超乎想像的織物！當紡織與電子科技融合：智慧儲能與發光系統

本文由 台灣感染症醫學會 合作，泛科學企劃執行。

• 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國～」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現，然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳，讓民眾再度興起可能染疫的恐慌，特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友，包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等，由於自身免疫問題，即便施打新冠疫苗，所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗，這群病人一旦確診，因免疫力低難清除病毒，重症與死亡風險較高，加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍，死亡率則是 2 倍。

進一步來看，部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑，使得免疫功能與疫苗保護力下降，這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑，或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示，部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人，以器官移植病患來說，僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低，靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體？主因為疫苗抗體產生的機轉，是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體，這即為「主動免疫」，一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下，免疫低下病患因自身免疫功能不足，難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身，因此可採「被動免疫」方式，藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體，給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體，可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗，或接種疫苗後保護力較差的困境，有效降低確診後的重症風險，保護力可持續長達 6 個月。另須注意，單株抗體不可取代疫苗接種，完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防，台灣也在去年 9 月通過緊急授權，免疫低下患者專用的單株抗體，在接種疫苗以外多一層保護，能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看，長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群，接種後六個月內可降低 83% 感染風險，效力與安全性已通過臨床試驗證實，證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險，根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案，符合施打的條件包含：

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤，且；
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2，且；
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史，且；
四、且符合下列條件任一者：

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患（淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病）
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm³ 者 。

符合上述條件之病友，可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感，少數病友會有些微噁心或疲倦感，為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應，需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下，完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案。

• 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

• 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

• 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力，還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示，只要在出現症狀後的 5 天內投藥，可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險；如果是3天內投藥，則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險，所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

• 新冠治療藥物比較表：

免疫低下病友需有更多重的防疫保護，除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外，按時接種COVID-19疫苗，仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患，應主動諮詢醫師，經醫師評估用藥效益與施打必要性。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

一提到蜘蛛，許多人腦海中浮現的畫面，或許是在學校裡不起眼的角落，搭在陰暗牆角的蛛網。在許多影視作品裡，蜘蛛網總給人一種陰森、詭譎的氛圍。然而，讓人不可否認的是，蜘蛛網的結構是如此複雜且精美。

關於蜘蛛結網，在古希臘有一則傳說。大家所熟知的女神雅典娜，曾向遠古人類傳授紡織技藝，被稱為「紡織女神」；而當時有一位染匠的女兒名為阿剌克涅（Arachne），十分擅長紡織，沒有人能比得上她，也因此她也十分驕傲得意，某次她向雅典娜提出挑戰，希望能一決高下。後來，雙方的作品都十分精美、技藝精湛。然而，阿剌克涅所織出的掛毯內容卻是褻瀆、嘲笑宙斯與他的眾多妻子的，雅典娜一氣之下將阿剌克涅變成了一隻蜘蛛，永遠用她自己的身體織網，而現在我們所見的蜘蛛被認為是阿剌克涅的後代。

雖然蜘蛛網幾乎隨處可見，然而背後的秘密就和它的外觀一樣錯綜複雜，吸引著人們去揭開它的神秘面紗。令許多科學家好奇的是，體型及大腦都比人類小這麼多的蜘蛛，到底是如何織出這些精密又優雅的幾何結構的？如此複雜又連續的行為是如何調控及建構的呢？

其實一直以來都有許多探討影響蜘蛛結網因子的研究，例如有科學家將蜘蛛放到外太空，觀察在無重力環境下，蜘蛛結的網有何不同，通常在有重力的情況下，會結出不對稱的網，然而在無重力下便是對稱的。此外，大多靠觸覺織網的蜘蛛，於無重力環境下的織網行為，卻仍受光線影響。由這些結果可以得知，不同環境因素對結網行為的影響^[4]。

但若想要了解行為背後的機制，必須先區分出不同階段的行為模式。先前有些研究試圖分析，但因研究者無法在蜘蛛結網期間進行全天候的觀察，因此許多行為模式的細節仍未被發現。後來也逐漸發展出其他方法去觀察蜘蛛，例如在實驗室裡創造可控的環境，利用攝影機記錄行為^[1]。

幫蜘蛛結網的「每一步」做紀錄！

今年十一月，一項刊登在當代生物學《Current Biology》的研究^[2]，利用紅外線夜視攝影機，在夜晚觀察蜘蛛，並用軟體追蹤牠們快速的腿部動作，將結網行為分成不同階段。

