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

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《MIT 迷你潛艇是如何煉成的？》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜姚荏富

想到臺灣的「海洋文化」你會先聯想想到什麼呢？是海灘、衝浪、潛水，還是漁船、海鮮、跑船？有發覺幾乎都是「海上」的關鍵字嗎？但其實，海面下藏著許多常人難以探勘的資源，例如可作為替代能源的「可燃冰」、難以開採的「稀土礦」，抑或是深海生物觀測或是海底考古等等，都是極具發展潛力的水下事業。也因此，世界列強早已投入鉅資開發水下載具技術，期望從海底世界找到更多可能性。

而在王朝欽教授的領導下，由中山大學水下載具研發中心所開發的「第一代雙載水下載具（Two-person manned underwater vehicle, MUV）」，今年終於成功踏出指標性的一步！

從無到有打造水下載具，臺灣跨出第一步！

第一代雙載水下載具被媒體廣泛稱為「MIT 迷你潛艇」，但其實我們的「MIT 迷你潛艇」（MUV）和一般所認知的潛艇是截然不同的水下載人載具，「講的簡單一點，裡面有廁所的是一般熟知的潛艇，沒有廁所的叫做『迷你潛艇』，而我們這次做出來的是後者。」王朝欽教授指出，雖然與自造潛艇還有一段距離，「但臺灣目前能獨立製造 MUV，其實是非常不容易的事。」

臺灣原本就有海洋及造船相關科系，但只要牽涉到水下載具這類需要涉及跨領域整合的製造需求，通常都只能向外採購，開發的技術和工具都只能仰賴國外進口，成本相當高昂，如今我們可以自己從無到有做出一台載人水下載具，即使還不完美，但至少讓世界知道臺灣在海底領域已經跨出了關鍵的一步，「未來在海底世界我們不會缺席！」

「臺灣有造船的技術，但水上載具跟水下載具是完全不同的世界。」王朝欽教授表示，自 2018 到 2021 年，這台MUV從「構想」到「成功下海」可謂漫漫長路。由於製造經驗是零，光是畫設計圖就耗時一年。過程中團隊不斷向海外專業團隊及友人請益，是非常重要的經驗累積。

從無人「動力航行測試」到載人「固定深度航行」

今年 MUV 的研發已經進入中後段的測試與調整階段，中山大學水下載具研發中心已於 2021 年 1 月完成了在台南港的「無人動力航行測試」，並在此次測試中，完成了垂直、水平及下潛到水深 8 米的深度，接著上升回海面等等的動力航行測試。這也意味著，MUV 在水下的行動能力已經完備。

接著於 2021 年 9 月於高雄港完成更進階的「載人入艙」測試，除了測試載人後的艙體維生系統運作外，也完成了「固定深度航行」的機能測試；此次測試的成功，也代表著未來科研人員在艙內可以不用一直分心去控制載具的深度，能夠更順利的進行科研活動。不過王朝欽教授表示，台南港與高雄港算是比較平靜的水域，下個階段團隊將前往更真實、更多狀況的海域進行測試。

小琉球測試，從真實世界繼續經驗累積

在訪問的當下，王朝欽教授已經帶領團隊完成這次移師小琉球海域的「載人入艙實海測試」，並且很坦白的和我們分享測試第一天發生的問題：「下水不是每一次都成功，失敗的時候就要去知道發生什麼問題。」

而這次到小琉球的實驗，是先由艙外潛水員進行艙外控制操作，到達指定的深度後，進行海中的動力航行測試（垂直、水平航行以及定深航行）。考量到深度超過 50 米的海域海流比較強且難以預測、風險較高，所以選擇在深度 20 米以內的近海海域執行測試。

為了將 MUV 移至小琉球沿海的測試地點，首先必須先雇用拖船將 MUV 帶到定點，但由於搭載 MUV 的母船吃水較深，無法一口氣將 MUV 載至測試海域，因此還得另外租用中型船將艙體移至深度 20 米以內的近海海域。另再加上指揮船與戒護艇，光是單次的實海測試就足足出動了四條船。

