來自鼻子的電力？工程師利用人類呼吸發電

在流感盛行的嚴冬，您可曾為了開窗與否，天人交戰？還是在搭公車的時候，選擇開走道對面的窗戶，凍死別人，造福自己？通風能降低感染空氣傳播疾病的風險，但交通工具的窗戶到底要怎麼開，才能達到最佳效果？墨西哥物理學團隊發揮所長，在 2022 年 12 月的《科學報告》（Scientific Reports）期刊上，推薦開公車窗戶的方法。^[1]

公車模型

COVID-19 疫情期間，防疫資訊滿天飛。因為事關人命，「♪ 雖然我曾經這樣以為／♪ 我真的這樣認為」，並不能做為給予建議的理由。許多公衛措施的效益，例如：戴口罩和保持社交距離等，都被嚴厲地以科學的方法檢視。這群墨西哥物理學家著眼於通風的機制，想瞭解到底挑哪個位置的窗戶，打開多少扇，對公車內的空氣品質最好。當然，他們並未唱著林憶蓮的〈為你我受冷風吹〉，親自搭車實測，被風吹到掉眼淚；而是打造了一台小模型來實驗，再以電腦模擬運算。^{[1, 2]}

他們參考一輛 9.92 x 2.5 x 2.2 公尺，地板內側離路面 0.4 公尺的實體公車，打造出約 1/10 大的壓克力模型。如圖所示，車體透明，僅窗戶用黑色虛線框出，方便觀察；裡面有二氧化碳偵測器（CO₂ sensor）、風速計（anemometer）；以及可裝卸的 3D 列印乘客，方便創造空車和滿載等狀態。由於假人不會呼吸，所以得從模型的中央車底灌入二氧化碳，代替真實的吐氣。測試氣流時的車速，則主要設定在每小時 50 公里。^[1]

實驗項目

這個實驗從下列兩個角度，來探討通風效果：

1. 開啟的窗戶數目：從不開窗、開 2 扇或 4 扇，到全部開啟等，都嘗試一輪。^[1]
2. 窗戶的位置：一般常見的公車，窗戶都是開在車體兩側，也就是乘客座位的旁邊。不過，科學家在模型的車頭，挖了 2 個長方形的氣窗，看看這種設計的效果又是如何。^[1]

實驗結果

研究團隊發現，在一般擁有左右兩排窗戶的公車上，氣膠（aerosols，又稱「氣溶膠」或「懸浮微粒」）的擴散與排出，均受車內負壓造成的吸力驅動。打開 4 扇，也就是左右各 2 扇窗戶最通風；全開也不會加快氣膠排散，或減少累積。氣流促使氣膠向車頭聚集；有些從前面離開的氣膠，會由後面的窗戶回流；而氣膠在車裡停留的時間，平均為 6 分鐘。不過，當科學家拿出他們改造的新型公車，馬上就超越了傳統公車開 4 扇窗的成效。^[1]

有別於市面上常見的款式，這種新型公車的前方擋風玻璃，靠近車頂處，多了兩個氣窗。如下圖所示，公車移動時，前方氣窗會進氣，產生一股推力帶動通風，而不再仰賴車內負壓的吸力。空氣從前方灌入，通過座位區域，再由車尾原本就設在兩側的窗戶出去；不像開 4 扇的，氣流無法完全貫穿車體。^[1]

以公車滿載 50 人的狀況為例，車速每小時 50 公里時，新款公車內的通風換氣速率，為每人每秒 100 公升；遠高於英國急難科學顧問團（Scientific Advisory Group of Emergencies，簡稱SAGE），在 COVID-19 疫情期間建議的 8 至 10 公升。就算行車速度只有每小時 9 公里，也還能符合 SAGE 的標準。同時，車內氣膠的總量減少，在車速每小時 50 公里的狀態下，滯留的時間降至 50 秒。^[1]

尚待研究的變因

既然新款公車這麼通風，何不趕快上市？上述實驗未涵蓋的數個變因，其實仍有待探究。比方說，3D 列印的假人沒有體溫，真實的公車坐滿活人乘客時，車內的溫度可能較高。如果再考量各地天候，造成的車外氣溫差異，這裡關於氣體流動的結論，便不見得適用。^[1]更何況在空氣污染嚴重的市區，開窗搞不好會弄得灰頭土臉，大概也無益於呼吸功能。假如將來臺灣除了密閉且附空調的公車，也有這種墨西哥的新式車款，身為乘客的您，會想搭哪一種？

參考資料

1. Alexei Pichardo-Orta F, Luna OAP, Cordero JRV. (2022) ‘A frontal air intake may improve the natural ventilation in urban buses’. Scientific Reports, 12, 21256.
2. 滾石唱片ROCK RECORDS（01 JUN 2012）「林憶蓮Sandy Lam【為你我受冷風吹 Suffer for you】Official Music Video」YouTube.

