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探尋下一個希望之星:火星任務

探索頻道雜誌_96
・2015/07/15 ・7237字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 597 ・九年級

撰文:劉莎拉(Sarah Liu)

2011年,有個名為「火星一號」(Mars One)的非營利組織與國家航太機構攜手合作,研究如何讓人類永久居住在火星上。從最初的20萬2586位申請者中選出705位候選人進入第三輪面試。隨著四位火星殖民勇士的決選時刻逐漸逼近,《探索頻道雜誌》四處探查如果這充滿爭議的火星單程任務真的成功了,到底會發生什麼事?若他們順利抵達火星,到底會過著怎樣的生活?

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版 請點擊此處

除了週日,睡眼惺忪的黛安娜.麥葛麗絲(Dianne McGrath)每天早上6點前一定會穿上運動鞋,拖著身子上健身房。如果不上健身房,她早上5點半前就會出門跑步。全世界都還在睡覺時就起床運動雖然孤單,卻是有代價的。她喜歡美食,密集運動能讓她偶爾享用巧克力和蛋糕也不用擔心。對一個在澳洲墨爾本蒼翠郊區跟她擦身而過的陌生人來說,清晨就飛奔在人行道的麥葛麗絲除了令人羨慕的身材外,似乎沒什麼特別之處。但在接受《探索頻道雜誌》訪談的幾個月後,她說不定會收到一封改變一生的信。身為火星一號計畫的太空人候選人,麥葛麗絲可能得放棄巧克力、蛋糕,還有晨跑的習慣。事實上,她可能得放棄熟悉的一切,因為她將踏上前往火星的單程任務。

長久以來作家與哲學家都做過這個遙不可及的夢:殖民火星,那裡是終極疆界。六十多年前,美國科幻作家雷.布萊伯利(Ray Bradbury)出色的超現實作品《火星紀事》(The Martian Chronicles)描繪了人類拓荒者在這顆紅色行星上的故事;1952年一隻名叫萊卡(Laika)的俄羅斯狗狗烈士初次被送入太空。1969年人類成功漫步月球並安然返家。接下來我們似乎已做好商業化太空飛行的準備,不論是超級富豪或贊助商均可超越大氣層,旅行外太空。

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每個里程碑都是億萬資金與男女太空人冒著生命危險的成果,不斷地拓展理解和知識的界限,滿足人類探索世界邊境的古老執著。人類已在83%的地球表面留下足跡,其中遭到破壞的地方當然也不少,而浩瀚的太空即如最後的疆界。

「地球表面已探索完畢,現在只能往上發展,」道格拉斯.瓦寇須(Douglas Vakoch)說。他是「地外智慧生物搜尋」協會(SETI)星際信息組合部(Interstellar Message Composition)主任。

事實上,火星熱的再度流行似乎是人類近代史的重要特徵;1965年美國航太總署(NASA)的水手4號太空船傳回21張紅色行星的照片,這是人類初次窺見這片塵土飛揚、坑坑洞洞的荒地,也把火星熱推上高峰。50年後的今天仍有科學家渴望重燃阿波羅登月任務的「光輝歲月」,他們大力鼓吹的不只是載人火星任務,更要在那裡留下足以維續的人口。

新型太空競賽

儘管目前有太空人派駐在國際太空站(ISS),但是殖民無人探訪過的鄰近行星依然超乎想像。支持者認為殖民火星的可能性正在升高,因為技術愈來愈先進,而且我們對火星的認識也與日俱增。

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一場新型太空競賽似乎已經展開,我們離布萊伯利的怪誕夢想可能比過去想像的更加接近。不同的是,國家資助的航太機構不再獨自發號施令。現在他們與許多民營企業和非營利組織共享控制權,正因為如此,我們難以判斷他們的計畫付諸行動的可能性。

專家認為民間的火星任務可以把某些直接的失敗風險納入考量,包括死亡的可能性,這些都是NASA等國家機構不願再承擔的風險。已經宣布要在火星任務上分一杯羹的民間業者包括高調的SpaceX公司,創辦人是特斯拉汽車公司的伊隆.馬斯克(Elon Musk),以及由億萬富翁丹尼斯.蒂托(Dennis Tito)領軍的Inspiration Mars Foundation。

但除了這些大公司外,還有一個看似希望不大的組織也來湊熱鬧:火星一號。這個非營利組織創辦人是巴司.藍斯斗普(Bas Lansdorp)與阿諾.魏爾得(Arno Wielders),他們顯然處於劣勢。當蒂托等大公司聲明要把目標任務日期從2018年延至2021年時,火星一號依然不為所動,毫不擔心大眾質疑科學家是否已具備支援人類在火星生活的技術能力。火星一號表示,他們的目標是九年後派遣第一支四人先鋒隊徹底探索火星,並且永遠居住在那個外星之地。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

單程票

火星一號計畫自2011年揭幕以來就備受關注,它預定2024年要在火星上建立永久的人類殖民地,儘管令人驚訝,但火星一號堅稱非常合理。於此同時,火星一號打算募集預估所需的60億美元,跟NASA為未來20年的深太空探索計畫評估的預算八百到一千億美元相比,實在小巫見大巫。

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這項火星任務被比喻為「遺民」,因為史上第一批火星居民將永遠無法見到地球上的家人朋友。另外,由於火星和地球每兩年就會達到最近距離一次,所以火星一號打算再募集四十億美元,目的是每兩年增加四位殖民人口,讓更多勇敢的探險家登陸火星。

這項看似簡單的計畫總共排定六個任務;對某些人來說也許簡單過頭了。2016年開跑的示範任務打算運送「必要的」補給品上火星。兩年後,火星一號將派出漫遊車尋找最適合殖民的地方。2020年,藍斯斗普和魏爾得想送以下的東西到火星:另一批補給品、另一輛漫遊車、兩組維生設備、兩組起居設施。

假設每個任務都進展順利,那麼兩台汽車大小的機器人漫遊車會先把所有裝備運送到殖民地點,並且在那組裝維生系統所需的太陽能板。接著從火星土壤中採集水,也就是「烘烤」土壤汲取水份。

除了應急的保久糧食之外,一開始的食物顯然相當稀少。火星殖民者到達目的地後,當然品嚐不到壽司和義大利香腸。他們一到火星就必須盡量找適合的地方耕種,或是以昆蟲和海藻為食;他們住在自給自足、能維持生命的生態系統裡,這個生態系統以某種方式製造可供存活的大氣。當終於有足夠的水和空氣可讓人類在人造大氣中存活夠長的時間,首批的四位「當選人」將展開為期七至八個月的火星之旅。

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像火星一號這般野心勃勃的計畫自然會受到讚賞、批評與嘲笑。儘管這項計畫一開始就吸引了20萬人報名,但最初尚未詳述殖民地基本需求的確切規劃。