王朝欽教授表示，在第一天的測試過程中就發生了動力失效的問題，但團隊事後也迅速找出了發生問題的原因，原來是外部的控制面板可能因為壓力差與結構問題產生裂痕後進水，進而影響到動力系統：「團隊在迅速調整後第二天就可以正常執行任務了。」

「工程就是這樣，我們設計時會考量許多因素，但現場執行肯定還是會有狀況，在測試中修正問題——就是工程的作法。對於這次的發現（指控制面板進水）其實也算是出乎意料，面板上的裂痕竟能造成這樣的結果。」然而，每次的失敗都是學習機會，失敗的經驗正是團隊累積成長的養分，而這次小琉球海域的實測狀況，正是打造MUV一路走來的真實寫照。

MUV 開發的最高守則——安全第一

談到在研發過程中必須克服的問題，王朝欽教授指出：「在海底可能什麼都看不到，不但艙體要設計防撞、操控面板也必須易於操作，通信系統得隨時暢通，而且一定要有備用電力設備。只要牽涉到水下，連零件工法錯誤都會造成極大風險，畢竟是要載人的載具，必須更加謹慎。」

王朝欽教授舉例，在今年 9 月高雄港的測試中，研發團隊發現艙蓋有滲水的問題，經過調查發現，原來是艙蓋中金屬交接處的橡膠環在製作工法的問題。原本團隊是採用像繩子「頭接尾」的成環方式，這種方式的接口就是滲水的原因，最後團隊將橡膠環更改為一體成形的環型結構，才解決了滲水問題。

除了載具硬體設計外，專業操作人員的訓練也非常重要，除了學習操作載具外，工程師與操作員還必須忍受待在密閉的小空間裡執行任務長達數小時，需要強韌的心理素質，「你能想像把自己關進一個鐵牢籠好幾個小時不出來嗎？我自己進去六七分鐘就快受不了了，這真的是要很有愛與決心才能辦到。」

為了讓操作員的身心狀況維持在健康狀態，研發團隊也必須考量到水下載具的舒適度與穩定度，因為光是濕度沒控制好，就可能會發生艇內起霧的現象，而這些變化都可能造成操作員的情緒波動，進而影響駕駛安全。

王朝欽教授表示，在開發與設計的過程中，人員的安全是最高指導原則，所以載具本體防護、通訊系統及逃生機制，都是水下載人載具設計時不可或缺的環節。

王朝欽教授和我們分享了 MUV 逃生系統的四層設計。最基礎的是「動力上浮系統」，藉由機身上的推進器將水下載具推往水面；第二層是「急速氣囊系統」，藉由讓氣囊快速充氣使 MUV 增加浮力浮上水面；第三層則是「快卸系統」，藉由把機身上的配重卸除，來幫助機體可以順利上浮。

但如果以上三者都失效，還有第四層逃生設計，當緊急狀態發生時，機體內的電力與維生裝置可以持續運作 72 小時，讓操作人員在海中等待救援。

不管做什麼，勇敢踏出第一步最重要！

當初王朝欽教授只是私下喜歡海上活動，專精 IC 設計的電機系教授，受到當時中山大學海科院院長王兆璋教授（現任國研院臺灣海洋科技研究中心主任），以及海下所陳信宏所長的邀請，便一腳跨入水下載具的開發計畫，「沒想到一走也走了三年多。」王朝欽教授表示，在這個計畫中大家都對海洋科研非常有愛，畢竟水下有人載具領域在資源有限的情況下，一路走來真的不容易。

他特別感謝中山大學鄭英耀校長的大力支持，沒有當初校長的支持，計畫不可能走到現在。另外王朝欽教授也非常感謝中信造船集團與韓育霖總經理，二話不說全力支援 MUV 的艙體製作，還有國研院臺灣海洋科技研究中心的勵進號全體船員的配合與支持海域實驗，「沒有大家的支持，就無法有現在的成果，所以除了感謝還是感謝。」

