生活中無處不在的電：靜電的應用、交流電與導電性——《神奇物理學》

文／彭柏翔、曾貴鴻、王宥豪｜國⽴臺灣⼤學物理學系電子學課程學生

科學家看見的下一個變革：電子皮膚

隨著科技的演進，電子產品愈加貼近我們的生活，原本需要占滿整個房間的電腦，通常是只有國家機構才能擁有的產品，現在個人電腦已經成為家中必備的用品。

近年來，更因智慧型手機的普及，電子裝置不再侷限於房間內，電子裝置幾乎成為了我們身體的一部分，與我們如影隨形。

如同智慧型手機常標榜的，更輕、更薄、更方便攜帶成為每家廠商爭先追求的目標，但科學家們已經看到了更遠的未來，電子皮膚。

一個好的電子皮膚，必須滿足這些條件

電子皮膚，顧名思義就是要模仿人體皮膚的模式，在目前的發展中，如下圖，它有幾個重要的研究方向和重要功能。 

首先是可伸縮性（Stretchability），因為電子皮膚最終是要貼在皮膚上，所以電子皮膚必須能夠隨著我們肌肉的伸縮來延長、縮短。

不同於目前常見的矽和金屬，科學家們開始利用一些聚合物半導體來替代現有的材料，讓裝置能夠有可拉長、伸縮的特質，嵌入在上面的各種電子元件也不會在拉扯的過程中輕易斷裂。 

另外一個研究方向是自我修復的功能（Self‐Healing），自然界中的自我修復主要有兩種機制¹，一種是利用血漿和催化劑在發現組織有損壞時，將化學物質送至損壞處，進而在該處合成，補上損壞的缺口，但它的缺點便是它有次數限制，當血漿或催化劑用盡後，便無法再做修復。

因此科學家研發出另一類自我修復材料，他們利用材料中分子的一些特性，例如氫鍵，分子間作用力等，能夠使斷裂的分子之間重新連結，並達到自我修復的功能，而因其簡單且能重複的特性，被科學家拿來做為主要的發展方向。

接著是生物相容性（Biocompatibility）。因為未來其可能放入人體中，所以要避免有免疫反應這類天生防護系統的作用，若貼在我們現有的皮膚上，那其必定要有透氣的功能，否則沒有人能夠整天戴著它。

生物降解性（Biodegradability）也是相當重要的研究重點，若電子皮膚具有生物降解性，不僅可以讓它對環境較為友善，在醫學跟生物學上也能夠實現無切除手術，目前科學家已經發現一些材料能浸泡在水中就能夠讓其溶解掉¹，這對未來電子皮膚的卸下有很大的幫助。

最後，導電性也非常重要，當電子皮膚的內部元件具有導電性後，我們便能安裝上各種功能的電子設備，例如顯示器，或電路。

想要能「曲」能伸的電子皮膚，好難

看完了這五大研究重點方向，在研發電子皮膚的漫漫長路上，你知道科學家大多都在哪一個地方宣告失敗嗎？

以往已經有不少科學家做了類似的實驗，但「延展性」卻是難以跨越的技術門檻。如 Sheng Wang 與團隊用 PDMS 做的電子皮膚便是在拉伸後會產生問題，難以具備良好的延展性。

為什麼做出有延展性的電子皮膚這麼困難？要做出具有延展性的一般人造皮膚並不困難，但換成電子皮膚時，電子皮膚內卻有導電用的「電極」！

當電子皮膚被拉長、伸縮時，電極也會一併受到拉扯，導致電阻值上升，使得電路無法正常運作，因此，如何讓電極既能受到拉扯，又能回復電阻值，就是製作電子皮膚最大的困難點。

有困境就有突破！伸縮自如的新型聚合物

隨著技術的進步，科學家突破重重困難，終於讓具備延展性的電子皮膚登場了！²

這一次，Donghee Son 與他的團隊以奈米碳管（carbonnanotubes）作為電子皮膚中的電極、使用聚合物 PDMS-MPU-IU 作為基質。

由於 PDMS-MPU-IU 具備良好的自我修復能力與延展性，將這種聚合物和奈米碳管搭配起來後，便能使奈米碳管隨著基質的復原跟著回復，使電阻值回復到原先的大小，在具備導電性的基礎上，增加具備延展性、自我修復功能的電子皮膚。

此外，此材料還具備兩項優點：第一，當我們以奈米碳管作為電極時，可以使這項材料用於顯示器或感應器的電極；第二，由於PDMS-MPU-IU 之間能透過氫鍵相結合，所以我們可以更容易將多個電子元件合併為一個多功能的系統。