2012年,藍斯斗普在 TEDx Talk 演講時宣布:「我們有送人和設備上火星的火箭。我們知道如何讓設備登陸火星。我們擁有讓人類生存於太空的技術,這樣的技術可用來維持人類在火星上的生活,」他說,「我們有支援任務的機器人能幫助火星上的人類。」

儘管未來十年開發必要技術的承諾似乎欠缺說服力,但藍斯斗普和魏爾得的團隊敢於夢想。當然,尚未清楚了解一切並不代表一定會失敗。歷史告訴我們無論面對怎樣的挑戰,偉大的成就需要企圖心和勇氣。

美國前總統約翰.甘迺迪曾說,我們選擇登月不是因為這麼做很容易,而是因為非常困難。既然人類能靠1960年代的技術成功登月並返回地球,誰說火星一號計畫不可能成功?《太空探索的心理學》(Psychology of Space Exploration)的作者瓦寇須告訴本刊,這項火星任務與過去的主要差異在於其終結性。他說:「大多數人難以想像加入火星一號的情況,因為他們無法想像拋下在地球上所愛的一切。」然而,他提醒我們,這種經驗在人類歷史上絕非獨一無二。「事實上,綜觀人類遷徙的歷史,無論是被迫離開或自願離開,所有的移民都經歷過類似的失落感。」他說。

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為了擁有更好的未來,火星一號很可能正是我們所需要的規劃,它能夠克服往返火星的困難、成本與風險,也能確保火星殖民完成有意義的工作。「火星一號是一項革命性的任務,因為它克服了過往任務最大的挑戰之一:安全返回地球,」瓦寇須說。他指出火星一號無須解決從火星發射並返回地球的複雜程序,它提供了一個簡單俐落的解決方案:太空人不必返回地球。

「一般的太空人不用太擔心,因為他們終將回到一個安全、熟悉的環境,再困難的任務都有盡頭。但火星一號不一樣,一旦出發前往火星,就等於下定決心選擇一種永遠無法『退出』的未知生活方式,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

火星上的生活

若想瞭解火星一號太空人必須忍受的生活環境,不妨想像一下人類祖先勇敢面對過的惡劣環境。遠在超市出現前,甚至在人類精通農耕前,早期的人類如何克服難以忍受的飢餓和寒冷?他們怎麼知道什麼東西可以吃,什麼東西不能吃?每一個清醒時刻都攸關生死。生活不是選擇低脂或無麩質食物,而是倖存或死亡。

同樣地,火星拓荒者也將面對陌生環境的種種危險,而且這些危險的性質大致上仍是未知數。雖然我們知道火星一天有24小時40分鐘,這是人類可以適應的差異,但是我們也知道有其他足以致命的差異。

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殖民者非常有可能為了生活在火星上而犧牲生命。除了兩顆火星衛星可能引發的驚奇之外,火星的每個角落都潛伏著危險。例如,在火星上長期處於失重狀態可能會讓太空人產生不可逆的生理變化,包括肌肉萎縮和骨質疏鬆症。但這或許不成問題,因為這些太空人不會返回地球。火星跟地球不一樣,大氣幾乎不存在(重量小於地球大氣的百分之一),所以無法為太空人阻擋高量的輻射或致癌的宇宙射線;他們接受的輻射和宇宙射線量遠遠超出NASA太空人的終身劑量。

長期輻射效應並非殖民者面對的唯一危險。火星大氣是由95%的二氧化碳和3%的氮組成,僅含有微量氧氣,人類的生命之源。這意味著若無輔助就無法呼吸。值得慶幸的是,據信水在火星內陸隨處可見,以永凍土的形式存在。不過目前僅在北極發現永凍土,南極的水以「乾冰」(二氧化碳和水的混合物)的形式存在。

火星的氣候是必須考慮的一個重要因素。一年之中最高氣溫為攝氏20度,最低氣溫為零下153度,比地球南極的低溫紀錄還少了59.8度。殖民者應該喝不到熱巧克力,只能喝昆蟲與藻類攪拌而成的冰沙。雖然富含氧氣的環境有失火之虞,但諷刺的是殖民者需要氧氣才能呼吸。

火星上的人類過著一種「恐怖平衡」的生活:少了不可或缺的暖氣系統會凍死,氧氣過多又可能發生自燃。強風在火星上引起猛烈的沙塵暴,這些沙塵暴可能妨礙太陽能板把太陽光轉化為充足的能量。2007年,NASA的火星漫遊車機會號與精神號(現已退役)就碰到這種情況。如果殖民地碰到沙塵暴,因應之道不是讓機器人休眠到沙塵暴減弱或是全面召回殖民者──他們只能等死。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

現實的檢驗

單程火星之旅加上剛才描述的最壞情況,不難讓人認為這是一個自殺任務。但是不同於二戰日本的神風特攻隊飛行員,這批勇敢的太空殖民者並非有意尋死。如果斷言可能出錯的事一定會出錯,或是預言這些太空人必死無疑,就等於漠視了他們自由選擇的權力與許多偉大夢想家的雄心壯志。

麥葛麗絲等候選人當然已考慮過潛在風險,只是不會把心思一直放在風險上。 「火星上可能出錯的事情很多。我們的身體極限將受到考驗,而且基本上我們就像活生生的實驗品。」她說她已在地球上花了很久時間準備和思考火星生活的各種可能性,她告訴本刊,「如果我既害怕又擔心,就不會加入這個有去無回的任務。」

儘管如此,連科學界都對這個偉大的計畫欠缺信心,遑論候選人本身。「我的主要顧慮是,我們尚未開發出人類登陸火星及在火星上生活的必要關鍵技術,」美國普渡大學航太工程研究生馬克斯.費金說。

費金也是火星一號的候選人,他承認自己尚有顧慮。「我擔心火星一號計畫並不了解自己所面對的問題規模有多大,」他說。本刊問他有沒有任何事會讓他改變心意,不去火星。他的回答很明確。「當然有。如果無法確定所有的必要工作都已完成,讓任務擁有合理的成功機率,我不會不理性地冒然出發。我可不想自殺,」他就事論事地說。

也許是因為火星一號計畫的含糊不清與那些沒有答案的問題,導致某些懷疑人士批評火星一號只是個噱頭。湯姆.瓊斯(Tom Jones)是四度登上太空的NASA太空人,也是科學家和《天空漫步》(Skywalking)一書的作者,他告訴《探索頻道雜誌》火星一號感覺像是個「公關花招」。

假設火星一號計畫成功了,將開啟無限可能。但有許多人,包括瓊斯在內,不僅擔心計畫本身是否完善;他們也相信人類的技術能力太過有限,前往火星等於白白犧牲。

有些人甚至用數據證實自己的疑慮。有一組美國麻省理工學院的研究生預測,火星一號的第一批四位殖民者只能活68天就會窒息身亡。為了避免這種可怕的情況,他們需要一套系統讓氧氣過多會產生問題的地方排出氧氣。目前開發的排氧系統並不適用於太空。

