「頭殼壞去」真的沒救了？讓微型電子網格進入體內修復大腦

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上，總是時不時地晃動？這個問題或許有些令人不安，但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計，台灣每年有 40,000 次以上的地震，其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日，花蓮的大地震發生後，台灣就經歷了超過 1,000 次餘震，這些數據被視覺化後形成的圖像，宛如台北101大樓般高聳穿雲，再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後，許多外國媒體擔心半導體產業會受影響，但更讓他們稱奇的是，台灣竟然能在這麼大的地震之下，將傷害降到這麼低，並迅速恢復。不禁讓人想問，自從 25 年前的 921大地震以來，台灣經歷了哪些改變？哪些地方可能再發生大地震？如果只是遲早，我們該如何做好更萬全的準備？

要找到這些問題的答案，最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館：國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

下一個大地震在哪、何時？先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分，台灣發生了一場規模7.3的大地震，震央在南投縣集集鎮，全台 5 萬棟房子遭震垮，罹難人數超過 2,400 人。其中，台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過，地面隆起2.6公尺，多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區，保留這段震撼人心的歷史，並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

車籠埔斷層保存館建於原操場位置，為了保存地表破裂及巨大抬升，所以整體設計不採用樑柱結構，而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成，外觀為曲線造型，技術難度極高，屬國內外首見，並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍，讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力，進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館，透過互動展示，讓參觀者親手操作，學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示，面積上，台灣是一個狹長的小島，卻擁有高達近4000公尺的山脈，彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史，從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震，到1999年的921大地震，都發生在台灣西部，與西部的活動斷層有密切關聯，震源位於淺層，加上人口密度較高，因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域，地震震源分佈更廣。與西部相比，雖然東部地震更頻繁，但由於人口密度相對較低，災情相對較少。此外，台灣東北部和外海也是地震多發區，尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶，至沖繩海槽向北延伸，甚至可能影響到台北下方，發生直下型地震，這種地震因震源位於城市正下方，危害特別大，加上台北市房屋非常老舊，若發生直下型地震，災情將非常嚴重。

除了台北市，蔣正興博士指出在台灣西部，我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響，該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外，我們也需要留意西南部的地震風險，如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部，因為存在眾多活動斷層，當然也需要持續注意。

我們之所以擔心某些斷層，是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量，一旦達到臨界點，就會釋放，進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘，尋找過去地震的證據，如受構造擾動沉積物的變化，然後透過定年技術來確定地震發生的時間點，估算出斷層的地震週期，然而，這些數字的計算過程非常複雜，需要綜合大量數據。

挑戰在於，有些斷層的活動時間非常久遠，要找到活動證據並不容易。例如，1906年的梅山地震，即使不算久遠，但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難，更不用說那些數百年才活動一次的斷層，如台北的山腳斷層，因為上頭覆蓋了大量沉積物，要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動，我們仍然可以預先對這些構造做風險評估，從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區，就是那個可以發現應變之道的地方。

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員，常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後，台灣進行的六大改革。制定災害防救法，取代了總統緊急命令。修訂了建築法規，推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍，在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產，增設了歷史建築類別，確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

最後，則是推行防災教育。黃英哲表示，除了在學校定期進行防災演練，提升防災意識外，更建立了921地震教育園區，不僅作為教育場所，也是跨部門合作的平台，例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作，進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址，讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力，最具可看性；然而除此之外，園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地，為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老，在園區服務將近 19 年，主要負責日語解說工作的陳婉茹認為，園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化，如抬升的操場和毀壞的教室場景，讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力，尤其是對於年輕的小朋友，即使他們沒有親身經歷過，也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶，之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀，原本小朋友並不認真聽講，到處跑來跑去，但當他看到隆起的操場，立刻大聲說這他在課本看過，後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

除了每看必震撼的地景，園區也透過持續更新策展，邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到，去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生，當時她儘管驚恐，依舊背著腿軟的學姊下樓，讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

在地震體驗平臺的設計中，黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力，更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作，一樓展示區採用了時光機的概念，運用輕鬆、童趣的風格，希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片，讓遊客真實感受921地震的情境。她強調，這次展覽的目標是全民，設計上避免了血腥和悲傷的元素，旨在讓觀眾帶著正向的感受離開，並重視防災意識。

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始，九月完成，為了迅速而有效地與設計師溝通，黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具，來加快與設計師溝通的過程。

蔣正興博士說，當初學界建議在此設立地震教育園區，其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生，這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後，安朔葉教授立刻趕到台灣，認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點，建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年，在斷層館的展示更新中，便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外，作為 20 週年的相關活動，今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄（MOU），強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀，感謝他不遺餘力，長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

前事不忘，後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍，只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示，921地震發生在車籠埔斷層，其錯動形式成為全球地質研究的典範，尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示，距離車籠埔斷層約100公尺內，住在上盤的罹難率約為1%，而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近，特別是上盤，是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動，這一數據清楚告訴我們，在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後，政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長，全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性，但台灣不同，斷層活動十分頻繁。例如 1951 年，米崙斷層造成縱谷地震，規模達 7.3，僅隔 67 年後，在 2018 年再次發生花蓮地震，這在全球是罕見的，也因此 2016 年劃設的地質敏感區，在 2018 年的地震中便發現，的確更容易發生地表破裂與建築受損，驗證了地質敏感區劃設的有效性。