儘管 PDMS-MPU-IU 有望成為電子皮膚的材料，但當受到超出一定大小的外力後，仍然難以在短時間內修復完畢，因此離實際應用還有一段距離。

此外，這種聚合物並未具備生物降解性，在這一個重視環保和重複使用的時代，我們難以忽視這個嚴重的缺點，如何減少這種電子皮膚造成的電子垃圾？這是是個必須要考慮的問題。

未來出門都不用手機啦！

在二十世紀，人類比以往任何時候都更加依賴技術，但是我們仍然經常忘記攜帶或笨拙地摔壞我們的手機，如果我們可以把具備手機功能的電子設備嵌入皮膚的話，或許就能減少這個困惱。

PDMS-MPU-IU 因其在室溫下的高拉伸性，高堅固性和自動自我修復功能讓其成為電子皮膚考量的候選材料。即使這項技術還遠遠不及產業水平，如同修復時間過長與裝置在上面的電路還沒辦法太複雜³，但毫無疑問，在不久的將來，電子皮膚將成為攜帶式電子設備的最前沿。

致謝

本⽂源⾃於國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學之課程報告，感謝朱⼠維老師、程暐瀅助教的協助。

參考文獻

1. Oh J Y and Bao Z Second skin enabled by advanced electronics  Adv. Sci. 6 1900186 (2019)
2. Son, D., Kang, J., Vardoulis, O. et al. An integrated self-healable  electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a  nanostructured conducting network. Nature Nanotech 13, 1057–1065  (2018)
3. Jun Chang Yang, Jaewan Mun. et al. Electronic Skin: Recent Progress  and Future Prospects for Skin‐Attachable Devices for Health Monitoring,  Robotics, and Prosthetics.  (2019)

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

編按：特斯拉於一八七○年代先後就讀奧地利的格拉茲 (Graz) 理工學院和布拉格大學，大學學業結束後，他罹患了嚴重的神經衰弱，期間，他看到了許多不可思議的奇異現象。

• 本文摘自柿子文化出版， 尼古拉‧特斯拉，《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》。

一八八○年，我帶著父親的期望前往波希米亞的布拉格市，在那裡繼續我的大學教育，並且做了一個果斷決定，繼續未竟的實驗，其中包含拆除發電機的整流器，觀察接下來會發生什麼現象，結果依舊徒勞無功。

在接下來的一年裡，我對人生的看法出現了急遽變化。我知道父母親為了供應我在經濟上的需要做出了重大犧牲，因而決定要卸下他們的重擔。當時美國裝設電話的風潮剛傳到歐洲，匈牙利決定要在布達佩斯裝設電話系統。

神經衰弱的折磨，從未奢望完全康復

一個大好機會出現了，尤其與我們家族熟識的一個友人，恰巧就是匈牙利一家電話公司的負責人。我在前文曾提及，我在布拉格期間罹患了嚴重的神經衰弱。

我在病中的經歷簡直令人匪夷所思！我一直有異於常人的超凡視力與聽力，我可以在其他人都已經看不到、聽不見的距離外，依舊能清楚聽辨。我記得，我小時候有好幾次聽到從鄰居家中傳來微弱的爆裂聲響，屋主卻依舊呼呼大睡，我只好大聲呼救，救了鄰居免遭祝融之災。

一八九九年，我四十多歲，在美國科羅拉多州繼續我的實驗，我可以清楚聽到五百五十英里外打雷的聲音，我的年輕助理頂多聽到一百五十英里，換言之，我的聽力比他靈敏三倍有餘──然而，比起我神經衰弱期間的敏銳聽力，此時的聽力簡直是小巫見大巫，可以說是耳聾級的程度。

我在布達佩斯的那段期間，可以聽見三個房間距離外的手錶滴答聲；一隻蒼蠅飛落在房中桌上，在我聽來就像是砰砰的重擊悶響。幾英里外馬車經過的聲音，會使我全身顫動；二、三十英里外的火車汽笛聲，會讓我坐的板凳或椅子劇烈晃動，使我承擔難以忍受的痛苦。我腳下的地面會震個不停；我必須把床放在緩衝橡皮墊上，才能獲得休息。

我如果無法分辨這些來自四面八方的嘈雜聲究竟是什麼，我就會產生幻聽心生恐懼。時亮時暗的陽光會嚴重衝擊我的腦部，使我暈厥過去。當我行經橋下或其他建物下方，會覺得有股巨大壓力壟罩在頭上，必須用最大的意志力才能通過。在黑暗中，我的感官敏銳如蝙蝠，我的前額有一種獨特的感知力，當它發癢時，我就知道十二英尺外有東西出沒。