對於目前正在求學的莘莘學子，王朝欽教授建議要先找到自己有熱情的領域，以他目前從事的水下載具研發為例，需要跨領域整合各種技術，因此不是只有電機的人才能入行，「就看你要怎麼切入你有熱情的領域。」不過王朝欽教授強調，最重要還是擁有熱情，然後勇敢地踏出第一步，然後持續堅持下去。

王朝欽教授在訪談最後指出：「人活到最後通常會後悔的都是『沒做什麼』，而不是『做了什麼』，所以去尋找自己有熱情的事，是自我成就最關鍵的一件事。」

• 本文改寫自國立中山大學秘書室公共事務組新聞稿

面對疫情，如何消滅病毒無疑是這場戰役中重要的一環。除了歷史悠久的酒精、次氯酸、臭氧、紫外光等消毒方式之外，在這波疫情中，也衍生出了專門對抗 SARS-CoV-2（也稱新冠病毒）的方法。

中山大學醫學科技研究所副教授楊閎蔚研究團隊 利用蛋白質技術，成功製成了可以阻斷 SARS-coV2 以「氣膠形式」傳播的懸浮粒子，並將這種懸浮粒子命名為「奈米盾」（AirParma）。

目前中山大學已將技術授權給科研創業計畫衍生新創公司「臺灣納諾帕瑪股份有限公司」（NanoParma Biomedical） ，並進入量產、銷售階段。

氣膠為疫情重要的傳染途徑

「氣膠」是一種懸浮於空氣中的「微小液滴」或「顆粒物質」，人們平時講話、唱歌、咳嗽，甚至是呼吸時，就會釋放出許多大小在 5 微米以下的氣膠；而當 COVID-19 感染者進行這些呼氣動作時，病毒即可透過氣膠釋放到環境中。

根據目前為止各類研究證據，包括實地空氣採樣量測分析、流行病學統計、臨床及動物實驗以及氣動力學模擬等研究結果，WHO 在今年 4 月 30 日正式承認「氣膠傳播」也是 COVID-19 重要傳染途徑。

自疫情爆發以來，許多層出不窮的超級傳播者事件，都是以氣膠傳播為重要傳染途徑。因此，如何減少環境中的氣膠懸浮病毒傳播更是當務之急。

雖然市售的酒精噴霧、次氯酸水或者臭氧製造機等能夠對抗新冠病毒，但這些化學物質卻因容易造成黏膜刺激、皮膚刺激、甚至較為嚴重的過敏等不良反應，所以比較適合以噴灑擦拭的方式使用、無法長期分散於空間中累積有效濃度，於是也就限制了它們對抗空氣中病毒傳播的效力。

ACE2為病毒感染的重要關鍵

在這樣的狀況下，中山大學醫科所副教授楊閎蔚率領材光系許盈培、生醫所李南熺、龎浩翰 3 名博士生，組成跨系所研究團隊，以防空系統為發想藍本，成功利用重組蛋白質技術研發「奈米盾」懸浮粒子，與氣膠中的新冠病毒上的棘蛋白受體結合域（receptor binding domain, RBD）結合而使病毒沉降。

楊閎蔚副教授表示，奈米盾懸浮粒子經測試，能在 30 分鐘內結合空氣中 40% 至 60% 懸浮的新冠病毒粒子，使其無法與細胞上第二型血管收縮素轉換酶 （angiotensin converting enzyme II, ACE2）受體結合，來降低病毒在空氣中傳播的風險。

目前已知冠狀病毒表面的棘蛋白會與宿主細胞表面的 ACE2 結合，並藉此進入宿主細胞。因此，理論上能夠透過阻止 SARS-CoV-2的棘蛋白與 ACE2結合，便能抑制病毒進入宿主細胞，進而產生感染。《Science》也曾報導，不同人對於感染 SARS-CoV-2 的難易之所以會有差異，可能與 ACE2 的表現有關。

中山大學研發團隊強調，「除了社交距離、濾網、口罩等較為被動的防禦措施外，『奈米盾』防疫噴霧是更主動的防疫手段。」

「奈米盾」主要適合的應用場景，是機艙、車廂、室內密閉空間等環境，在飛航期間、防疫旅館、防疫專車、商務會議、餐廳飲食等高風險場域皆可派上用場，即時捕捉空氣中的新冠病毒。目前「奈米盾」已經進入量產、銷售階段，並將於近期加入防疫陣線，期待能作為防空飛彈，為新冠病毒防疫再下一城。