蜘蛛網的種類眾多，但這項研究觀察的是圓網（orb web），原因是在織網的過程中，比較容易透過追蹤蜘蛛軌跡和網的幾何形狀，來定義不同的階段。因此他們選擇織圓網的金蛛科（Uloboridae）裡的 Uloborus diversus 作為研究物種。這是一種原產於美國西部的蜘蛛，他們的體型很小，小到能夠放在指尖上；由於大多數織圓網的其他類群只在春、夏活動，而這個物種是全年都有，符合長期活動以及耐受性好等實驗所需條件。

雖然這種蜘蛛可以在任何形狀的空間裡結網，但他們更偏好在完全黑暗的環境建造水平圓網。因此，研究團隊設計了一個「舞台」，並設置紅外線攝影機及紅外燈。透過這個裝置，每天晚上監視並追蹤蜘蛛織網的過程，被追蹤的六個個體皆為成年雌性。（只使用雌蛛的原因是，雄性很少結圓網）。

在這個實驗中，研究人員利用動態捕捉軟體，追蹤蜘蛛每條腿的基部、股骨、脛骨，以及前胸的最前和最後，共二十六個點，來分析數百萬件的腿部動作，藉由追蹤腿部運動能夠區分出每個階段的典型及非典型行為，將織網的不同階段作更細部的分析。

蜘蛛網的秘密：動態分析「織網五階段」

織圓網的過程可被區分為五個階段：首先，蜘蛛會花時間探索一下所在空間，同時築出一個雜亂無章的網，稱為「原形網」（proto-web），通常沒有明顯的規律。這個階段蜘蛛會評估周遭環境，並為最終要織的網定位。在探索結束後，蜘蛛會有一個長時間的停頓。

接著，便要開始向外建造網的半徑（radii）。牠會先移除大部分的原型網，並調整一些原型網的線條作為半徑，同時建構框架（frame）。在第三階段之前，蜘蛛會短暫停歇，接著開始向外盤旋，織造螺旋狀的「輔助螺旋」（auxiliary spiral）補強網面的整體結構。這個階段只會持續幾分鐘，因為輔助螺旋是暫時的結構，它是為穩定下個階段的施工而建，也就是「捕獲螺旋」（capture spiral）。當蜘蛛從外圍向內建造捕獲螺旋時，會同時移除輔助螺旋，這是第四個階段。

最後，在某些情況下，蜘蛛會再加上一個稱為「隱帶」（stabilimentum）的構造。有趣的是，這個構造並非所有蜘蛛都有，它的功能也仍未知。目前已有許多假設^[3]被提出，例如可以幫助蜘蛛隱匿、避免其他生物（例如鳥類）撞上蛛網，或讓蜘蛛在其他捕食者的眼中看起來更大，也有假說認為此構造可以吸引獵物。

蜘蛛腦如何進行複雜的結網工程？仍待解答

在分析出蜘蛛結網的五階段後，研究人員發現，蜘蛛結網的行為非常相似，以至於研究人員能夠僅通過觀察蜘蛛腿部的位置，來預測蜘蛛正在為蜘蛛網的哪個部分施工。

研究人員指出，即使蜘蛛網最終的結構略有不同，但蜘蛛結網的步驟及規則卻是相同的，這證實了結網的規則是在蜘蛛的大腦中編碼的。因此未來研究團隊想進一步了解的是，這一連串動作背後的神經系統是如何運作的，在後續的研究中，能夠找出蜘蛛調控結網的大腦迴路，一步步揭開美麗蜘蛛網背後的秘密。

參考資料

1. Benjamin, S. P., & Zschokke, S. (2000). A computerized method to observe spider web-building behavior in a semi-natural light environment. European arachnology, 117-122.
2. Corver, A., Wilkerson, N., Miller, J., & Gordus, A. G. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web-building. bioRxiv.
3. Mena, P. The Function of Stabilimenta in Spider Webs. The Writing Anthology, 36.
4. Spiders in space—orb-web-related behaviour in zero gravity

上一篇提到巴貝奇放棄差分機，轉而投入分析機的設計，意欲打造什麼都能算的通用型計算機。分析機必須採用全新架構，巴貝奇受困許久，沒想到最後讓他突破盲點的靈感，竟是來自於看似毫無關聯的織布機……。

本文為系列文章，上一篇請見：兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機？巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代（十八）

