機器戰警的左右手──仿生義肢

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

2018 年 12 月，有名司機在西伯利亞新庫茲涅茨克的雪地中，找到了一隻大約四歲的俄羅斯貓貓 Dymka（俄語為「霧」），並將牠帶至新西伯利亞的診所。雖然牠因凍傷而失去了所有的爪子，但獸醫們 3D 列印出鈦材質的義肢代替牠失去的四條腿，所以現在 Dymka 可以重新生龍活虎地追趕跑跳蹦，甚至爬樓梯了！（灑花）

義肢獨秀——3D 列印技術重建貓掌

根據《莫斯科時報》報導， Dymka 獲救時爪子、耳朵和尾巴都已經凍傷了，獸醫 Sergei Gorshkov 不得不幫牠截肢。Gorshkov 說，在西伯利亞嚴酷的冬季裡，每間診所的獸醫至少會治療五至七隻爪子、耳朵和鼻子等部位被凍傷的貓，倘若凍傷情形嚴重，皮膚組織會死亡並需要截肢。

Gorshkov 和診所同事與俄羅斯托木斯克理工大學 (TPU) 的研究人員合作，為 Dymka 製造了一套義肢。 TPU 的代表表示，科學家開發了磷酸鈣製成的塗層，使鈦製義肢可以更順利地安裝並嵌入、融合進動物的腿骨中，同時讓感染和排斥的風險降到最低。

走出態度！恍若新生的鈦製義肢

研究人員對 Dymka 的腿進行電腦斷層掃描 (CT) 建模，並依此 3D 列印出鈦棒。根據《新西伯利亞新聞》報導 ，Dymka 於 2019 年 7 月植入了義肢，前腳為先，後腿次之。2019 年 12 月，獸醫診所在 YouTube 上傳了影片，內容記錄牠安裝義肢七個月後的生活，還有特寫鏡頭拍到了一些關於義肢的細節，可以從畫面中看出來，牠的「 腳掌」以柔軟的黑色材料製成，底部帶有紋理。

資料來源：

• 本文編譯自 Mindy Weisberger 所撰寫之科普報導 Cat with 4 frostbitten paws gets new feet made of titanium，刊載於 Live Science ( Jan 31,  2020 )

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

在以往，身心障礙者只能倚靠輪椅或是助行器協助行走，但這些器材往往過於龐大，攜帶不便，而且對於顛頗地形適應不佳。ReWalk Personal 6.0 是一套外骨骼輔助義肢，能夠幫助身障者以接近原始走路的方式行走，讓身障者享受再次走路的感動。

ReWalk 將外骨骼輔具帶上街頭

Rewalk 系統的創始者亞米特高佛（Amit Goffer）不希望這些外骨骼義肢只使用於物理治療或是家中，他總是不停的想：「該如何才能讓這些器具融入社區？甚至走上街頭？」。ReWalk 機器人義肢公司的 CEO 賴瑞亞辛斯基（Larry Jasinski）也表示：「我們的目標就是讓外骨骼等輔助工具融入日常生活。」

美國已經通過先前 ReWalk 系統在臨床及個人的使用資格，讓脊隨損傷的身障者能夠使用外骨骼義肢協助行走。這也是第一套獲准如此多種使用權的外骨骼義肢，代表它將是第一個「走出醫院」的機器人義肢。亞辛斯基表示，已經有 66 位使用者將 ReWalk 買回家中使用。

 更符合人體需求

在基本機械運作上，新一代的 ReWalk 6.0 相較前代的差異不大：同樣用位於臀部與膝蓋的伺服馬達供給電源，並透過加速度器偵測使用者的移動。但在硬體上則有幾項重要的升級：腿部支撐器變得更為精簡，支撐帶能將身體重量更均勻的分布於義肢上，而原先放置處理器的背包，也被換成更迷你的腰包。

羅伯特是前幾代 ReWalk 的使用者，也給了許多改良建議給原廠。例如說先前的外骨骼支撐帶，其實很容易擦傷使用者的膝蓋。而新版的 ReWalk 設計，透過調整身體重量分配，已經成功改善這個問題。顯示了科技如果要進步，除了追求材料、製程或是微型化的進步，其實很多時候更需要的是聆聽使用者回饋的各種小問題，去調整、改善科技產品伴隨的副作用。

既然如此，外骨骼義肢的「好穿易脫」也就變得更重要了。ReWalk 把原先內外支柱的造型，改成只有外在支柱，並搭配環繞帶扣緊腿部，這種改良腿部支撐的方式，讓使用者能更容易穿上 ReWalk。使用者羅伯特表示透過增加腹部的支撐，他現在可以在盤腿坐時彎腰，不用再怕會往前倒，「我隨時都可以在 10 分鐘內站起來。」