與其犧牲生命,已從NASA退休的瓊斯支持以循序漸進的方式舖築人類的火星之路。「以現有技術看來,火星一號的目標在技術上無法實現,」他說,「只有在人類學會採集太空資源之後,才有可能殖民火星。例如以商業規模採集陽光,從月球或小行星採集水、建材和稀有金屬。」

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

瓊斯認為在殖民之前以這種循序漸進的方式準備,風險一定會小很多。「企業的成功將為火星的登陸與生活提供技術跟資金,」他說。

於此同時,NASA正在開發2025年之前將人類送上小行星所需的技術,而登陸火星的時程則是定於2030年代。

火星一號的問題不只如此。火星一號任務能否成功,絕大部分取決於能否為殖民前的五個前導任務募得所需資金,更別提載人任務本身的成本。藍斯斗普和他的團隊目前依靠捐款、贊助、投資,甚至是 Indiegogo 群眾集資平台。

火星一號以媒體做為主要收入,或許是這項充滿野心的計畫最令人不以為然的一點。簡單地說,四位殖民者將受到24小時的全面監控,他們在火星上的私人生活會在地球上播放。是的,這是火星版的《我要活下去》(Survivor)。

第一組太空人需要60億美元,之後的每一組太空人需要40億美元,這的確不是兒戲。火星一號的確把大量資源集中於一處,尤其是他們公然模糊科學與娛樂之間的界線,這或許不是為艱辛的火星來回之旅提供資金最有效也最符合道德的作法。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

「火星一號的最大威脅是資金,」瓦寇須說,「創始人如何確保地球持續關注火星?如果送第一代殖民者上火星的創投業者認為不值得繼續投資,該怎麼辦?後續的金援從何而來?」更讓人害怕的是,誰願意告訴火星殖民者節目被取消了?

在太空科學的領域拓展人類疆界可能會產生一種英雄主義心態,在這種心態下,我們很容易漠視太空旅行更人性化的一面。考慮殖民火星可能會遇到的問題時,焦點都放在技術上和財務上的可行性。但是除了實用性之外,也可能會出現心理上的問題。

火星一號的殖民者不但遠離地球,為了在火星上生存還得面對各種危險,這種情況為太空旅行心理學提供了許多新的領域,能讓研究人員細細思考。想像一下永遠生活在太空艙裡的生活。太空艙的大小,根據瓊斯的描述,「相當於兩輛廂型車疊在一起之後再拆掉座椅。」那會是怎樣的感覺?

如果心理上的適應力較低,那麼必定會伴隨火星之旅而出現的危險、孤立與監禁,可能會成為孕育寂寞、厭煩和憂鬱的溫床,讓人際衝突像致命的細菌一樣迅速惡化潰爛。

當你坐在太空梭裡準備發射、奔向太空時,就等於面對40%的載具故障風險與1.5%的飛行失敗風險。這時你才能開始體會那種無助感,因為你漸漸接受永遠無法返家的可能性。從最黑暗的角度來看這件事,其實無異於準備自己的喪禮。至少可以說是一場過往人生的喪禮。

對瓊斯來說,在他先離開家人又無法在發射前跟他們聯絡時,這種感覺變得更加強烈。「我很想念家人,不能向孩子道別也不能擁抱他們特別難受,但是發射前必須檢疫隔離,」他說,「如果這樣很難受,跟我的妻子說再見更是加倍難受。」

為了適應分離,瓊斯經由電子郵件與每週的通話跟家人保持聯絡,有時也會用視訊。他回憶起妻子跟孩子把寫給他的信和卡片藏在太空梭裡,要在太空梭進入軌道後給他一個驚喜。

「對我來說,每天收到家人和朋友的電子郵件非常重要,這給我一種歸屬感,雖然離開了地球卻沒有被人遺忘。」他說在危險的時候與地球上的任務控制中心保持聯絡,也是讓組員保持鎮定的重要作法。當瓊斯和他的團隊因為天氣狀況而須要著陸協助時,他們可以接受指示並確保操作安全。

雖然不是完全失去聯絡,但火星與地球之間的通訊時間差至少有44分鐘。情況危急時,44分鐘足以決定生死。根本而言,火星一號的太空人必須知道他們的緊急支援取決於自身的能力。

飛向宇宙,浩瀚無垠

火星一號是真正的跨國合作,將會從來自世界各地約20萬名的申請者中選出兩男兩女。這樣的作法或許能完整地代表人類,卻可能引發人際衝突,心理學家瓦寇須警告:「在最好的情況下,適應外國人的習慣與價值觀可能很難。在最糟的情況下,說不定會出人命。」

雖然危險可能多不勝數,但人類勇敢克服了無數的考驗才走到今天,這個想法讓候選人費金相信這個計畫能成功。「從人類過去遭遇和經歷過的逆境看來,我認為一小群精心挑選的菁英在經過十年的準備和訓練之後,絕對有能力面對人類祖先每天必須面對的情況,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

不過到最後,無論火星一號是否能離開地球,它都為人類這個物種提供了自我反省的機會,思考科學能不能或該不該幫助人類進化成多行星物種。同樣地,儘管志願者欣然離開地球,但是把人類當成終生離開地球的實驗品是否符合道德,可能才是我們必須認真思考的問題。

當然還有那個住在每個人心中的小孩子:興奮地面對離開地球生活的可能性,成為火星的永久居民。雖然難免艱辛,但是這個可能性的確給我們重新開始的機會;或者至少提供了一個世外桃源,以及最另類的生活方式所帶來無庸置疑的吸引力。

即使火星一號最後無法實現,這個計畫確實提醒了我們要再次大膽做夢,也引發了許多有意義的討論。如藍斯斗普所說,除了擴大科學的視野,火星一號也提供了比危機和戰爭更正面的新聞。

最後,如果有20萬人願意拋下人類祖先奮力創造的成就,再次勇敢拓荒,或許這件事本身就是人類身為探險家的證明。也許就是需要殖民火星這樣幾近真實的未來,才能讓我們想起身為人類的真實意義。

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期

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「融合蛋白」如何全方位圍剿狡猾癌細胞
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/11/07 ・5944字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

我們知道癌症是台灣人健康的頭號公敵。 為此,我們花了很多時間介紹最新、最有效的抗癌方法之一:免疫療法

免疫療法中最重要的技術就是抗體藥物。科學家會人工製造一批抗體去標記癌細胞。它們就像戰場上的偵察無人機,能精準鎖定你體內的敵人——癌細胞,為它們打上標記,然後引導你的免疫系統展開攻擊。

這跟化療、放射線治療那種閉著眼睛拿機槍亂掃不同。免疫療法是重新叫醒你的免疫系統,為身體「上buff (增益) 」來抗癌,副作用較低,因此備受好評。

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但尷尬的是,經過幾年的臨床考驗,科學家發現:光靠抗體對抗癌症,竟然已經不夠用了。

事情是這樣的,臨床上醫生與科學家逐漸發現:這個抗體標記,不是容易損壞,就是癌細胞同時設有多個陷阱關卡,只靠叫醒免疫細胞,還是難以發揮戰力。

但好消息是,我們的生技工程也大幅進步了。科學家開始思考:如果這台偵察無人機只有「標記」這一招不夠用,為什麼不幫它升級,讓它多學幾招呢?

