不是電池的燃料電池發電機

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。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

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。

文／廖英凱

燃料電池（Fuel cell），是一種透過氧化還原反應將燃料中的化學能轉換為電能，而並非透過燃燒來推動發電機的電力生產方式。近年來常被廣泛討論的燃料例如氫、天然氣、甲醇等都能作為燃料使用。也因此，相比起鋰電池或鉛蓄電池這種二次電池（Secondary Battery），燃料電池在發電過程中必須不斷提供氧氣與燃料才能穩定發電，與其說這是一顆電池，倒不如說他比較像是個發電機吧。

但燃料電池由於體積比起汽柴油發電機小很多，發電過程安靜，僅有二氧化碳和水的排放，因此近年來的開發思維，均是想以燃料電池解決攜帶式電源不足的問題。例如美軍在沙漠戰爭因電子軍品的大幅使用，導致士兵身上需要背負到近十公斤的鋰電池。且鋰電池電量耗盡後就成了無用也不能隨意拋棄的重量負擔，但若以燃料電池取代，則可減輕至3.5公斤，且燃料等補給也較為簡單。以及近十年來，個人隨身電子產品的普及與耗電量的大幅提升遠超過了鋰電池等一次電池的容量發展。而燃料電池，正能以一種便於攜帶的行動電源方式，補足這樣的戶外臨時的電源需求。

目前工研院材化所蔡麗端組長的團隊所開發的「直接甲醇燃料電池發電機」（Direct-methanol fuel cell， DMFC），是讓甲醇和水通過通常是由鉑（Pt）和釕（Ru）組成的催化層。此時甲醇與水會在陽極上產生氧化反應形成氫離子、電子與二氧化碳，而氫離子被輸送穿過質子交換膜到達陰極，並在陰極與氧氣反應產生水。而陽極所產生的電子則透過外部線路經過用電設備再回到陰極而形成電流。在總反應過程中，消耗甲醇與氧氣，產生水、二氧化碳與電力，看起來就十足是個不用燃燒、蒸氣渦輪或內燃機的發電機了。而相比起其他輕便的電池或發電方式，甲醇燃料電池的能量密度更比起利用氫燃料電池或鋰離子電池高出10倍以上，這樣子的高能量密度，以及比起氫氣和鋰離子電池易儲存運送的燃料，更能滿足需長時間用電或備用用電的需求。

但DMFC的一個特色是，純甲醇其實無法直接參與反應被使用，需要有同莫爾數的水提供才能反應。而反應後則會再產生三倍的水量。如果甲醇燃料的濃度過高，質子交換膜輸送氫離子的效率也會下降而影響DMFC的發電功率。因此實際參與反應的甲醇燃料需要壓低在3-7%的濃度。但在這樣低濃度的狀況下，大部分攜帶的燃料都是無法提供能量的水，也因此將反應完成後所產生的水，再回收到陽極參與反應，就可以僅攜帶純甲醇而達到燃料攜帶的高效率了。對此，蔡麗端組長團隊則是利用膜電極組（Membrane Electrode Assembly, MEA）的結構設計和觸媒材料表面改質，來做到維持發電功率與反應水的穩定回收，在甲醇燃料的持續供應下，目前工研院材化所設計1W的DMFC，已可做到7000小時連續運轉的成效。

然而，電池設計往往會遇到能量與功率難以兼顧的抉擇。DMFC雖然利用甲醇當燃料而有高能量密度的表現，但燃料電池發電仰賴電池內部反應物和生成物的流動擴散，單一電池模組提供的功率有限，若需供應較大功率，則需串並聯多個電池模組，而使整個燃料電池的體積重量大幅增加。對此，蔡麗端組長的團隊，則是利用混成電路的方式，將鋰電池結合在DMFC的模組中，鋰電池可以將多餘的發電量儲存起來，在需要高功率輸出時，作為提供電量的電源，也可做為燃料電池內部許多主動元件與啟動前的備用電量。

目前燃料電池在國際上已開始被廣泛使用，例如300W的燃料電池可作為電力品質不穩地區的家戶緊急備用電源。而1000W的則可以用在室內廠房的重型機具電源，可免去鉛酸電池的重量與緩慢充電時間、電源線的接線困擾以及汽柴油引擎的廢氣汙染。蔡麗端組長表示，工研院材化所目前開發的1W~300W的DMFC，預期可以投入野外監測與戶外休閒等用途。例如與各地野外地震儀結合、與農委會黃金廊道合作，在水道閘門裝設監測器以精準即時管控水源運用，以及針對城市自來水複雜管路的監測儀器搭配。這些監測儀器有許多位於難以牽線的偏遠地區，位於地下與遮蔽處也難以運用太陽能，而持續監測與即時上傳的電力需求也遠超過鋰電池與鉛蓄電池的供應。而工研院材化所開發結合混成電路的DMFC除了能滿足這些監測儀器的用電需求，也可以應用於野外休閒生活，例如提供給微波爐使用，讓戶外野炊除了大鍋湯和烤肉以外，又多了許多便利的可能。

而這樣一個完整燃料電池的設計製作，團隊的成員需要涵蓋塗佈製程、高分子、觸媒等材料和化工人才，也需要能協助機構設計、電路與控制系統的機械、電子電機人才。面對這各有專長的20人團隊，蔡組長表示，最有意思的是對化工材料和機械系統人講話要不一樣，因為材料人的化學研究未知變數很大，需要很多嘗試與變數，所以他們的思考行事很天馬行空，但機械設計領域者則會很習慣先思考建立一個model才著手實驗，比較強調系統性的思維。來自各領域的戮力合作，也造就了這從材料到完整的系統，並以產業化為目標來發展的龐大計畫。

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