在過去的20年裡，921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步，也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡，每一項展示，都在默默提醒我們，那段傷痛歷史並未走遠。然而，我們對抗自然的力量，並非源自恐懼，而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區，感受那因地震而隆起的操場，或是走過曾經遭受重創的教室，你會發現，這不僅僅是歷史的展示，更是我們每一個人的責任與使命。

來吧，今年九月，走進921地震教育園區，一起在這裡找尋對未來的啓示，為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

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百年驚奇－霧峰九二一地震教育園區｜天下雜誌

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

艾瑞克索圖（Erik Sorto）是一名癱瘓十年的身障者，但他同時也是類似患者們的新希望。2013 年艾瑞克不顧家人反對，毅然報名接受了一場腦部手術。現在的艾瑞克有如科幻小說中的角色，只要他想像抓取東西的樣子，安裝的機械手臂就會執行他的命令。

過去雖然也有少數身障者透過腦機介面（brain-computer interface，簡稱 BCI） 操控機械，但這些受試者的植入體，所接受的信號多來自連結脊椎與肌肉的前運動皮質區，只能被動記錄訊號。而艾瑞克是第一位在後頂葉皮質層內（產生肢體運動意念的區域）植入晶片，讓機械主動理解使用者意圖的人。

加州理工學院的神經科學教授、也是這次實驗的首席研究員理查安德森（Richard Andersen）解釋，從使用者的意圖出發，不僅較符合人性，也能讓機械手臂作用的速度更快，艾瑞克所做的是讓機械手臂理解他的最終目標，而不是操控所有運動細節。舉例來說，當我們伸出手臂拿起一杯水時，你不會去思考每一個關節或肌肉該如何伸展、或拆解每個動作，你只想著要拿到那杯水而已。

透過數據累積，讓手臂知道你想做甚麼

在研究初期，研究人員先透過核磁共振技術，觀察當艾瑞克產生抓取等動作等意念時，頂葉皮層內兩個最活躍的區域。在此之後便植入 2 個微電極陣列，裡面各自包含 96 個電極，能夠記錄單一神經元的活動。此外，在艾瑞克的頭骨上有兩個金屬基座，能夠接收電極收到的信號，並連接機械手臂。

術後一個月，艾瑞克就開始了與團隊的合作。在第一個實驗中，工作人員先做出某些手勢，讓艾瑞克在腦中想像、模仿做出這些動作的感覺，並藉由不同的動作，觀察哪些神經元會對特定動作有反應。長期研究下來，團隊能夠不斷校準神經元與動作間的關係，針對位置、移動軌跡及特定運動等類別歸納出一套演算法。此外，安德森表示，即使系統沒有接收到完整的信號，也能透過演算法與過去的數據，自動補足需要的信號，這也會讓使用者操作起來更便利，減少失誤的次數。

頂葉皮質會是最佳解答嗎？

過去腦機介面（BCI）的開發，多根基於美國布朗大學腦科學研究所主任約翰多諾霍（John Donoghue）對運動皮質的前瞻研究。­多諾霍認為這次的實驗確實證明了頂葉皮質可以提供較有用的信號，但現階段他無法肯定頂葉皮質就是念動控制最好的選擇，因為目前的實驗成果雖好、但還不夠好，團隊尚未得知如何得到更精準的控制手段。

實驗的首席研究員安德森也曾提議結合來自運動皮質與頂葉皮質的兩種訊號，透過交叉判斷讓機械手臂的判讀更清晰，然而多諾霍則表示，結合不一定會帶來增值效果。他提到，當我們試圖用手拿起杯子時，會用到多達 80% 的大腦，上述兩種皮質只占了一部分，且傳遞出的訊號其實相當類似，因此不排除其他部分的大腦有可能蘊藏了更關鍵的數據。

依然努力著的艾瑞克

在學界熱烈討論的同時，艾瑞克仍舊繼續著他與機械手臂間的實驗。在這兩年中，他的熱情絲毫未減，並致力提升操控的精準度，他練習玩了 6700 多次的剪刀石頭布，因為這些對常人而言簡單的動作，都是重要的突破。雖然過程辛苦，但艾瑞克終於在今年實踐了他長久以來的目標：透過機械手臂拿起啤酒，並暢快的痛飲一番。未來，他還想嘗試刷牙、刮鬍子等更精細的動作。

（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

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中，劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小，乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠，許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐，但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日，雖然我們還無法將人縮小，但在醫療領域，小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想，而是正在實踐的理想。

終極目標：實用醫療

過去十年，已經陸續出現各種研究成果，例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室，有些則已經進入動物實驗，科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務，醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然，夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下，科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性，以免傷及組織，並設計一套在任務完成後，安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力？