這個能讓免疫藥物(偵察無人機)大進化的訓練器,就是今天的主角—融合蛋白(fusion protein)

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融合蛋白(fusion protein)/ 圖片來源:wikipedia

融合蛋白是什麼?

免疫療法遇到的問題,我們可以這樣理解:想像你的身體是一座國家,病毒、細菌、腫瘤就是入侵者;而抗體,就是我們派出的「偵察無人機」。

當我們透過注射放出這支無人機群進到體內,它能迅速辨識敵人、緊抓不放,並呼叫其他免疫單位(友軍)一同解決威脅。過去 20 年,最強的偵查機型叫做「單株抗體」。1998年,生技公司基因泰克(Genentech)推出的藥物赫賽汀(Herceptin),就是一款針對 HER2 蛋白的單株抗體,目標是治療乳癌。

這支無人機群為什麼能對抗癌症?這要歸功於它「Y」字形的小小抗體分子,構造看似簡單,卻蘊藏巧思:

  • 「Y」 字形上面的兩隻「叉叉」是敵人偵測器,能找到敵人身上的抗原特徵,並黏上去,稱為抗體結合區「Fab 區域」。
  • 「Y」 字形的「尾巴」就是我們說的「標籤」,它能通知免疫系統啟動攻擊,稱為結晶區域片段「Fc 區域」。具體來說,當免疫細胞在體內巡邏,免疫細胞上的 Fc 受體 (FcR) 會和 Fc區域結合,進而認出病原體或感染細胞,接著展開清除。

更厲害的是,這個 Fc 區域標籤還能加裝不同功能。一般來說,人體內多餘的分子,會被定期清除。例如,細胞內會有溶酶體不斷分解多餘的物質,或是血液經過肝臟時會被代謝、分解。那麼,人造抗體對身體來說,屬於外來的東西,自然也會被清除。

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而 Fc區域會與細胞內體上的Fc受體結合,告訴細胞「別分解我」的訊號,阻止溶酶體的作用。又或是單純把標籤做的超大,例如接上一段長長的蛋白質,或是聚乙二醇鏈,讓整個抗體分子的大小,大於腎臟過濾孔的大小,難以被腎臟過濾,進而延長抗體在體內的存活時間。

偵測器(Fab)加上標籤(Fc)的結構,使抗體成為最早、也最成功的「天然設計藥物」。然而,當抗體在臨床上逐漸普及,一個又一個的問題開始浮現。抗體的強項在於「精準鎖定」,但這同時也是它的限制。

「Y」 字形上面的兩隻「叉叉」是敵人偵測器,能找到敵人身上的抗原特徵,並黏上去,稱為抗體結合區「Fab 區域」/ 圖片來源:shutterstock

第一個問題:抗體只能打「魔王」,無法毀掉「魔窟」。 

抗體一定要有一個明確的「標的物」才能發揮作用。這讓它在針對「腫瘤」或「癌細胞本身」時非常有效,因為敵人身上有明顯標記。但癌細胞的形成與惡化,是細胞在「生長、分裂、死亡、免疫逃脫」這些訊號通路上被長期誤導的結果。抗體雖然勇猛,卻只能針對已經帶有特定分子的癌細胞魔王,無法摧毀那個孕育魔王的系統魔窟。這時,我們真正欠缺的是能「調整」、「模擬」或「干擾」這些錯誤訊號的藥物。

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第二個問題:開發產線的限制。

抗體的開發,得經過複雜的細胞培養與純化程序。每次改變結構或目標,幾乎都要重新開發整個系統。這就像你無法要求一台偵測紅外線的無人機,明天立刻改去偵測核輻射。高昂的成本與漫長的開發時間,讓新產線難以靈活創新。

為了讓免疫藥物能走向多功能與容易快速製造、測試的道路,科學家急需一個更工業化的藥物設計方式。雖然我們追求的是工業化的設計,巧合的是,真正的突破靈感,仍然來自大自然。

在自然界中,基因有時會彼此「融合」成全新的組合,讓生物獲得額外功能。例如細菌,它們常仰賴一連串的酶來完成代謝,中間產物要在細胞裡來回傳遞。但後來,其中幾個酶的基因彼此融合,而且不只是基因層級的合併,產出的酶本身也變成同一條長長的蛋白質。

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結果,反應效率大幅提升。因為中間產物不必再「跑出去找下一個酶」,而是直接在同一條生產線上完成。對細菌來說,能更快處理養分、用更少能量維持生存,自然形成適應上的優勢,這樣的融合基因也就被演化保留下來。

科學家從中得到關鍵啟發:如果我們也能把兩種有用的蛋白質,「人工融合」在一起,是否就能創造出更強大的新分子?於是,融合蛋白(fusion protein)就出現了。

以假亂真:融合蛋白的HIV反制戰

融合蛋白的概念其實很直覺:把兩種以上、功能不同的蛋白質,用基因工程的方式「接起來」,讓它們成為同一個分子。 

1990 年,融合蛋白 CD4 免疫黏附素(CD4 immunoadhesin)誕生。這項設計,是為了對付令人類聞風喪膽的 HIV 病毒。

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我們知道 T 細胞是人體中一種非常重要的白血球。在這些 T 細胞中,大約有六到七成表面帶有一個叫做「CD4」的輔助受體。CD4 會和另一個受體 TCR 一起合作,幫助 T 細胞辨識其他細胞表面的抗原片段,等於是 T 細胞用來辨認壞人的「探測器」。表面擁有 CD4 受體的淋巴球,就稱為 CD4 淋巴球。

麻煩的來了。 HIV 病毒反將一軍,竟然把 T 細胞的 CD4 探測器,當成了自己辨識獵物的「標記」。沒錯,對 HIV 病毒來說,免疫細胞就是它的獵物。HIV 的表面有一種叫做 gp120 的蛋白,會主動去抓住 T 細胞上的 CD4 受體。

一旦成功結合,就會啟動一連串反應,讓病毒外殼與細胞膜融合。HIV 進入細胞內後會不斷複製並破壞免疫細胞,導致免疫系統逐漸崩潰。

為了逆轉這場悲劇,融合蛋白 CD4 免疫黏附素登場了。它的結構跟抗體類似,由由兩個不同段落所組成:一端是 CD4 假受體,另一端則是剛才提到、抗體上常見的 Fc 區域。當 CD4 免疫黏附素進入體內,它表面的 CD4 假受體會主動和 HIV 的 gp120 結合。