除了硬體，ReWalk 6.0 也在軟體上做了改良。ReWalk 6.0 提供更平順的步行功能、更簡單的止步機制、以及更方便的上下樓梯動作。使用者也能透過穿戴式手錶，控制外骨骼的動作，像是坐下、站立、行走及爬階等。

除了輔助行走，還有更多益處

使用外骨骼義肢不是為了炫，相較於過去只能選擇坐輪椅，羅伯特發現他的身體機能在可重新走路之後獲得許多改善，他不再需要麻醉藥物，肌肉痙攣減少許多，消化、循環系統也都變得較健康。

和許多科技的誕生一樣，外骨骼最早應用於軍事用途，透過外骨骼裝置，能讓人跑得更快、跳得更高，甚而抬起重物、背負更多的裝備。現在，外骨骼義肢已經從醫院裡的物理治療室，逐漸走向街頭，也許未來會有越來越多的身障者，能在外骨骼義肢的幫助下，再度從輪椅、病床上站起，腳踏實地的感受每一步。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

文 / 施柔安

在《機器戰警》裡，主角因爆炸受了重傷，被改造成半人半機械的超級警察。而真實世界裡，有更多的人，因為戰爭、意外、疾病，永遠地失去了身體的一部份。幾十年來，從虎克船長的鐵勾、美觀大於實用的假肢，到殘障奧運短跑選手使用的碳纖維義肢，科學家們一直不斷地研究與改善義肢的功能，創造出許多使用不同原理和應用目的的義肢，希望能讓這些失去肢體的人們生活更安全便利。

上週，美國食品藥品管理局宣布批准了一款新型的義肢手臂上市銷售[1]。這款代號Luke（和《星際大戰》裡被砍掉手後、裝上一隻幾可亂真假手的天行者 Luke同名）的義肢，是一款能夠以意念操控的仿生義肢，由曾發明知名2輪電動車Segway的Dean Kamen所在公司DEKA研發。它的大小、重量和外觀都與真實的手臂相仿，並可做出高達十種不同的動作，從最簡單的喝水、進食、梳頭、刷牙，到開鎖、撿硬幣、拿雞蛋，甚至是操作器械，許多是目前的義肢無法完成的。

不同於目前廣泛使用的跨肢體牽引連動系統，Luke使用的DEKA arm system是經由電極來偵測殘餘肢體末端肌肉群的活動，再把信號轉換成相應的動作。這種方式讓使用者可以依照過去的經驗操作義肢，不需要一個關節接著一個關節地控制，使用上更自然也更直觀。

這看起來已經足夠厲害了，但是科學家們並沒有滿足。他們還希望可以「感覺」到物體的冷熱、形狀、硬度和質感。

今年二月，一篇相關的文章發表於Science Translational Medicine期刊[2]。這些神經科學家、工程師、醫生和機器人專家，將四個電極手術植入實驗參與者的上臂。這四個電極，會連接到特製的義肢上，將義肢表面受到的壓力資料，經電腦計算，改變成神經可接受的訊號，回傳給大腦。測試時，參與者不必盯著義肢，就能夠感覺到手正在做什麼，從而調整力氣拿起一些易碎的物品。

因為體積、重量和精準度的問題，讓它目前離實際應用還有很長一段路要走，且初期的價格肯定會無庸置疑地高昂。

當然，科幻小說中逼真靈活又普遍的機械仿生手臂永遠是科學家努力的方向──但我真心希望你我都沒有需要用到它的一天。

https://www.youtube.com/watch?v=uhOjRBGzUa0

作者施柔安：台灣人，出身長庚的物理治療師，現為新加坡 Villa Francis Home for the Aged 復健部主任

參考資料：

1. Brandon Griggs FDA approves ‘Star Wars’ bionic arm. CNN [May 12, 2014]
2. Stanisa Raspopovic, Marco Capogrosso, Francesco Maria Petrini, Marco Bonizzato, Jacopo Rigosa, Giovanni Di Pino, Jacopo Carpaneto, Marco Controzzi, Tim Boretius, Eduardo Fernandez, Giuseppe Granata, Calogero Maria Oddo, Luca Citi, Anna Lisa Ciancio, Christian Cipriani, Maria Chiara Carrozza, Winnie Jensen, Eugenio Guglielmelli, Thomas Stieglitz, Paolo Maria Rossini, Silvestro Micera “Restoring Natural Sensory Feedback in Real-Time Bidirectional Hand Prostheses” Sci Transl Med, Vol. 6, Issue 222, p. 222ra19, 2014.

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