• 【科科愛看書之本月選書】軍隊最大的對手是誰？才不是那些顯而易見的持槍敵人，而是疲勞、噪音、酷熱、腹瀉、恐慌……等等你根本料想不到的邪惡角色。快跟著瑪莉羅曲那明快而幽默的腳步，一起深入軍營去見識那些《不為人知的敵人》，看看科學是如何用有趣的方法力抗各式另類殺手。本書為泛科學 2017 年 5 月選書。

找不到地方睡嗎？去睡在導彈旁邊吧！

導彈艙最近新增了不少床位。美國海軍潛艦田納西號下水後幾年，因為做了技術升級，需要增加水兵來操作伺服器。但問題是，沒有地方可以設置寢室床位。後來有人想到在兩枚核子飛彈之間有空位可以安置床鋪，於是這些熱騰騰的床位便誕生了。艦上的三叉戟二型飛彈的發射管四十五呎高，貫穿潛艦全部四層甲板，總共二十四座。這幾層的導彈艙是全艦最僻靜的地方，像是老舊大學圖書館的藏書架，安靜、隱密，可以躲進去補眠。

但是我現在講話這一刻卻不是這樣。「全部人員起床！」艦內對講機內的廣播，伴隨著又吵又持續的起床警報：砰！砰！砰！砰！像個討厭的小鬼拿著木棍在敲水壺一樣。

「模擬發射全部飛彈。」真這樣的話，要發射的飛彈可不少。三叉戟飛彈是多彈頭飛彈，每個彈頭都可以設定其目標，精準度──我聽過兩次人家這樣講──「可以擊中投手丘」。

美國海軍彈道飛彈潛艦艦隊總共有十四艘潛艦，是一股水下移動式核子武力，和陸地發射井中的飛彈，以及轟炸機上的飛彈，構成了美國戰略性嚇阻（strategic deterrence）的「 核子三合一 」（nuclear triad）。

這個「核子三合一」戰略性嚇阻所傳達的訊息是：「你瘋了才會用核彈打我，我們的核彈比你多，而且你也無法先發制人，因為你不知道我們的彈道飛彈潛艦在哪裡。」彈道飛彈潛艦可以躲在整個海洋的任何地方，艦上的核子反應爐可以產生動力，並且製水，永遠不必為了加油而浮出水面；糧食用罄之前，可以一直待在海底深處。

田納西號副長納珊．穆瑞（Nathan Murray）邀請我進飛彈艙看他進行演習。（我和一群未來的指揮官一起登艦做評估。）我們沿著艙壁通過一排床位；某些還用黑色聚合物的簾子遮住，看起來像 80 年代某些龐克俱樂部的洗手間。穆瑞指著一位年輕人的床位，他要和牆上的消防水管共享這個空間。他昨晚已被消防演習吵醒，現在又要演習。

一天到晚演習，想睡覺都沒辦法

美國海軍潛艦部隊（The Submarine Force）已經正式承認他們有官兵睡眠問題。

《部隊任務重點通報：船員休息問題特刊》（Force Operational Notes Newsletter: Special Crew Rest Edition）裡面便提到：「個人於海洋中的睡眠未獲保護，使得行政訓練、保養以及『迫切的』問題，常態性地縮短或打斷了人員的睡眠……。」田納西號的船員要做消防演習、進水演習、液壓破裂演習、氣壓破裂演習、人員落水演習、安全違反演習、魚雷發射演習等等，艦上做飛彈發射演習比某些人用牙線還來得頻繁。

