神啊！請給我一台「聽得見」的 3D 列印機！——找回聽力的 3D 列印應用

本文轉載自食藥好文網

• 撰文／雅文兒童聽語文教基金會 黃上維、張晏銘 聽力師

聽覺是兒童接觸外在聲音世界、學習口語語言的基礎，聽得到且聽得清楚，孩子的語言及認知表現才有機會適齡發展，因此一旦確認有聽力損失，就有助聽器的使用需求。不過，當醫生判斷孩子有聽力損失後，父母心中都想知道：有沒有吃藥、手術或其它方式，來治療聽力問題？又或是戴上助聽器後，就能讓孩子的聽力恢復嗎？要解答這兩個問題，我們必須先了解聲音的傳遞方式。

我們如何聽見聲音？

耳朵是接收聲音的管道，分成外耳、中耳、內耳，隨後透過聽覺神經將聲音訊號傳遞至大腦解讀，任何一個區域出了差錯就有可能造成聽力損失。

外耳及中耳問題會造成「傳導性聽損」，例如：小耳症、耳道閉鎖、中耳積水、聽小骨硬化或斷裂等；這類聽損有醫療治癒的機會，但若治療的時機未到或期程過久，仍將耽誤孩童的聽語學習，因此可能需要階段性使用助聽器。內耳及聽神經問題會造成「感覺神經性聽損」，例如：毛細胞損傷、基因遺傳導致的細胞功能變異、神經細小等；這類聽損至今仍不可逆，也占先天性聽損的多數，需要終生使用助聽器或其它聽覺輔具。

助聽器的技術發展與時俱進

「工欲善其事，必先利其器。」要讓受損的耳朵重拾聽覺，要先了解助聽器的來歷。 助聽器顧名思義是幫助聽力的器具，如果說任何能把聲音有效傳進耳內的工具都是助聽器，那 17 世紀所誕生像漏斗、號角般的「耳朵喇叭（Ear trumpet）」就開啟了助聽器的時代篇章 ^[2]。不過這樣單純依靠聲學作放大的音量勢必有限，18 世紀末出現了以碳形成磁場，能有效提高音量的「碳助聽器」，同時引進不同頻率的聽力損失應有不同放大量的概念，隨後更歷經以「真空管」提供電力、以「電晶體」減少耗電及縮小外觀尺寸的時代。

到了 19 世紀末，助聽器開始「數位化」處理，與過往類比式不同，數位式助聽器在麥克風收音時，便將聲音轉成 0/1 的數位訊號，透過處理器分析、過濾和放大這些聲音，以此達成方向性接收語音、降低噪音、消除回饋音（漏音）等功能，最後再把 0/1 的數位訊號解碼化回聲波，傳遞至耳朵內。

助聽器可以像近視眼鏡一戴就好？

多數情況下，戴助聽器跟戴眼鏡不一樣，無法一戴就好，原因除了助聽器硬體的外部限制，如麥克風收音的品質與距離影響，人耳的生理也有內部限制。對少數「傳導性聽損」者而言，聽力損失相對單純，只要聲音的「音量」被放大還原，克服了外耳或中耳的阻礙，就能有正常的聆聽潛力，然而多數「感覺神經性聽損」者，損失的不單是音量，尚有對高低音「頻率」的差異分辨，如此當說話語音與環境噪音的頻率太過相近時，大腦很難將語音從噪音中抽離；以及對聲音「時間序列」的解析力降低，因為大聲音（或比較重的音節）會遮蔽緊跟其前後的小聲音，加上生活中的語音及噪音忽大忽小，大腦很難在交錯的聲音中鎖定目標語音 ^[3]。

以視覺做比擬，音量損失就像字體變小了，語音變得不易看見；頻率解析度下降就像字形變模糊了，讓本來就看起來相仿的字變得更混淆；而時間序列解析度下降就像比較大的字會凸顯而掩蓋前後比較小的字，或字跟字會有重疊情形，讓整句話變得不完整。

現代助聽器有許多進階功能，如頻率降轉技術 ^[4]、噪音消除技術，能協助濾化聲音，幫助聽損者更好接收到目標音，但無法從本質上根治感覺神經性聽損敏銳度低的問題，因此助聽器是以矯正聽力損失、利用殘餘聽力為目的，有賴後續聽能復健訓練以最大化助聽器的使用成效。