紡織業落後英國，沃康松臨危受命

還記得發明「便便機器鴨」的沃康松嗎？他結束吹笛人、鼓手與機器鴨等機械玩偶的展演後，本來要更進一步，打造具有肌肉運動、呼吸、血液循環的機械生物，不料突然於 1741 年接到一項官方任務，而不得不擱置這個計畫。（前情提要：如果上帝就像鐘錶匠，當然我們也能？│《電腦簡史》 齒輪時代（十二））

原來法國政府發現英國紡織業這幾年突發猛進，背後的助力就是英國發明家約翰．凱 （John Kay） 於 1733 年發明的飛梭。以往織布機至少要有兩人操作：一個工人提起縱向的經紗，然後將梭子推向另一端，帶著橫向的緯紗穿過經紗，然後另一端的工人待另一組經紗又提起後，再將梭子推回來，如此不斷往返。

有了飛梭之後，一部織布機只需要一個工人操作，而且速度快上好幾倍，還能織出更寬更大的布。因此英國的紡織業無論是成本、產量或樣式，都遙遙領先其它各國，一躍為歐洲的領頭羊。法國政府不甘落後，於是找上沃康松，冀望他運用設計自動機器的長才，也能改善法國的織布機，好迎頭趕上英國。

前人已曾改善織布機，靈感來自滾筒風琴

其實早在沃康松之前，法國就曾有兩位紡織工人試圖改造織布機，時間比約翰．凱發明飛梭還早；不過他們針對的是提花布的編織。織布機織的布有兩種，一種是沒有圖案的素面布，另一種是有圖案的提花布。製造素面布比較簡單，每次提起的經紗相當固定，例如這次是奇數線，下次則是偶數線，如此不斷輪流。但提花布就相當麻煩，每次要提起的經紗組合都不一樣，非常耗時費工。紡織工人布雄 （Basile Bouchon） 想改善的，便是製造緹花布的方法。

其實布雄找到的解決方案已經存在很久了，只不過它一直隱藏在與紡織業毫無關聯的一樣東西──滾筒風琴 （barrel organ） 。

滾筒風琴通常用於街頭表演，只要轉動搖柄，就會自動奏出樂曲。事實上，滾筒風琴的原理與音樂盒類似，旋律變化都是取決於圓筒表面參差不齊的突起。差別在於音樂盒是直接撥動鋼製簧片發出聲音，滾筒風琴則是間接造成不同音管阻塞，由風箱產生氣流通過音管而發出聲音。就這點而言，滾筒風琴反而更接近穆薩三兄弟於 850 年設計的吹笛手。

布雄的父親原本就是製作滾筒風琴的工匠，布雄從小耳濡目染，對滾筒風琴的構造瞭若指掌。因此當他踏入紡織業後，觀察到織布機的經紗起起落落，編織出規律的幾何圖案，便聯想到這其實與滾筒風琴有異曲同工之妙。規律的圖案相當於不斷重覆的樂曲，經紗相當於音管；既然可以藉由轉動圓筒而奏出樂曲，那麼同樣的原理應該也能用於織布機，控制經紗起落而織出圖案。

用紙卷控制經線，織出不同的圖樣

布雄很清楚滾筒風琴的圓筒如何製作：先按照樂譜上的音符在紙上畫好記號，接著將紙裹住圓筒表面，然後在記號處──釘上鐵釘，再取下紙張即大功告成。不過布雄並沒有依樣畫葫蘆，打造另一個用於織布機的圓筒。這是他的另一個洞見：打了孔的紙已經包含如何控制音管的資訊，做成圓筒只是沿襲自音樂盒的作法，並非絕對必要。也許織布機無需圓筒，用打孔的紙張就能控制經線起落？

1725 年，布雄公開展示他的發明：在現有織布機上外加一個編織控制裝置。這個裝置有條寬寬長長、打了許多洞的紙帶，首尾相連成環，再用兩根圓筒狀的軸桿上下撐開，就像輸送帶或跑步機那樣，只不過紙帶是直立的，而且要靠手拉動。

以往要靠人工挑選要提起的經紗，現在只要把上方軸桿推向前去頂整排勾針。由於軸桿表面是鏤空的，所以哪些勾針會被頂到而移動，取決於對應到紙帶的位置是否有洞。沒有洞，紙帶才會推動勾針提起經紗；如果有洞，勾針就會穿過洞而文風不動。等梭子穿過經紗後，再將紙帶拉下一點，再次推軸桿去頂勾針，如此不斷地拉紙帶、推軸桿。由於洞的分布位置都不相同，所以每次會提起不同的經紗，而織出特定圖案。