一方面，你希望船員都訓練有素，你不想「打錯投手」。但是另一方面，你卻又希望訓練和演習不要這麼頻繁，弄到那些操作炸彈、反應爐的人員長期睡眠不足。

1949 年的潛艦作息時間表允許人員一天睡眠十小時。除了這種「長眠」之外，一半船員至少在一天之內還能小睡一次。但從 1954 開始，潛艦由柴油引擎逐漸改為核子動力。結果就是艦上要看守的部位多了起來，不再像以前只是看看溫度計或油量表而已。以田納西號來說，現在人員睡眠時間平均四小時。

此次登艦之前，我和睡眠研究專家葛瑞格．貝蘭奇上校（Colonel Greg Belenky）通過電話。他是位於史波肯的華盛頓州立大學（Washington State University, Spokane）睡眠與效能研究中心（Sleep and Performance Research Center）的創立人。

貝蘭奇很清楚人從一天睡八小時減為四、五小時後有什麼變化。他們的認知能力在幾天之內就開始下降，猶如從高原狀態衰退到一個無法運作的狀態。睡眠時間越少，智能衰退越嚴重，後來才能回升。

但是是哪種心智能力會衰退呢？是大部分。貝蘭奇說， 睡眠不足會使記憶力減退，維持思考、決策，整合情緒和理性的網絡弱化。「你是不是也有過那種碰到問題，但想不出該怎麼辦的時候？結果是不是你睡了一晚好覺之後，醒過來，啊，有了！這就是睡眠的功用。睡眠使大腦恢復正常功能。」

你是新來的？那睡覺時間再打個折吧！

在潛艦上，新兵的情況更慘。他們除了每天的工作和值更之外，還要準備「資格考」──潛艦版的律師資格考。六十幾題潛艦組件及系統的口試題，再加上本艦特有的──從操舵、到操作深度計，到排出衛生水櫃等等──各種任務實作。

蒸汽瀰漫的士官兵休息室裡，一名臉長長的水兵正在讀潛水液壓學。他說：「我曾經一個晚上只睡三個小時，隔天又完全沒睡。」（休息室裡水氣瀰漫， 又有人在打活屍末日〔zombie-apocalypse〕電玩，或是玩桌上足球機，實在不是讀書的好地方。或許因為我是個中年人才這麼想。）

水兵會告訴你他還好，但貝蘭奇知道其實不然。人一天睡眠不足四小時，他們就連復原都沒辦法。他們的智能會一直下滑，最後直達睡眠科學家想出的特殊詞彙才有辦法表達的低點，比如說「災難性代償失調」（catastrophic decompensation）就是其中之一。

「簡單地說就是，每天無法得到適當持續的睡眠，導致人員過於疲憊，在幾天內出現類似於酒醉的『不足』狀態。」《部隊任務重點通報》當中，這幾個句子在編排上被極度強調，又是黑體字，又是底下畫線，又是斜體字。

長期睡眠不足和酒醉一樣，會導致危險加倍；因為，這時人員連自身的損害都無法正確判斷。傑夫．戴克（Jeff Dyche）曾經在潛艦醫學研究實驗室擔任研究心理學家，現在則在詹姆斯．麥迪遜大學（James Maddison University）任職。

他告訴我說，有項研究顯示，人連續兩週每天睡眠六小時， 其認知能力會降低到等同於連續四十八小時未眠。長期每天睡六小時的人和整晚沒睡的人不一樣的地方是，他們不覺得需要小心。他們在長時間感到有些疲勞後，已經覺得那是正常狀態。戴克說： 「他們會說，『啊，我已經習慣了。』」這兩天我聽過很多人說這句話。

一名水手一面把垃圾推進業務用壓縮機裡面，一面說：「我一晚睡四個半小時；在二十四小時的週期內我覺得還好。」他不知道這個壓縮機要是壓到他的肉或手指，效率會和壓垃圾一樣好。

「我不睡覺我驕傲！」這種心態正確嗎？

穆瑞和潛艦艦長克里斯．包納（Chris Bohner）自告奮勇要在艦上實施一份新的值更表；其目的在於讓官休息得更好，為了他們的健康（近來認為睡眠不足和過重、高血壓、糖尿病與心臟病有關）及所有人的安全。這項任務並不容易。