「最好」的助聽器是「最合適」自己孩子的助聽器

國內經衛生福利部核准的助聽器醫療器材超過 180 種，各家廠牌的設計訴求不一，若家長在為孩子選購助聽器時陷入苦思，不妨先依序檢視下述原則：

一、選擇：助聽器的種類與適用對象

• 整理／雅文兒童聽語文教基金會

二、配置：助聽器的規格與使用需求

聽損者的聽力在不同聲音頻率間，多有不同的感知受損程度，助聽器要達成分頻率地矯正，有賴於可調整的「壓縮頻道」，頻道數的多寡也常反應在助聽器的等級與價格，但越多的壓縮頻道不一定會聽得越好。對於聽力圖屬於平坦型，即高低頻的聽損程度相近者，擁有 6 個壓縮頻道就足以達成理想的語音辨識清晰度；對於聽力圖屬於極陡降型，即高低頻聽力可能橫跨輕度至重度聽損範圍的人，提高壓縮頻道至 18 個才有改善語音聆聽清晰度的顯著意義 ^[5]。此外要留意，若您的孩子適用政府輔具費用補助資格，壓縮頻道在 6 個以上就能符合〈身心障礙者輔具費用補助基準表－進階型助聽器〉的頻道數要求，該「進階型」的意義與市面上廠商所定義「入門款、基本款、高階款」等不相同。

接著，承前述助聽器與人耳的限制，助聽器需要與「無線傳輸系統」相容，不論是搭配各助聽器廠牌自有的藍牙麥克風，亦或是搭配現今教育部針對聽覺障礙學生提供之遠端麥克風系統（舊稱調頻系統）^[6]，才能讓孩子在具有複雜聲音環境的學習場域聽得清楚，克服與老師間的距離、周遭的噪音回音等影響，減輕長時聆聽的疲勞。

三、驗證：確認助聽器的使用效果

因為兒童還無法完善表達自身需求，要確認使用助聽器效果時，除了家長的日常觀察，下述的客觀檢測不可少，包含「聲場矯正後聽力圖」用以確認孩子最小可以接收到的音量有無改善；「語詞辨識測驗」用以確認孩子在不同聆聽情境（如安靜環境下的遠距離說話音量、及吵雜環境下的一般說話音量）皆能聽得清楚；「真耳或耦合器量測」用以確認助聽器的處方公式設定與輸出音量相符，並確認最大輸出音量，避免過度擴音造成傷害。「聲電分析」用以確認助聽器的效能（如增益量、內部噪音量、聲音失真率等）隨時間可能衰減後是否仍在容忍值。

然而，不同聽損程度或助聽器的配戴經驗會影響驗證的細節，因此在購買助聽器之前，記得向聽力師了解這些檢測的理想目標、同樣能達成目標的其它選項有何差異、目標未達成時可努力的方向，以此兼顧助聽器的購買成本及使用效果。

和戴上助聽器同樣重要的下一步

看起來助聽科技很厲害，但別忘了，助聽器不是治療聽損的萬靈丹，聽覺大腦的路徑具有神經可塑性，需要透過正確配戴輔具，來增進聽損者對聲音的感知 ^[7]。對語言及認知能力還在發展階段的兒童來說，養成全日配戴的習慣、培養良好的傾聽技巧 ^[8]、學習聲音與意義的連結，是擁有適齡發展的要素。此外，你可以想像即便是聽力正常人，在聆聽環境複雜的時候，不總能聽得如此清晰，也需要依靠上下文解讀、請他人重述，或轉換環境做聆聽等，因此，「聽能復健訓練」是從建立核心的聽能技巧開始，擴展到語言及認知能力的促進，再到有效溝通策略的練習，是最佳化輔具成效所不可或缺的步驟。

參考資料

• [1] 馬英娟（2016）：淺談聽覺系統。載於林桂如（主編），以家庭為中心的聽覺障礙早期療育——聽覺口語法理論與實務（265-282頁）。新北市：心理。
• [3] 劉殿楨等譯（2019）。聽覺輔具，第 1 章。台北市：華騰文化。(Harvey Dillon, 2012)
• [5] Jason Galster & Elizabeth A. Galster.(2011).The Value of Increasing the Number of Channels and Bands in a Hearing Aid. AUDIOLOGYONLINE. Retrieved from https://www.audiologyonline.com/articles/value-increasing-number-channels-and-826.
• [7] Karawani, H., Jenkins, K., & Anderson, S. (2022). Neural Plasticity Induced by Hearing Aid Use. Frontiers in aging neuroscience, 14, 884917.