這是史上第一台半自動織布機，也堪稱第一台可編程的工業機器，因為只要更換不同紙帶，就能織出不同圖樣。可惜布雄的劃時代發明並未獲得青睞，因為它仍有許多缺陷，例如紙張很容易破裂，用沒多久就要整卷更換；紙的強度不足也限制了紙帶寬度，只能織出窄福的提花布；此外，紙帶長度受限於織布機的高度，圖案很快就又重覆，太過單調呆板。

紙卷太短又容易破，何不改用串接的卡片？

三年後，布雄的助理法爾肯 （Jean-Baptiste Falcon） 克服了這幾個缺陷。他把上方的軸桿改成方形，並且改用一片一片串起來的厚紙板取代紙帶，如此一來，就不需要下方軸桿，卡片串接的長度便不受限制，可以織出更複雜的圖案。厚紙板也可以做成更寬，就能織出更寬的提花布。此外，厚紙板較不易破損，就算破損，也只需要更換壞掉的卡片，不用像紙帶那樣要整卷換新。

不過即使解決了這幾個問題，紡織廠仍然不願意花錢改裝織布機，因為方形軸桿仍得靠人工轉動，還要對齊打洞的位置，織布速度沒快多少，也未減少人力，投資效益並不高。法國紡織業的自動化腳步就此打住，直到十多年後，沃康松奉命提升法國織布技術，布雄與法爾肯的發明才又被挖出來。

沃康松以布雄的設計為基礎，但將紙帶改為裹住一個金屬大圓筒，運用自動機器的原理做出連動機制，讓圓筒轉動與推壓勾針的動作一氣呵成，持續不斷地自動織出圖案。沃康松果真不負法國政府所托，於 1745 年展示史上第一架全自動織布機。不過紡織工人可不高興，他們深恐因此失業，群起抗議；有些工人怪罪到沃康松頭上，還朝他丟石頭。織布機自動化的計畫再次受挫，沃康松也不如歸去，重拾他的擬人機器人計畫。

其實紡織工人無須太過驚慌，因為沃康松改良布雄的設計後，雖然可以減少人力、提高效率，但所織的布仍然無法太寬、圖案不能太複雜，所以還是沒有幾家工廠願意購置。為什麼沃康松要延用紙帶，而不是選擇法爾肯所設計的卡片？這的確令人費解。打孔卡片直到半個世紀後，才被另一位法國發明家雅卡爾 （Joseph Marie Jacquard） 重新發掘，他成功地結合前人的設計，打造出可編程的全自動織布機。

雅卡爾統合成功建織布機，巴貝奇承襲設計造分析機

雅卡爾於 1752 年出生於法國的紡織重鎮里昂 （Lyon） ，這裡正是當初布雄與法爾肯工作的地方。雅卡爾的父親也是紡織工匠，有自己的工坊；雅卡爾從小就要幫忙打雜，直到十三歲才在姊夫的指導下識字念書。二十歲時父親過世，雅卡爾繼承了紡織工坊，然而才十年時間，他就敗光家產，只能離鄉背井四處打工謀生，直到 1789 年才回到家鄉，重返熟悉的紡織業。

歷經法國大革命的十年動盪後，雅卡爾自 1800 年開始，陸續發表各種自動化的紡織設備，包括用腳踩踏的織布機、魚網編織機。1803 年，拿破崙特地召見雅卡爾，讓他住進巴黎的工藝學院，任意使用裡面的設施，進一步研究如何改善織布機。雅卡爾仔細研究工藝學院收藏的布雄、法爾肯、沃康松等人的設計，最後他決定將沃康松所用的大圓筒與紙帶換成打孔的卡片，利用棘輪控制卡片轉動，果然成功打造出真正實用的全自動織布機。

雅卡爾織布機 （Jacquard loom） 其實是個控制裝置，可以加裝在現有的織布機上。原本兩個工人一天才能合力織出 3 公分的提花布，改裝後只需要一個工人，一天就能織到 60 公分長，而且布寬與圖案都不受限制。雅卡爾織布機自 1805 年發表，到 1811 年專利期滿為止，共出貨了一萬一千台，大幅提升法國紡織業的競爭力。

雅卡爾不僅改變了紡織業，也間接促進了計算機的進展。打孔卡片的可編程功能在他手中發揚光大，遠在英國的巴貝奇正是受此啟發，才能設計出史上第一台通用計算機。