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厲害了吧。 病毒以為自己抓到了目標細胞,其實只是被騙去抓了一個假的 CD4。這樣 gp120 抓不到 CD4 淋巴球上的真 CD4,自然就無法傷害身體。

而另一端的 Fc 區域則有兩個重要作用:一是延長融合蛋白在體內的存活時間;二是理論上能掛上「這裡有敵人!」的標籤,這種機制稱為抗體依賴性細胞毒殺(ADCC)或免疫吞噬作用(ADCP)。當免疫細胞的 Fc 受體與 Fc 區域結合,就能促使免疫細胞清除被黏住的病毒顆粒。

不過,這裡有個關鍵細節。

在實際設計中,CD4免疫黏附素的 Fc 片段通常會關閉「吸引免疫細胞」的這個技能。原因是:HIV 專門攻擊的就是免疫細胞本身,許多病毒甚至已經藏在 CD4 細胞裡。若 Fc 區域過於活躍,反而可能引發強烈的發炎反應,甚至讓免疫系統錯把帶有病毒碎片的健康細胞也一併攻擊,這樣副作用太大。因此,CD4 免疫黏附素的 Fc 區域會加入特定突變,讓它只保留延長藥物壽命的功能,而不會與淋巴球的 Fc 受體結合,以避免誘發免疫反應。

從 DNA 藍圖到生物積木:融合蛋白的設計巧思

融合蛋白雖然潛力強大,但要製造出來可一點都不簡單。它並不是用膠水把兩段蛋白質黏在一起就好。「融合」這件事,得從最根本的設計圖,也就是 DNA 序列就開始規劃。

我們體內的大部分蛋白質,都是細胞照著 DNA 上的指令一步步合成的。所以,如果科學家想把蛋白 A 和蛋白 B 接在一起,就得先把這兩段基因找出來,然後再「拼」成一段新的 DNA。

不過,如果你只是單純把兩段基因硬接起來,那失敗就是必然的。因為兩個蛋白會互相「打架」,導致摺疊錯亂、功能全毀。

這時就需要一個小幫手:連接子(linker)。它的作用就像中間的彈性膠帶,讓兩邊的蛋白質能自由轉動、互不干擾。最常見的設計,是用多個甘胺酸(G)和絲胺酸(S)組成的柔性小蛋白鏈。

設計好這段 DNA 之後,就能把它放進細胞裡,讓細胞幫忙「代工」製造出這個融合蛋白。接著,科學家會用層析、電泳等方法把它純化出來,再一一檢查它有沒有摺疊正確、功能是否完整。

如果一切順利,這個人工設計的融合分子,就能像自然界的蛋白一樣穩定運作,一個全新的「人造分子兵器」就此誕生。

CD4免疫黏附素問世之後,融合蛋白逐漸成為生物製藥的重要平台之一。而且現在的融合蛋白,早就不只是「假受體+Fc 區域」這麼單純。它已經跳脫模仿抗體,成為真正能自由組裝、自由設計的生物積木。

CD4免疫黏附素問世之後,融合蛋白逐漸成為生物製藥的重要平台之一 / 圖片來源:wikipedia

融合蛋白的強項,就在於它能「自由組裝」。

以抗體為骨架,科學家可以接上任何想要的功能模組,創造出全新的藥物型態。一般的抗體只能「抓」(標記特定靶點);但融合蛋白不只會抓,還能「阻斷」、「傳遞」、甚至「調控」訊號。在功能模組的加持下,它在藥物設計上,幾乎像是一個分子級的鋼鐵蜘蛛人裝甲。

一般來說,當我們選擇使用融合蛋白時,通常會期待它能發揮幾種關鍵效果:

  1. 療效協同: 一款藥上面就能同時針對多個靶點作用,有機會提升治療反應率與持續時間,達到「一藥多效」的臨床價值。
  2. 減少用藥: 原本需要兩到三種單株抗體聯合使用的療法,也許只要一種融合蛋白就能搞定。這不僅能減少給藥次數,對病人來說,也有機會因為用藥減少而降低治療成本。
  3. 降低毒性風險: 經過良好設計的融合蛋白,可以做到更精準的「局部活化」,讓藥物只在目標區域發揮作用,減少副作用。

到目前為止,我們了解了融合蛋白是如何製造的,也知道它的潛力有多大。

那麼,目前實際成效到底如何呢?

一箭雙鵰:拆解癌細胞的「偽裝」與「內奸」

2016 年,德國默克(Merck KGaA)展開了一項全新的臨床試驗。 主角是一款突破性的雙功能融合蛋白──Bintrafusp Alfa。這款藥物的厲害之處在於,它能同時封鎖 PD-L1 和 TGF-β 兩條免疫抑制路徑。等於一邊拆掉癌細胞的偽裝,一邊解除它的防護罩。

PD-L1,我們或許不陌生,它就像是癌細胞身上的「偽裝良民證」。當 PD-L1 和免疫細胞上的 PD-1 受體結合時,就會讓免疫系統誤以為「這細胞是自己人」,於是放過它。我們的策略,就是用一個抗體或抗體樣蛋白黏上去,把這張「偽裝良民證」封住,讓免疫系統能重新啟動。

但光拆掉偽裝還不夠,因為癌細胞還有另一位強大的盟友—一個起初是我軍,後來卻被癌細胞收買、滲透的「內奸」。它就是,轉化生長因子-β,縮寫 TGF-β。

先說清楚,TGF-β 原本是體內的秩序管理者,掌管著細胞的生長、分化、凋亡,還負責調節免疫反應。在正常細胞或癌症早期,它會和細胞表面的 TGFBR2 受體結合,啟動一連串訊號,抑制細胞分裂、減緩腫瘤生長。

但當癌症發展到後期,TGF-β 跟 TGFBR2 受體之間的合作開始出問題。癌細胞表面的 TGFBR2 受體可能突變或消失,導致 TGF-β 不但失去了原本的抑制作用,反而轉向幫癌細胞做事

它會讓細胞骨架(actin cytoskeleton)重新排列,讓細胞變長、變軟、更有彈性,還能長出像觸手的「偽足」(lamellipodia、filopodia),一步步往外移動、鑽進組織,甚至進入血管、展開全身轉移。

更糟的是,這時「黑化」的 TGF-β 還會壓抑免疫系統,讓 T 細胞和自然殺手細胞變得不再有攻擊力,同時刺激新血管生成,幫腫瘤打通營養補給線。

為了對抗這個內奸,默克在 Bintrafusp Alfa 的結構裡,加上了一個「TGF-β 陷阱(trap)」。就像 1989 年的 CD4 免疫黏附素用「假受體」去騙 HIV 一樣,這個融合蛋白在體內循環時,會用它身上的「陷阱」去捕捉並中和游離的 TGF-β。這讓 TGF-β 無法再跟腫瘤細胞或免疫細胞表面的天然受體結合,從而鬆開了那副壓抑免疫系統的腳鐐。