延伸閱讀

• [2] 楊又臻（2018）。助聽器是尊貴的象徵？從聲學椅到聲學拐杖，為了聽清楚的怪招式還真多。
• [4] 張逸屏（2022）。高音唱不上去可以降 KEY，高頻聽不清楚可以……？──談助聽器降頻技術。
• [6] 林淑芬（2022）。教室聆聽小幫手—遠端麥克風系統。
• [8] 楊琮慧（2020）。有聽沒有到，為何學會「傾聽」這麼重要？

「那無疑是我從沒嚐過的味道」，論文的第一兼通訊作者 Jonathan David Blutinger 回想起初期的失敗，委婉地承認：「其實不難吃，只是與眾不同。我們畢竟不是米其林大廚。」^[1]所幸皇天不負苦心人，在多次修正後，美國哥倫比亞大學的團隊，終於做出原料一樣，但是不再坍塌的蛋糕，並於 2023 年 3 月的《npj 食品科學》（npj Science of Food）期刊上分享食譜。^[2]

3D 列印蛋糕的食譜

研究團隊的終極目標，是希望將來任何人均能用簡單的軟體烹飪，3D 列印再雷射加熱，創造經濟、健康且美味的餐點。他們選擇的食材相當普遍，全部都從美國紐約的 Appletree Market 超商購買。^[2]

材料

Skippy 花生醬、J.M. Smucker 草莓果醬、Nutella 榛果巧克力醬、Betty Crocker 糖霜、Krasdale櫻桃淋醬、拿叉子搗爛的香蕉泥；以及用食物調理機攪 2 分鐘製成的全麥餅乾糊（8 塊全麥餅乾、2 湯匙的牛油和 4 茶匙的水）。^[2]

步驟

（1）冷藏材料，使其變得濃稠，以穩定結構。^[2]

（2）把各種材料灌入分別的 7 支針筒（30ml；14 gauge）。^[2]

（3）將針筒裝進特製的 3D 食物印表機。^[2]

（4）把壓克力餐盤擺在 3D 印表機下，盛接針筒擠出的條狀物。其直徑約 1.5 毫米，會逐漸累積出蛋糕的半成品。^[2]

（5）論文有寫到運用藍光和紅外線，為蛋糕加熱。不過，實驗方法的段落，僅提及 3D 印表機附設的藍光雷射二極體（blue laser diode），也就是下圖中黑色的長方體。^[2]

從上面的影片，可見早期幾個版本的蛋糕，非常容易崩垮。^[2]研究團隊於是依據物質受力變形時，展現的黏性和彈性特質，即黏彈性（viscoelasticity），將食材分為「結構」與「填料」兩類，並在軟體中改變設計：^{[2, 3]}用結構性強的全麥餅乾糊，作為蛋糕各層的形狀基礎，又以花生醬和榛果巧克力醬輔助支撐，再填入其他相對柔軟的原料。最後，他們調整 3D 印表機的針筒高度，並減緩列印的速度。如此擠出來的流體，尾端便不會蜷曲。能避免繩捲效應（coiling effect或rope-coil effect），破壞蛋糕表面的平整。要不然有時會出現本文開頭的圖組中，最末一塊蛋糕那種毛躁的外貌。^[2]

3D 列印食品的推廣

目前 3D 列印食物尚未普及，此蛋糕的成形有如曇花一現。這一方面是基於科技新穎，懂得操作的人還少；另方面則因為這種印表機索價不菲，不是誰都玩得起。如果要商業化，研究團隊認為得採取 Gillette 刮鬍刀和 Nespresso 咖啡機的經營模式：壓低主要產品本身的價格，後續再從耗材獲利。換句話說，廠商賣出廉價的 3D 食物印表機，之後消費者就會以零買或長期訂購的模式，購買列印用的食譜和食物匣。食物匣的內容物，發展空間多元。除了碎肉和花生醬等泥狀物；也能推出醬油、橄欖油等液體；食鹽與胡椒之類的顆粒；還有百里香或香芹這類碎片等，任何可食用的東西。^[2]

此外，在薄利多銷和產品開發的同時，也要提升大眾的接受度。偏好天然食材，或是不信任食品產業，都是對 3D 食物列印存有疑慮的原因。研究團隊提出的解方，是宣傳它的好處，例如：精準調配營養，不浪費材料；降低能源耗損；以及客製化的食譜等。^[2]當然，似乎也就避而不談犧牲纖維質，以求列印順暢等問題。^[1]總之，他們描繪出科技烹飪的美好願景，並且排除萬難，要讓飲食邁向全新時代。倘若有天上述的市場成熟，產品賣相比論文中的蛋糕誘人，您會願意品嚐嗎？

致謝

特別感謝許凱勝先生協助確認技術細節。

參考資料

1. Sample I. (22 MAR 2023) ‘Have your cake and print it: the 3D culinary revolution is coming’. The Guardian.
2. Blutinger, J.D., Cooper, C.C., Karthik, S. et al. (2023) ‘The future of software-controlled cooking’. npj Science of Food, 7, 6.
3. Gan H, LAM Y. (2008). ‘Viscoelasticity’. In: Li, D. (eds) Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics. Springer, Boston, MA.