關於續航力的問題，微型化不利於傳統的化學電池技術，因為一旦物體小於一毫米，電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」，透過無線電波獲取電力，從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰，因為機器人需要有能夠接收電波的天線，且天線不能太小，同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠，避免收不到信號。

此外，也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極，當芯片遇到胃酸變形時，電極便會結合並透過化學作用獲取5～10分鐘的短暫電力。在這期間，裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制，工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力，才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭，經由特定反應對象獲取能量，例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術，例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下，也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯（David Gracias）與其同事，已經開發出一種星型的微型鉗，能對環境因素產生反應，例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內，當偵測溫度靠近人的體溫時，微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當，微型鉗便能採集周遭的組織，進行篩檢。微型鉗的應用，可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示，患者可以透過「服用」大量的微型鉗，讓裝置直接抵達腸道，增加篩檢取樣的面積。與之相對，醫生也能從直腸直接注入微型鉗，稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官，到達的門檻較低，且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織，前往正確位置的難度就高上許多，需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜（Bradley Nelson）正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示，即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人，都難以抗衡血液中強大的電流，因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散，但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度，進一步減低藥物的劑量，以減少副作用。

目前採用的解決方案，是在裝置外圍添加磁性材料，並透過核磁共振機器，引導裝置到達目的地，此舉已在動物實驗獲得成功，但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制，也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式，希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

（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

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

微型電子網格能夠如何助神經科學一臂之力？「不同於以往嵌入到體內的一般晶片，機械生物（Cyborg-type）型態的裝置， 將在不久的將來實現。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏（Charles Lieber）表示。根據目前植入到實驗鼠大腦中的結果顯示，微型電子網格未來可能可以替人操控義肢、義眼、甚至是協助修復大腦損傷、幫助受損組織的細胞再生。

先縮小，再還原

聽來驚悚，微型電子網格究竟要怎麼進到一顆腦子裡呢？其實只要打針就可以了。實驗團隊從矽奈米線（silicon nanowires）中製造出場效電晶體（field-effect transistors），發現當這些微型電晶體被放置在液體中的時候，會「蜷縮」起來變得更微小。

於是他們將場效電晶體放進食鹽水、並用針筒將食鹽水注射到實驗鼠的大腦中。在注射完成的一個小時後，場效電晶體就會延展、恢復為原本的形狀。「這個手法其實在生物和藥學的領域很常被用到。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏（Charles Lieber）表示。

其實 2012 年時，李柏的團隊就打造了可被神經、心臟以及肌肉組織依附生長的矽奈米線支架（silicon nanowire scaffolds），藉此測試這些細胞會如何對外來刺激做出反應。這次新研發出來的微型電子網格同樣是由矽所製成，但外觀更加扁平、形狀更近似於平行四邊形，這些特性都讓它更容易在浸泡至食鹽水時可以蜷縮至小於針頭的直徑。

覺得「遇水則縮」聽起來沒什麼了不起的嗎？那麼來看看這些微型電子網格原本有多大吧－大約為 3 到 4 公分寬，是針頭直徑的 33 倍大！

微型電子網格如何和體內組織好好相處？

想當然耳，「能伸能屈」對於微型電子網格是種非常重要的能力，微型電子網格必須具有彈性，才能和腦部組織互相接合。唯有電子網格能夠保持足夠的柔軟，才能確保它不會傷及體內組織、減少副作用、避免免疫反應發生。
奈米電子學的目標是要能夠擔任細胞外基質的角色去「抱住」細胞們。在李柏的團隊和實驗鼠的努力之下，發現微型電子網格可以和腦細胞良好的結合，甚至可以幫助修補中風或脊髓受損造成的損傷。「這幾乎是達成一種『人工突觸』的程度了。」李柏表示。

看看過往瓶頸，想想未來展望

微型電子網格可扮演感測器的角色，測量藥物如何幫助心臟更加順利跳動。在這種情況下，這類型裝置的最大挑戰都在於促成電子和細胞之間的通訊。以目前的醫療科技發展，醫生其實已可運用電極裝置，去測量大腦或肌肉發出的訊號來嘗試控制義肢，但使用電極裝置的副作用也不少。以為了深度刺激帕金森氏症患者腦部的微型電極裝置為例，疤痕會引起絕緣問題，一旦如此醫生就必須不斷調整電極的位置並重新發出電波訊號，而導致患者的不適。

目前實驗團隊仍在測試微型電子網格能否維持到 3～6 個月的穩定度。而這項技術若要真正被實踐在人體上，恐怕還需要數年的時間。李柏對於未來的技術發展充滿期待，例如幹細胞是否能隨同網格一同注射、或是直接改變網格表面的化學物質讓他們和特定細胞互相結合、或是建造更複雜、但也更高能力的網格。

「如果微型電子網格的能力越高，我們就能對它的應用有越多想像，例如在不用針頭插入的狀況下，就可以藉由植入奈米裝置來監測糖尿病患的胰島素狀況，或是，使用感測器來持續追蹤心臟病風險群病人的血小板生成。」李柏說。