我的脈博變化可以從每分鐘只有跳幾下飆高到兩百六十下，造成體內器官與組織的抽搐和震顫，這恐怕是最難忍受的身體折磨。我曾求診一位內科名醫，他開立大量溴化鉀鎮靜劑讓我每天服用，但仍宣告我得的是無藥可醫的罕見疾病。

我這輩子最大的遺憾，就是當時沒有求診生理及心理學專家。我拚了命想要活下來，卻從未奢望自己能完全康復。誰會相信一個身體如此孱弱的絕症病人，可以蛻變成一個具有驚人體魄和頑強意志的人，能夠工作三十八年不輟，幾乎沒有一天休息，身體和心智卻依舊強健、生氣勃發？

意志力的奇蹟，發明旋轉磁場原理

我就是活生生的例子。我有強大的求生意志，我渴望繼續自己的研究工作，在一個運動家摯友的全力幫助下，奇妙的事發生了，我的身體恢復健康，心智依然敏捷。

當我重新投身於中斷的研究，卻發現自己的奮戰竟然這麼快就結束了，反而感到有些悵然──我還有許多精力無處可用。我當初接下這個不可能的挑戰，不是抱著平常的決心，對我來說，這是一個神聖的誓言，是一場攸關生與死的求索。

我深知，一旦我失敗了，我的生命活力也會隨之枯竭凋萎。如今，我打贏了這場戰役。答案其實早就在我大腦深處的某個隱蔽角落，已經呼之欲出，只差臨門一腳。

我永遠記得那天下午，我和一位朋友正在城市公園享受散步詠詩的愜意，我那時候可以把整本書一字不漏地熟記在心，其中一本就是歌德的小說《浮士德》 (Faust) ，夕陽才剛西沉，我不禁聯想起書中一節絕美詩句：

太陽西沉，退隱，白晝就此完結，

它匆匆離去，去催促新的生命。

哦，竟沒有翅膀把我從地面升起，

永遠永遠去把她追隨！

正值她將逝未逝之際，我做了一個美夢。

唉，怎奈任何肉體的翅膀都不容易同精神的翅膀結伴而飛。

譯文摘自：《世界經典文學名著：浮士德》，歌德著，綠原譯，臺北：光復書局，一九九八年 

當我朗讀這些振奮人心的詩句，靈感如電光石火般湧現，真理瞬間揭露。我立刻拿起一根枝條在沙地上畫出心中浮現的設計圖──六年後，我在美國電機工程師學會發表演講時公開了這張圖──身旁的友人完全理解我在畫什麼。

我看到的影像是如此銳利清晰、堅實如金石，我告訴友人：「你看，這裡是馬達；注意看，我要將它反轉。」

我按捺不住心中的激動，滔滔不絕說了起來。皮格馬利翁 (Pygmalion) 看到親手雕刻的美麗少女「葛拉蒂亞」 (Galatea) 竟然有了生命時的驚喜，也難與我此時的激動難抑相比。

我或許無意間發現了一千個大自然奧祕，但是我願意用它們換取我的這項發明，它是我排除萬難用生命換來的嘔心瀝血之作。

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靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反，要幫忙找到它們會讓人好過的例子，告訴大家在哪些情況下，它們是有用（甚至更厲害）或有趣的。但是老實說，我懷疑在靜電荷上是否能做到，它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用，許多雷射印表機沒有它就無法工作，感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理：印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓（Image Drum），這個鼓是帶電，會曝露在雷射光下，而它曝露的地方就會因此被放電，最後會回頭在要充電的區域著色。然後，感光鼓會轉到碳粉那裡，碳粉也帶了電荷，只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像，它被引導至紙上將碳粉卸下。

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒，之後會再用滾筒施壓加熱固定，也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了，還是會列印，只是要手工加固顏色。

除了列印，靜電對打掃也非常有用，但不是清潔家裡，是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰，現在大略解釋一下它的作業過程：帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中，這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電，帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極，並在那裡落下。然後，你就只要關掉靜電過濾器的電源，並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩，但至少不會對身體造成重大傷害，不像從插座裡出來的電，會變得非常危險。

你肯定從小就被警告：不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜！不可以把叉子插進插座裡！不管怎麼說，這些警告都有道理。但原因到底是什麼？如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓，而且也毫髮無傷，那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢？

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因，是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生（Thomas Edison）在 19 世紀末發明了燈泡，他希望燈泡能靠直流電運作，所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動，就像單行道一樣。