穆瑞說：「為了弄清楚人的『休息』這回事，我花了相當多的時間。」他是個很受歡迎的領導者；不論舉止或是儀表，都是個值得信賴的人。你絕對不會看到他走路懶散、靠牆站立，或是站三七步，屁股歪一邊。他總是雙腳穩穩地站著，堅定如石，雙手放在腰際，偶爾摸一下理得很短的頭髮。他的髮際線在哪裡，就和潛艦在哪個緯度一樣，對我始終都是個謎。

問題在於總會有事情發生。有人進度落後，值更表就四分五裂。而本周的問題之一就是在下的造訪，小女子的到來讓每個人的工作都受到了干擾，因為組員必須花上四、五個小時，找一處海浪比較小的海域，好讓潛艦和我搭乘的船艦之間能搭上跳板。

海軍要處理官兵睡眠不足的問題，其挑戰有部分在於某些人對此引以為傲。我在潛艦醫學研究實驗室認識一位資深的潛艦艦長雷．吾爾利奇（Ray Woolrich）。他告訴我說：「陸戰隊員在酒吧會告訴你他們可以做多少下伏地挺身，飛行員會告訴你他們可以承受幾 G 重力，潛艦水兵會告訴你他們可以多少個小時不睡覺。」寧可累死，也不願被人說是「 愛睏狗 」（rack hound） 1 。

睡眠之戰，原來軍方一直抓錯重點

幾十年來，軍方的睡眠研究重點一直一成不變，偏重於怎樣讓官兵可以少睡，而不是怎樣讓官兵好好入眠。他們試行各種模擬狀況來測試飛行員、戰士和水兵，但是一直到近年，維護官兵的睡眠才成為國防部的優先政策。

現行陸軍政策（Current Army Policy）規定戰區內各級主管應擬定並實施一項睡眠管理計畫。（不過針對從伊拉克、阿富汗歸來官兵所做的一次小規模調查顯示，80% 的官兵都不知道有這項計畫。）照貝蘭奇所見，轉捩點在於陸軍野外演訓（Field Training Exercises，簡稱 FTXs）被延長的緣故。

這種大規模的模擬對抗，就等於是官兵在實務上的期末測驗。貝蘭奇說：「在某個階段，擬定教範的人認為，那些值得出兵的戰爭通常會持續一、兩週。所以他們就把野外演訓從三天延長到兩週。」在這之前，傳統是整個演訓期間都不睡覺，目的是要讓官兵「看起來有士氣，並得到好的評定。」他還記得，演訓期延長之後不久，他接到一個部隊指揮官的電話。

「他說：『我需要你給我藥理學的建議。我要我的手下能撐更久不睡覺。』」他以為那名指揮官說的「更久」是指兩、三天。「 我說：『你要他們多久不睡？』他說：『兩週。』實際上人們試圖想撐過去。」這無疑是一個生動且有趣的例子，清楚說明了睡眠對戰力表現的重要性。

將軍累了嗎？看他作戰就知道

歷史上也有同樣生動的實例。「石牆」．傑克森（“Stonewall” Jackson）是內戰期間南軍的將領。醫學史學家麥考威克（Philip Mackowiak）藉由比較目擊者和軍官的陳述，做出關於「石牆」．傑克森在南北戰爭一系列戰鬥之前，睡眠機會與戰力表現之間的關係。

他發現，若是戰事發生後前三天傑克森都沒有睡覺，這種情況下，他的領導百分之百被認定為「無方」（poor）。蓋恩斯磨坊戰役（Battle of Gaines’ Mill）之時，他的總參謀長描述他「自始至終完全地混亂。」麾下各旅不僅「表現失常」，他連他們的位置在哪裡都不知道。格蘭岱爾戰役（Battle of Glendale）時，他人「 如麻木般……無法深入思考或無法做費力的動作……心不在焉又毫無活力。 」瑪爾文山戰役（Battle of Malvern Hill）期間，他「一副旁觀者的樣子」。麥道威戰役（Battle of MacDowell）時，有人看到他在打嗑睡。