為了對抗這個內奸,默克在 Bintrafusp Alfa 的結構裡,加上了一個「TGF-β 陷阱(trap)」/ 情境圖來源:shutterstock

告別單一解方:融合蛋白的「全方位圍剿」戰

但,故事還沒完。我們之前提過,癌細胞之所以難纏,在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

而近年我們發現,癌細胞的「偽良民證」至少就有兩張:一張是 PD-L1;另一張是 CD-47。CD47 是癌細胞向巨噬細胞展示的「別吃我」訊號,當它與免疫細胞上的 SIRPα 結合時,就會抑制吞噬反應。

為此,總部位於台北的漢康生技,決定打造能同時對付 PD-L1、CD-47,乃至 TGF-β 的三功能生物藥 HCB301。

雖然三功能融合蛋白聽起來只是「再接一段蛋白」而已,但實際上極不簡單。截至目前,全球都還沒有任何三功能抗體或融合蛋白批准上市,在臨床階段的生物候選藥,也只佔了整個生物藥市場的 1.6%。

漢康生技透過自己開發的 FBDB 平台技術,製作出了三功能的生物藥 HCB301,目前第一期臨床試驗已經在美國、中國批准執行。

免疫療法絕對是幫我們突破癌症的關鍵。但我們也知道癌症非常頑強,還有好幾道關卡我們無法攻克。既然單株抗體在戰場上顯得單薄,我們就透過融合蛋白,創造出擁有多種功能模組的「升級版無人機」。

融合蛋白強的不是個別的偵查或阻敵能力,而是一組可以「客製化組裝」的平台,用以應付癌細胞所有的逃脫策略。

Catch Me If You Can?融合蛋白的回答是:「We Can.」

未來癌症的治療戰場,也將從尋找「唯一解」,轉變成如何「全方位圍剿」癌細胞,避免任何的逃脫。

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解密機器人如何學會思考、觸摸與變形
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/09/09 ・6820字 ・閱讀時間約 14 分鐘

本文與 Perplexity 合作,泛科學企劃執行

「Hello. I am… a robot.」

在我們的記憶裡,機器人的聲音就該是冰冷、單調,不帶一絲情感 。它們的動作僵硬,肢體不協調,像一個沒有靈魂的傀儡,甚至啟發我們創造了機械舞來模仿那獨特的笨拙可愛。但是,現今的機器人發展不再只會跳舞或模仿人聲,而是已經能獨立完成一場膽囊切除手術。

就在2025年,美國一間實驗室發表了一項成果:一台名為「SRT-H」的機器人(階層式手術機器人Transformer),在沒有人類醫師介入的情況下,成功自主完成了一場完整的豬膽囊切除手術。SRT-H 正是靠著從錯誤中學習的能力,最終在八個不同的離體膽囊上,達成了 100% 的自主手術成功率。

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這項成就的意義重大,因為過去機器人手術的自動化,大多集中在像是縫合這樣的單一「任務」上。然而,這一場完整的手術,是一個包含數十個步驟、需要連貫策略與動態調整的複雜「程序」。這是機器人首次在包含 17 個步驟的完整膽囊切除術中,實現了「步驟層次的自主性」。

這就引出了一個讓我們既興奮又不安的核心問題:我們究竟錯過了什麼?機器人是如何在我們看不見的角落,悄悄完成了從「機械傀儡」到「外科醫生」的驚人演化?

這趟思想探險,將為你解密 SRT-H 以及其他五款同樣具備革命性突破的機器人。你將看到,它們正以前所未有的方式,發展出生物般的觸覺、理解複雜指令、學會團隊合作,甚至開始自我修復與演化,成為一種真正的「準生命體」 。

所以,你準備好迎接這個機器人的新紀元了嗎?

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只靠模仿還不夠?手術機器人還需要學會「犯錯」與「糾正」

那麼,SRT-H 這位機器人的外科大腦,究竟藏著什麼秘密?答案就在它創新的「階層式框架」設計裡 。

你可以想像,SRT-H 的腦中,住著一個分工明確的兩人團隊,就像是漫畫界的傳奇師徒—黑傑克與皮諾可 。

  • 第一位,是動口不動手的總指揮「黑傑克」: 它不下達具體的動作指令,而是在更高維度的「語言空間」中進行策略規劃 。它發出的命令,是像「抓住膽管」或「放置止血夾」這樣的高層次任務指令 。
  • 第二位,是靈巧的助手「皮諾可」: 它負責接收黑傑克的語言指令,並將這些抽象的命令,轉化為機器手臂毫釐不差的精準運動軌跡 。

但最厲害的還不是這個分工,而是它們的學習方式。SRT-H 研究團隊收集了 17 個小時、共 16,000 條由人類專家操作示範的軌跡數據來訓練它 。但這還只是開始,研究人員在訓練過程中,會刻意讓它犯錯,並向它示範如何從抓取失敗、角度不佳等糟糕的狀態中恢復過來 。這種獨特的訓練方法,被稱為「糾正性示範」 。

SRT-H 研究團隊收集了 17 個小時、共 16,000 條由人類專家操作示範的軌跡數據來訓練它 。 / 圖片來源:shutterstock

這項訓練,讓 SRT-H 學會了一項外科手術中最關鍵的技能:當它發現執行搞砸了,它能即時識別偏差,並發出如「重試抓取」或「向左調整」等「糾正性指令」 。這套內建的錯誤恢復機制至關重要。當研究人員拿掉這個糾正能力後,機器人在遇到困難時,要不是完全失敗,就是陷入無效的重複行為中 。

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正是靠著這種從錯誤中學習、自我修正的能力,SRT-H 最終在八次不同的手術中,達成了 100% 的自主手術成功率 。

SRT-H 證明了機器人開始學會「思考」與「糾錯」。但一個聰明的大腦,足以應付更混亂、更無法預測的真實世界嗎?例如在亞馬遜的倉庫裡,機器人不只需要思考,更需要實際「會做事」。

要能精準地與環境互動,光靠視覺或聽覺是不夠的。為了讓機器人能直接接觸並處理日常生活中各式各樣的物體,它就必須擁有生物般的「觸覺」能力。

解密 Vulcan 如何學會「觸摸」

讓我們把場景切換到亞馬遜的物流中心。過去,這裡的倉儲機器人(如 Kiva 系統)就像放大版的掃地機器人,核心行動邏輯是極力「避免」與周遭環境發生任何物理接觸,只負責搬運整個貨架,再由人類員工挑出包裹。

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但 2025 年5月,亞馬遜展示了他們最新的觸覺機器人 Vulcan。在亞馬遜的物流中心裡,商品被存放在由彈性帶固定的織物儲物格中,而 Vulcan 的任務是必須主動接觸、甚至「撥開」彈性織網,再從堆放雜亂的儲物格中,精準取出單一包裹,且不能造成任何損壞。