以往病媒蚊研究中，人類志願者及受試動物，得犧牲小我以造福蒼生。活生生地，讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在，美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子；將來或許還能改為填充蛋白質營養液。^[1]從此以後，科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭，慷慨地對蚊子說：「你們大家拿去喝，這一杯就是我的血，新而永久的盟約之血，將為你們和眾人傾流，以赦免罪惡。」^[2]

餵食蚊子的水凝膠

1944 年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET（中譯「待乙妥」或「敵避」），在二戰期間被美軍用來驅蚊。^[3]之後各種防蚊成份的研究過程，仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展，開發替代品的時機逐漸成熟。理想上，餵食蚊子的水凝膠製品，要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本，以及較少的動物實驗倫理問題。此外，最好還能搭配一組攝影器材，與相應的數據運算模型。^[1]

2023 年 2 月，美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》（Frontiers Bioengineering and Biotechnology）期刊上，介紹他們一體成形的嘗試成果。^[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥，要先調配麵糊，烘烤定型，才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟，是製作稍後能注入血液，或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、明膠甲基丙烯（GelMA）、甘油（glycerol）、LAP 光敏劑與檸檬黃食用色素（tartrazine），混合在一起。^[1]透過數位光源處理（digital light processing），使原料遇光固化，將內有曲折空管的水凝膠薄片，3D 列印出來。^{[1, 4]}每批產出3份水凝膠，費時約 23 分鐘。^[1]

接著，成形的水凝膠，被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水（phosphate buffered saline），浸泡至少 2 天。這段期間內，多餘的色素會不斷流出，所以要勤換水，直到水質清淨。上述從頭到尾的程序，一旦商業量產，成本即可降低。如果在無菌環境中製造，還能冷藏儲存數月。^[1]

注入液體

再來，就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了雞、羊和牛，已經去除凝血功能的研究級脫纖血（defibrinated blood）。^{[1, 5]}依照要進行的實驗，將這些血液或是其他液體，裝進針筒。接著，用注射泵浦（syringe pump）和管路，將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率，推進水凝膠裡。此實驗過程中，一支針筒透過管路，最多連接 6 份水凝膠。^[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠，分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡，引進 20 至 30 隻母蚊子，當作主要的觀察對象。^[1]由於母蚊子吸血是為了產卵，所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪，來促進其食慾。^{[1, 6]}攝影機全程對準水凝膠，記錄蚊子的活動，時間總長約 30 至 45 分鐘。^[1]基於個別實驗的目的，方法設計上稍有差別：

1. 餵食觀察：使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子，調整溫度與設備，替換蚊子的品種，並優化攝影機的紀錄。簡單講，就是做不同的嘗試，為後面的實驗打好基礎。^[1]
2. 食物選擇：為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，三種「口味」的水凝膠，並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值，單純想看牠們好不好騙。^[1]
3. 防蚊成份：3個玻璃罩裡，血液飽滿的水凝膠，都溫熱至37°C，但分別為沒塗料、塗抹DEET，以及敷上一層檸檬尤加利油（lemon-eucalyptus oil）萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物，放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次，受試的蚊子也每次更換。^[1]

結果與展望

餵食觀察的錄像，歷經截圖、挑選、標註和校正等程序，成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後，此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子，還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀，平均準確率高達 92.5%。這個模型，馬上被運用在後面的實驗裡。^[1]

在選擇食物時，紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，顯然騙不過受試的蚊子；牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時，也可以用雷同的方式，評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們，以後也能加碼在水凝膠上，塗抹真實皮膚會有的化學物質，並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了，成品就能在其他病媒蚊實驗中，替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險，^[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物，一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組，卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小，有些蚊子擠不進去。將來製作時，得加大表面積。^[1]

整體而言，論文的第一作者 Kevin Janson 博士，很滿意這個自動分析功能，迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面，身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授，則認為他們的設計，未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種，此實驗主要採用的，是會傳播黃熱病（yellow fever）、登革熱（dengue fever）和茲卡熱（Zika fever）的埃及斑蚊（Aedes aegypti）。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示，假使想套用此模型跟設備，在習性迥異的野生品種上，就得再花時間研究。^[7]

參考資料

1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
2. 「教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心（Accessed on 23 FEB 2023）
3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
5. ‘Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.