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》

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。

歐姆定律：電流與電壓的完美協奏

川村老師，請用簡單的方式告訴我「歐姆定律」是什麼？

老師：的方式會使電流變弱。電阻定律告訴我們，金屬導線的電阻 R 與長度 L 成正比，也就是導線愈長，電阻愈大。相反的，截面積 S 愈大，電阻愈小。

貓咪：能捲太多圈嗎？喵！

老師：這樣會讓導線長度增加。電阻 R＝ρ L/ A，ρ 是電阻率。

觸控面板的原理

觸控面板是貼附在螢幕玻璃表面上的薄膜，手機與電腦普遍使用的觸控面板是利用靜電原理進行感應。觸控面板有許多感應方法，最具代表性的是電容式觸控與電阻式觸控。手機使用的是電容式觸控面板，利用靜電就能讓 CPU 知道手指是否放在螢幕上。

觸控面板中縱橫交錯著許多表面帶靜電的電極陣列，如下圖。

手指碰到觸控面板時，會吸走該位置的靜電，感測器便據此判斷何處有靜電釋放。用一般的筆或戴著手套觸碰時，手機不會有反應，是因為其他東西與手指不同，不會導電，所以也不會釋放靜電。

電阻式觸控面板無法多點觸控；也就是說，不能用兩根手指同時操作。使用手機時，可以用拇指和食指同時觸碰面板，然後手指張開把照片放大，或手指閉合把照片縮小，電阻式觸控面板就沒辦法這麼方便。

電阻式觸控面板的電流是從兩片膜之間通過；手指碰觸時，上層膜會接觸到下層膜，使電阻降低，表示該處有電流通過，此時感測器便可讀取到接觸點位置。電阻式面板是透過壓力來操控，與觸控媒介是否導電無關；所以用筆、指甲來觸碰，螢幕也會有反應。這種面板也能感應觸碰壓力的強弱，因此常用於遊戲機。

——本文摘自《物理角色圖鑑：用35個萌角色掌握最重要的物理觀念，秒懂生活中的科普知識》，2024 年 9 月，漫遊者文化，未經同意請勿轉載。

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)

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。