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《近場光學顯微術，開啟奈米世界大門》
• 作者／簡靖航｜科技大觀園特約編輯

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後，從 20 世紀後半⾄今，突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸（約為光波長的⼀半，以可⾒光來說約 200-350 nm），仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑，⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場（far field）與近場（near field）兩⼤類，這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長（約數⼗奈米）處進⾏量測，若有則為近場，其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度， 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺，專攻近場光學顯微術，屬於探針掃描顯微術（Scanning probe microscopy, SPM）中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術，家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術，依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中，最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope, STM），其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流（註1），作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離，⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術，其以針尖接觸（contact）或輕敲（tapping）物體，藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒，得知物體表⾯的高低起伏。 

在探針掃描顯微術中，控制針尖與物體的相對距離是重要的課題，STM 可控制距離在一奈米以下，AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外，要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」，其尺度都會在微米級別以上，這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場，⽽導致晶格長度的伸長或者收縮，即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術，探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎，外加光源於針尖上，即為近場光學顯微術（Scanning near-field optical microscopy, SNOM），依照光源形式的不同可區分為兩⼤類： 

1. 微孔式近場光學顯微術（aperture SNOM，簡稱 a-SNOM） 
2. 散射式近場光學顯微術（scattering SNOM，簡稱 s-SNOM）

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖，先鍍上⼀層⾦屬薄膜，並打上⼩洞，讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出，得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上，並量測散射後的光訊號。其中，針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡（Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式，主要為量測拉曼散射光譜，即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱，透過探針鍍上⾦屬薄膜，即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果，來增強待測物的拉曼訊號，並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間，其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測，需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合，用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主，曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果，維基百科的 TERS 條⽬，也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後，陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM，兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上，因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM，以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外，穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易，是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式（contact mode）的 AFM 方式掃描，以防止輕敲式（tapping mode）起伏會干擾光訊號，代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡，能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅（在⼀個奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗，才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度，但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性，經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM，因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度，來解釋近場光學所量測的結果，以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外，陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測，將針尖與光學元件整合在自製的腔體（cage system）之中，得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像，這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後，⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員，「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽，陳祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顧的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事， 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1：量⼦穿隧電流：在量⼦世界中，物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質， 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時，有不為零的機率穿過去，並產⽣穿隧電流（tunneling current ）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

• 作者 / 照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《肌肉疼痛、走路變慢、越來越喘，破壞全身肌肉的龐貝氏症，醫師圖文詳解》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔

「醫師，我先生很會打呼，不過最近他的打呼聲都會中斷，停頓好幾秒才又開始呼吸。」陳女士仔細描述先生睡覺的狀況，「早上起床的時候，他都會抱怨頭痛，而且很容易打瞌睡。」

「還有其他不舒服嗎？」醫師問。

「他的體力也有變差，走路、爬樓梯都比較慢，經常肌肉痠痛，偶而還會跌倒。」陳女士說，「有醫師覺得不對勁，請我們進一步檢查。」

肌肉疼痛、體力變差、睡眠呼吸中止等症狀看似無關，但是可能源自同樣的問題，林口長庚紀念醫院神經內科醫師黃錦章教授表示，「龐貝氏症」是一種遺傳性代謝疾病，會讓全身肌肉細胞遭到破壞，而越來越沒有力氣。如果沒有及時接受治療，患者將漸漸無力呼吸，越來越喘，最後會需要長期使用呼吸器維生。

什麼是龐貝氏症？

龐貝氏症（Pompe Disease）是種代謝性疾病，又稱為及肝醣儲積症第二型或酸性麥芽糖酵素缺乏症，屬自體隱性遺傳疾病。由於第 17 對染色體上的 GAA 基因有缺陷，使患者體內缺乏 GAA 酵素，而無法分解肝醣。在台灣，新生兒的發生率大概 5 萬分之一，晚發型龐貝氏症的發生率約為 2 萬分之 1。

「我們的身體會將肝醣儲存在肌肉細胞裡，等到有需要的時候，細胞裡的溶小體會將肝醣分解為葡萄糖。」黃錦章教授解釋，「缺乏 GAA 酵素時，肝醣會大量堆積在溶小體內，而漸漸對肌肉細胞造成傷害，使患者肌肉越來越無力，逐漸進展到心臟無力、呼吸衰竭。」

龐貝氏症有兩種類型

龐貝氏症可分成嬰兒型與晚發型，嬰兒型龐貝氏症在出生幾個月便會出現症狀，病程進展較快，黃錦章教授解釋，常見表現包括肌肉無力、心臟肥大、肝臟肥大、舌頭肥大、呼吸困難等，多數患童會在一至兩年內死亡。

晚發型龐貝氏症，是超過兩歲以上才發病，從兒童到老年都可能發病，病程進展較慢，黃錦章教授說，通常是從軀幹、下肢開始出現肌肉疼痛和肌肉無力，活動時比較疲倦，然後有吞嚥困難、呼吸較喘，部分患者有睡眠障礙。