2025 年5月,亞馬遜展示了他們最新的觸覺機器人 Vulcan / 圖片引用:https://www.aboutamazon.com/news

Vulcan 的核心突破,就在於它在「拿取」這個動作上,學會了生物般的「觸覺」。它靈活的機械手臂末端工具(EOAT, End-Of-Arm Tool),不僅配備了攝影機,還搭載了能測量六個自由度的力與力矩感測器。六個自由度包含上下、左右、前後的推力,和三個維度的旋轉力矩。這就像你的手指,裡頭分布著非常多的受器,不只能感測壓力、還能感受物體橫向拉扯、運動等感觸。

EOAT 也擁有相同精確的「觸覺」,能夠在用力過大之前即時調整力道。這讓 Vulcan 能感知推動一個枕頭和一個硬紙盒所需的力量不同,從而動態調整行為,避免損壞貨物。

其實,這更接近我們人類與世界互動的真實方式。當你想拿起桌上的一枚硬幣時,你的大腦並不會先計算出精準的空間座標。實際上,你會先把手伸到大概的位置,讓指尖輕觸桌面,再沿著桌面滑動,直到「感覺」到硬幣的邊緣,最後才根據觸覺決定何時彎曲手指、要用多大的力量抓起這枚硬幣。Vulcan 正是在學習這種「視覺+觸覺」的混合策略,先用攝影機判斷大致的空間,再用觸覺回饋完成最後精細的操作。

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靠著這項能力,Vulcan 已經能處理亞馬遜倉庫中約 75% 的品項,並被優先部署來處理最高和最低層的貨架——這些位置是最容易導致人類員工職業傷害的位置。這也讓自動化的意義,從單純的「替代人力」,轉向了更具建設性的「增強人力」。

SRT-H 在手術室中展現了「專家級的腦」,Vulcan 在倉庫中演化出「專家級的手」。但你發現了嗎?它們都還是「專家」,一個只會開刀,一個只會揀貨。雖然這種「專家型」設計能有效規模化、解決痛點並降低成本,但機器人的終極目標,是像人類一樣成為「通才」,讓單一機器人,能在人類環境中執行多種不同任務。

如何教一台機器人「舉一反三」?

你問,機器人能成為像我們一樣的「通才」嗎?過去不行,但現在,這個目標可能很快就會實現了。這正是 NVIDIA 的 GR00T 和 Google DeepMind 的 RT-X 等專案的核心目標。

過去,我們教機器人只會一個指令、一個動作。但現在,科學家們換了一種全新的教學思路:停止教機器人完整的「任務」,而是開始教它們基礎的「技能基元」(skill primitives),這就像是動作的模組。

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例如,有負責走路的「移動」(Locomotion) 基元,和負責抓取的「操作」(Manipulation) 基元。AI 模型會透過強化學習 (Reinforcement Learning) 等方法,學習如何組合這些「技能基元」來達成新目標。

舉個例子,當 AI 接收到「從冰箱拿一罐汽水給我」這個新任務時,它會自動將其拆解為一系列已知技能的組合:首先「移動」到冰箱前、接著「操作」抓住把手、拉開門、掃描罐子、抓住罐子、取出罐子。AI T 正在學會如何將這些單一的技能「融合」在一起。有了這樣的基礎後,就可以開始來大量訓練。

當多重宇宙的機器人合體練功:通用 AI 的誕生

好,既然要學,那就要練習。但這些機器人要去哪裡獲得足夠的練習機會?總不能直接去你家廚房實習吧。答案是:它們在數位世界裡練習

NVIDIA 的 Isaac Sim 等平台,能創造出照片級真實感、物理上精確的模擬環境,讓 AI 可以在一天之內,進行相當於數千小時的練習,獨自刷副本升級。這種從「模擬到現實」(sim-to-real)的訓練管線,正是讓訓練這些複雜的通用模型變得可行的關鍵。

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DeepMind 的 RT-X 計畫還發現了一個驚人的現象:用來自多種「不同類型」機器人的數據,去訓練一個單一的 AI 模型,會讓這個模型在「所有」機器人上表現得更好。這被稱為「正向轉移」(positive transfer)。當 RT-1-X 模型用混合數據訓練後,它在任何單一機器人上的成功率,比只用該機器人自身數據訓練的模型平均提高了 50%。

這就像是多重宇宙的自己各自練功後,經驗值合併,讓本體瞬間變強了。這意味著 AI 正在學習關於物理、物體特性和任務結構的抽象概念,這些概念獨立於它所控制的特定身體。

AI 正在學習關於物理、物體特性和任務結構的抽象概念,這些概念獨立於它所控制的特定身體。/ 圖片來源:shutterstock

不再是工程師,而是「父母」: AI 的新學習模式

這也導向了一個科幻的未來:或許未來可能存在一個中央「機器人大腦」,它可以下載到各種不同的身體裡,並即時適應新硬體。

這種學習方式,也從根本上改變了我們與機器人的互動模式。我們不再是逐行編寫程式碼的工程師,而是更像透過「示範」與「糾正」來教導孩子的父母。

NVIDIA 的 GR00T 模型,正是透過一個「數據金字塔」來進行訓練的:

  • 金字塔底層: 是大量的人類影片。
  • 金字塔中層: 是海量的模擬數據(即我們提過的「數位世界」練習)。
  • 金字塔頂層: 才是最珍貴、真實的機器人操作數據。

這種模式,大大降低了「教導」機器人新技能的門檻,讓機器人技術變得更容易規模化與客製化。

當機器人不再是「一個」物體,而是「任何」物體?

我們一路看到了機器人如何學會思考、觸摸,甚至舉一反三。但這一切,都建立在一個前提上:它們的物理形態是固定的。

但,如果連這個前提都可以被打破呢?這代表機器人的定義不再是固定的形態,而是可變的功能:它能改變身體來適應任何挑戰,不再是一台單一的機器,而是一個能根據任務隨選變化的物理有機體。

有不少團隊在爭奪這個機器人領域的聖杯,其中瑞士洛桑聯邦理工學院特別具有代表性,該學院的仿生機器人實驗室(Bioinspired Robotics Group, BIRG)2007 年就打造模組化自重構機器人 Roombots。

有不少團隊在爭奪這個機器人領域的聖杯,其中瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)特別具有代表性。該學院的仿生機器人實驗室(BIRG)在 2007 年就已打造出模組化自重構機器人 Roombots。而 2023 年,來自 EPFL 的另一個實驗室——可重組機器人工程實驗室(RRL),更進一步推出了 Mori3,這是一套把摺紙藝術和電腦圖學巧妙融合的模組化機器人系統。