貝蘭奇告訴我，人每二十四小時不睡覺，就會喪失 25% 有效的心智能力。所以傑克森是以清醒狀態下 25% 的能力在率領手下衝鋒（或者根本沒有率領）。我盡量不去想田納西號輪機室一個叫派特森（Patterson）的人。他為了修電解造氧機，已經足足二十二小時沒有睡覺。電解造氧機是一台巨大的鐵殼分子分裂器，「基本就是氫彈，」──他興致高昂地說。

貝蘭奇要實驗受試者不睡覺的時間，最長是八十五小時──超過三天。他說，這大概是人的極限了，「這對任何人都沒有益處。」雖然有人宣稱自己可以一百小時，甚至兩百小時不睡，但由於他們的腦波未受到持續監測，因此難以確定他們沒有「斷續睡眠」（microsleep）。

人要是很累，會墜入第一階段短暫睡眠，眼睛開著，甚至看似手裡照常做著一樣的事。曾在飛機上睡過覺的人都知道，人入睡的時候是可維持肌張力（muscle tone）的；除非進入快速眼動睡眠期，肌肉才會放鬆。人如果在其晝夜循環的非正常時段入睡，會提前進入快速眼動期。如果你白天打瞌睡，嘴巴開開，頭還點個不停，那就要怪「 早發性眼動期 」（early-onset REM）。

既然一定要睡覺，那就用半個腦睡吧？

偶爾有報告說軍人──包括「 石牆 」．傑克森──會在夜間行軍時睡著。貝蘭奇說，當你夠累的時候，大腦似乎會暫時解離，也就是一半睡著、一半醒著。有些鳥類、海洋哺乳類都會這樣；海豚、海豹都可以單腦半球入睡，也就是腦只有一半入睡。這是因為另一半腦還要讓身體能游到海面上呼吸。鴨、鵝類成群趴在地上入睡時，外圍的鴨、鵝會睜著一隻眼睛，並保持對應的腦半球清醒，防備掠食者。

從軍方的觀點看，士兵要是能夠在行軍、游泳甚至索敵期間休息，這是最可取的；這完全符合以軍方未來觀點思考的國防先進研究計畫局（Defense Advanced Research Project Agency）其中一項目標：「要讓士兵最多一連七天，在不使用任何當代興奮劑的前提下，始終保持清醒、警覺、有效， 並且生理、心理能力不減退。」就是這個原因，所以你才會發現國防部有在贊助某些單腦半球睡眠基礎研究計畫。

如果科學能夠研究出鴨子是怎麼做的，或許就能用化學或手術方法──只有天曉得！──讓部隊如此。貝蘭奇輕蔑地說：「我們甚至不確定是什麼觸發全腦睡眠的。」

不過軍方單位並未就此不再幻想半腦睡眠。我曾經參加過北約組織的人類效能最佳化（Human Performance Optimization）論壇，其中一個議題就是要收集可用來將戰士能力最佳化的各種醫學技術， 其中包括「能夠提供超人體力」的義肢、利用眼球移植物使戰士具備紅外線及紫外線視力，再來就是胼胝體切開術（corpus callosotomy）──製造單腦半球睡眠及不中斷警戒。

現在的醫生有時候也會將病患兩個腦半球之間的連結切斷，以降低癲癇病患抽搐的次數。但病患的睡眠有因此同時改變嗎？南佛羅里達大學綜合性癲癇計畫（University of South Florida Comprehensive Epilepsy Program）主任賽林．班伯迪斯（Selim benbadis）說：「沒有」。他寫過一篇論文專論這種手術。他說，有部分嬰兒胼胝體發育不全，但是兩個腦半球卻能同時且正常地睡眠。

貝蘭奇認為國防先進研究計畫局把「有很多輕率的想法，認為是好的構想。」真的，他們真的是這樣。比如說，他們的想法裡面就有一樣是「以手術植入魚鰓。」

注釋：

1. 在軍中，每個人都有個友善的稱號，比如我就叫做「媒體穢物」（media puke）。

本文摘自《不為人知的敵人：科學家如何面對戰爭中的另類殺手》，八旗文化出版。本書為泛科學 2017 年 5 月選書。