除此之外，愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而，愛迪生有個最大的問題，就是直流電在長距離使用時，會損失大量的能量。他其實想利用這個問題，在不斷成長的電力市場上，從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去，他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治．西屋（George Westinghouse）與天才物理學家尼古拉．特斯拉（Nikola Tesla）合作，他們依賴交流電每秒會改變 50～60 次的特點。

交流電的優點：可以很容易升到高壓再降壓；可以傳輸幾百公里，損失的能量比直流電少。交流電的缺點：流經生物時，對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點，威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

愛迪生在大眾示威抗議下，透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動，在悲傷的高峰時刻，他要員工替美國政府製造一把電椅，以展示交流電的致命性。但其實沒有用，交流電已經盛行起來了，因此可以替我們國家的所有電器設備（吹風機也包含在內）提供能量，無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

到底是什麼讓交流電這麼危險？我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生，例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中，都有一個階段心臟對干擾會特別敏感，也就是所謂的「易損期」（Vulnerable Period）。

如果我們在這個期間受到電擊，就會發生危及性命的心室顫動（Ventricular Fibrillation）。

使用交流電時，電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動，電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險，會比用直流電還要高很多。不過，如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現，那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因，就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險，是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過，這沒有錯，但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯，但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好，但它並非最好的導體之一，例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強，因為我們不僅是由水組成，還含有許多的鹽，這就是人體比洗澡水更能導電的原因，除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿（當然沒人會這麼做），那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡，電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播，而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加，這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 本文摘自柿子文化出版， 尼古拉‧特斯拉，《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》。

為不讓父親失望，一天只睡四小時

一年的身體調養期結束之後，我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻，在充裕獎學金的資助下，開始我的大學學業，我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜，我的學習底子優於一般學生。

進入大學之前，我已經學會多國語言，也啃讀了不同圖書館的藏書，多多少少汲取了有用的資訊。另外，這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀，所以畫圖再也不會成為我的困擾。

我立志要給父母親一個驚喜，所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷，連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度，我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束，我通過九科考試，教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。

我帶著這張獲得褒揚的成績單回家，在短暫休息過後，我滿心期待著能贏得父親的稱讚，但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候，我深感受傷，這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。

但是父親死後，我發現了一疊信件，全是學校教授寄來的，信上說除非父親把我帶離學校，否則我會因為用功過度而沒命，看完後，我悲痛難抑。

大量閱讀與討論，發明構想與科學原理的加成

此後，我全神貫注在物理學、力學和數學上，閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情，一定會有始有終，因此常常給自己招來難題。

有一次，我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作，看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀，令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作！我下定決心一定要全部讀完，但當我放下最後一本伏爾泰的作品時，感到無比暢快，說：「結束了！」

我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞，也與他們建立起情誼。包括了：羅格納教授，教授算術和幾何學；包施爾教授，教授理論及實驗物理學；奧勒博士，教授積分，專長在積分方程式，這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展，經常會在下課後留一、二個小時給我，出題讓我解答，我很樂意接受這樣的安排。

我跟他解釋我的飛行器構想，這項發明是建立在合理的科學原理上，不是天馬行空的幻想，我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真，很快就會展現在世人眼前。

羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者：羅格納教授的自我表達方式很奇特，每次都會引起一陣騷動，然後是一段長長的沉默和尷尬；包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人，他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳，但他的實驗都被精準無誤的執行，展現如鎖芯般精密的高超精準技巧，沒有一點閃失。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

在校第二年，學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ，它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵，以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後，這部機器展現了各種不同的電流效應。

包施爾教授在示範時，把它當作馬達在操作，結果電刷出現故障，火花亂竄，我在一旁觀察發現：沒有這些裝置，馬達仍有可能運轉。

包施爾教授宣稱不可能，並且請我就這個主題上臺報告，他最後在做總結時如此說道：「特斯拉先生也許會有了不起的成就，但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力，猶如把重力轉變成旋轉力，這是一個永動機的概念，不可能成功。」

但是，直覺超越知識，當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候，無疑的，我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。

有一段時間，我迫於教授的權威而猶疑不定，但是我很快就相信自己是對的，然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心，擁抱這個不可能的任務。

首先，我在心中勾勒出一部直流電發電機，使之啟動運轉後，緊盯觀察電樞電流的變化。然後，我會另外想像一部交流電發電機，觀察在相同情況下其運作過程。接下來，我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統，並用各種方式測試其運作情況。

我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實，具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題，直到離校前依舊毫無斬獲，我差一點就要舉白旗投降，宣判這個問題無解。