仿比目魚，不主動探測水面有甚麼，而是被動的接收資料與訊號，節省探測消耗的能量。直到接收到特定訊息，才啟動運動機制做出回應。另外，也可以在 BAUV 活動的範圍設置具有電磁感應接頭的海底電纜，BAUV 只要貼在電纜上便可以直接傳輸訊息與充電，更為方便與節能。

(3) 辨識周遭環境與導航：在深海無光環境中，BAUV 需要依靠聲納或是磁力感測周圍環境，但如何自主導航與定位仍是一大挑戰。因此，郭教授提到魚類在水中成群活動時，並不是依靠視覺追蹤前方的領游者，而是利用身上的體側線感測周圍流場的壓力變化，進而達成追蹤。教授近期的研究便模仿參考魚類體側線的原理使 BAUV 能夠追蹤前方的領游者。

神奇的設計讓仿生魚能自主追蹤其他魚類：模仿魚類的體側線

深海大部分魚類雖然視覺已經退化，但在掠食者靠近時仍然能快速地閃避。而淺海常可見到魚群快速地變換，形成螺旋等幾何圖案。這些行為部分仰賴的便是魚身上的體側線細胞，以纖毛感測水流加速度與壓力梯度變化，進而辨別周遭環境的變化。

近年，研究者們也嘗試模仿魚類體側線原理讓 BAUV 得以感知並與周遭環境互動。體側線的模仿可利用微晶片技術，搭配類似纖毛的感測元件達成。另一種則是現成的壓力感測器，以壓電材料將壓力變化轉為電壓。以此原理透過排列於 BAUV 體表的壓力計陣列感測，並反推出壓力源頭加以分析是否遭遇地形障礙，或有其他移動的物體正在靠近。

近期研究中，郭教授的團隊也以模仿魚類體側線的方式，透過側線的排列與偵測方程式的推算可以得出前方壓力源位置的方式，協助 BAUV 追蹤前方的領游者。結果發現當領游者位於 BAUV 前方一定角度扇形區域內時，對於領游者（壓力源）的跟隨與定位最為準確，這項發現也與現實中魚類追蹤行為的統計數據一致。

不過，郭教授也提到體側線感測原理的限制，一般魚群群游時個體如此緊密相鄰，部分可能肇因於體側線有效感測的距離限制，其感測的水壓變化頻率較低、無法遠距離傳遞。因此若要使用水壓做導航，必須與相鄰的魚群靠得非常近。

未來展望

提到 BAUV 未來的發展目標，郭教授說，BAUV 在近海、淺水等水流強勁的區域能達成傳統 AUV 所做不到的操作，並能克服螺槳驅動載具的風險。甚至能利用海流或旋渦的水流「借力使力」，以較少的能量運作。除了近海作業，BAUV 也被看好能應用於海底探勘，節能的優點使 BAUV 能大範圍的蒐集資料，高度的靈活性也能幫助其閃避障礙物，研究結果可以應用於民生與國防用途。

例如，郭教授本次受訪前便剛結束黑潮發電的海上調研工作，未來若能以 BAUV 調查海洋渦流與季節、地域等變因間的關聯，更能有利於研究者以及政府做出有效率的決策。

參考資料

• 仿生魚雛形製作與試驗驗證
• 潛入未知的深海世界：仿生機械魚「Nemo」 與鋼鐵魚「Iron Fish」—《科學築夢大現場》
• 機器人專題報導（二）： 實地跟訪–探索海底兩萬里祕境–水下機器人
• 船的形形色色：海洋偵測大隊
• 自主式水下載具利用壓力感測定位追蹤領導仿生魚
• 哈佛大學的機器魚學會智慧協作，集體「游」上《Science Robotics》封面