晚發型龐貝氏症的診斷比較困難，從發病到確定診斷大概六至十二年，黃錦章教授說，因為龐貝氏症較罕見，肌肉無力的患者不容易及時確診，而出現永久性傷害。根據研究，越晚被診斷、越晚使用藥物處理，就有更嚴重的永久性傷害，患者可能會需要長期仰賴呼吸器維生。

遇到哪些狀況要想到龐貝氏症呢？

「例如不明肌肉痠痛、行動走路較無力、常常跌倒、走路的模式改變、沒有辦法爬樓梯，或是脊椎側彎等。」黃錦章教授提醒，「龐貝氏症患者常有呼吸中止症，睡覺的時候打呼聲會中斷，過一陣子才又繼續。呼吸中止症會造成患者缺氧，可能在起床的時候感到頭痛，因為睡眠品質很差，白天容易嗜睡、精神不繼。患者的腸胃道肌肉也受到影響，可能造成進食、吞嚥困難。」

「我們也可以請患者做六分鐘行走測試，看看他能夠在六分鐘內走多遠。」黃錦章教授說，「並透過病史詢問，能夠了解症狀發生的時間有多久。」

懷疑龐貝氏症時，可以抽血檢查。黃錦章教授說，現在已有快速簡便的診斷方法，透過抽血滴在濾紙片上檢查，評估 GAA 酵素的狀況。如果發現異常，便會進一步做基因方面的檢查，以確定是否為龐貝氏症。

確診為龐貝氏症怎麼辦？

肌肉遭到破壞後，肌耐力會變差，且可能出現攣縮，除定期酵素介入外，復健科醫師、物理治療師、職能治療師也會根據病況設計合適的運動處方，幫助維持肌力、心肺功能，必要時也可以使用各種輔具。

由於龐貝氏症患者的咀嚼、吞嚥、消化功能都會受到影響，務必留意營養補充，每天要攝取足夠的蛋白質、卡路里、維生素，以免因為營養不良而越來越虛弱。

當呼吸肌失能時，可以使用呼吸器來輔助，「龐貝氏症就跟高血壓、糖尿病一樣，需要長期治療控制。」黃錦章教授強調，「早期診斷、早期介入，非常關鍵。從這幾年的經驗看起來，目前的臨床處置能夠延緩惡化的時間，維持身體機能，讓患者擁有相對正常的生活」。

貼心小提醒

晚發型龐貝氏症的初期症狀較不明顯，大家要提高警覺，黃錦章教授說，當脊椎肌肉受影響時，患者的頭會下垂；當下肢肌肉受影響時，患者可能在蹲馬桶後，站不太起來；當軀幹肌肉受影響時，患者就不太能做仰臥起坐，需要先側身，用手臂的力量把身體撐起來。

如果有觀察到這方面的問題時，可以至神經內科就診，黃錦章教授說，可能導致肌肉無力的原因很多，需要仔細地鑑別診斷，才能及早發現、及早治療！

以上衛教資訊由台灣賽諾菲協助提供MAT-TW-2101461-1.0-10/2021

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按一個鈕就能點燃你瓦斯烤肉爐的相同壓電（piezoelectric）效應，或許有朝一日能透過你鼻子內的呼吸（respiration，呼吸作用），供電給你體內的感應器。

寫在九月號的 Energy and Environmental Science 期刊中，材料科學與工程助教授 Xudong Wang（音譯：王旭東）、博士後研究 Chengliang Sun 以及畢業生 Jian Shi（音譯：石真） ，發表他們創造出一種塑膠微型帶（ microbelt），在低速氣流（例如人類的呼吸）通過時會振動。

某些材料－例如 Wang 的團隊所用的聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF），在回應施加其上的機械壓力時會累積電荷。這稱為壓電效應。研究者改造 PVDF 以便自呼吸產生足夠的電能使小型電子裝置運作。

「基本上，我們是從生物系統收成機械能。一般人類呼吸的氣流低於約每秒二公尺，」Wang 說。「我們算出，如果我們使這種材料的厚度夠薄，那麼小型振動就能夠產生微瓦特的電力，那對於感應器或其他植入臉部的裝置來說也許已經夠用。」

研究者利用奈米技術中的進展以及微型化電子學，開發出許多生醫裝置，那能為糖尿病患者監測血糖，或使心跳節律器的電池維持充飽電的狀態，故不需要更換電池。只需要微乎其微的電力供應就能夠使這些微型裝置運作。來自血流、運動、熱或此例中的呼吸的廢能，提供連續不斷的電力來源。

Wang 的團隊使用一種離子蝕刻製程使材料變薄，同時保留其壓電特性。有了這些改進，他相信厚度能被控制在次微米的程度。因為 PVDF 具生物相容性，所以他認為這項技術代表「開發一種具實用價值的微米級『呼吸發電』裝置」有顯著的進展。

資料來源:PHYSORG:Electricity from the nose: Engineers make power from human respiration[October 4, 2011]

轉載自only-perception