2023 年來自 EPFL 的另一個實驗室—可重組機器人工程實驗室(RRL)推出了 Mori3 © 2023 Christoph Belke, EPFL RRL

Mori3 的核心,是一個個小小的三角形模組。別看它簡單,每個模組都是一個獨立的機器人,有自己的電源、馬達、感測器和處理器,能獨立行動,也能和其他模組合作。最厲害的是,它的三條邊可以自由伸縮,讓這個小模組本身就具備「變形」能力。

當許多 Mori3 模組連接在一起時,就能像一群活的拼圖一樣,從平面展開,組合成各種三維結構。研究團隊將這種設計稱為「物理多邊形網格化」。在電腦圖學裡,我們熟悉的 3D 模型,其實就是由許多多邊形(通常是三角形)拼湊成的網格。Mori3 的創新之處,就是把這種純粹的數位抽象,真正搬到了現實世界,讓模組們化身成能活動的「實體網格」。

這代表什麼?團隊已經展示了三種能力:

  • 移動:他們用十個模組能組合成一個四足結構,它能從平坦的二維狀態站立起來,並開始行走。這不只是結構變形,而是真正的協調運動。
  • 操縱: 五個模組組合成一條機械臂,撿起物體,甚至透過末端模組的伸縮來擴大工作範圍。
  • 互動: 模組們能形成一個可隨時變形的三維曲面,即時追蹤使用者的手勢,把手的動作轉換成實體表面的起伏,等於做出了一個會「活」的觸控介面。

這些展示,不只是實驗室裡的炫技,而是真實證明了「物理多邊形網格化」的潛力:它不僅能構建靜態的結構,還能創造具備複雜動作的動態系統。而且,同一批模組就能在不同情境下切換角色。

想像一個地震後的救援場景:救援隊帶來的不是一台笨重的挖土機,而是一群這樣的模組。它們首先組合成一條長長的「蛇」形機器人,鑽入瓦礫縫隙;一旦進入開闊地後,再重組成一隻多足的「蜘蛛」,以便在不平的地面上穩定行走;發現受困者時,一部分模組分離出來形成「支架」撐住搖搖欲墜的橫樑,另一部分則組合成「夾爪」遞送飲水。這就是以任務為導向的自我演化。

這項技術的終極願景,正是科幻中的概念:可程式化物質(Programmable Matter),或稱「黏土電子學」(Claytronics)。想像一桶「東西」,你可以命令它變成任何你需要的工具:一支扳手、一張椅子,或是一座臨時的橋樑。

未來,我們只需設計一個通用的、可重構的「系統」,它就能即時創造出任務所需的特定機器人。這將複雜性從實體硬體轉移到了規劃重構的軟體上,是一個從硬體定義的世界,走向軟體定義的物理世界的轉變。

更重要的是,因為模組可以隨意分開與聚集,損壞時也只要替換掉部分零件就好。足以展現出未來機器人的適應性、自我修復與集體行為。當一群模組協作時,它就像一個超個體,如同蟻群築橋。至此,「機器」與「有機體」的定義,也將開始動搖。

從「實體探索」到「數位代理」

我們一路見證了機器人如何從單一的傀儡,演化為學會思考的外科醫生 (SRT-H)、學會觸摸的倉儲專家 (Vulcan)、學會舉一反三的通才 (GR00T),甚至是能自我重構成任何形態的「可程式化物質」(Mori3)。

但隨著機器人技術的飛速發展,一個全新的挑戰也隨之而來:在一個 AI 也能生成影像的時代,我們如何分辨「真實的突破」與「虛假的奇觀」?

舉一個近期的案例:2025 年 2 月,一則影片在網路上流傳,顯示一台人形機器人與兩名人類選手進行羽毛球比賽,並且輕鬆擊敗了人類。我的第一反應是懷疑:這太誇張了,一定是 AI 合成的影片吧?但,該怎麼驗證呢?答案是:用魔法打敗魔法。

在眾多 AI 工具中,Perplexity 特別擅長資料驗證。例如這則羽球影片的內容貼給 Perplexity,它馬上就告訴我:該影片已被查證為數位合成或剪輯。但它並未就此打住,而是進一步提供了「真正」在羽球場上有所突破的機器人—來自瑞士 ETH Zurich 團隊的 ANYmal-D

接著,選擇「研究模式」,就能深入了解 ANYmal-D 的詳細原理。原來,真正的羽球機器人根本不是「人形」,而是一台具備三自由度關節的「四足」機器人。

如果你想更深入了解,Perplexity 的「實驗室」功能,還能直接生成一份包含圖表、照片與引用來源的完整圖文報告。它不只介紹了 ANYmal-D 在羽球上的應用,更詳細介紹了瑞士聯邦理工學院發展四足機器人的完整歷史:為何選擇四足?如何精進硬體與感測器結構?以及除了運動領域外,四足機器人如何在關鍵的工業領域中真正創造價值。

AI 代理人:數位世界的新物種

從開刀、揀貨、打球,到虛擬練功,這些都是機器人正在學習「幫我們做」的事。但接下來,機器人將獲得更強的「探索」能力,幫我們做那些我們自己做不到的事。

這就像是,傳統網路瀏覽器與 Perplexity 的 Comet 瀏覽器之間的差別。Comet 瀏覽器擁有自主探索跟決策能力,它就像是數位世界裡的機器人,能成為我們的「代理人」(Agent)

它的核心功能,就是拆解過去需要我們手動完成的多步驟工作流,提供「專業代工」,並直接交付成果。

例如,你可以直接對它說:「閱讀這封會議郵件,檢查我的行事曆跟代辦事項,然後草擬一封回信。」或是直接下達一個複雜的指令:「幫我訂 Blue Origin 的太空旅遊座位,記得要來回票。」

接著,你只要兩手一攤,Perplexity 就會接管你的瀏覽器,分析需求、執行步驟、最後給你結果。你再也不用自己一步步手動搜尋,或是在不同網站上重複操作。

AI 代理人正在幫我們探索險惡的數位網路,而實體機器人,則在幫我們前往真實的物理絕境。

立即點擊專屬連結 https://perplexity.sng.link/A6awk/k74… 試用 Perplexity吧! 現在申辦台灣大哥大月付 599(以上) 方案,還可以獲得 1 年免費 Perplexity Pro plan 喔!(價值 新台幣6,750)

◆Perplexity 使用實驗室功能對 ANYmal-D 與團隊的全面分析 https://drive.google.com/file/d/1NM97…

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這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
PanSci_96
・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

現在的太空垃圾有多少?

最大的太空垃圾可能是整節火箭!

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
圖|PanSci YouTube

為什麼說太空垃圾真的很危險?

為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
圖|PanSci YouTube

在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題?

太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
圖|PanSci YouTube

清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢?

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
圖|PanSci YouTube

方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

太空垃圾問題有解嗎?

現在的太空有多擁擠?

如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
圖|PanSci YouTube

治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

  1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
  2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
  3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
圖|PanSci YouTube

不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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清除太空垃圾能有商業價值?

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
圖|PanSci YouTube

另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

  1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
  2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
  3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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參考資料

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