0

1
0

文字

分享

0
1
0

芭芭拉.麥克林托克──嚮往自由的獨身研究者

科學大抖宅_96
・2016/06/15 ・7252字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

我擁有很美好的時光──很難想像有更好的了。……我的人生很有意思,也非常、非常令人滿意。

1983年,諾貝爾生理與醫學獎頒給了細胞遺傳學家芭芭拉.麥克林托克(Barbara McClintock),以表彰她發現轉位因子(transposable element)的成就;這也是史上第一次由女性單獨獲得該獎項。在當時的記者會上,她這麼評論了自己的過往。然而,只要深入了解其生平,就會發現事情並非如此輕鬆;尤其,對一度考慮放棄研究工作的年輕麥克林托克而言,更是如此。

Barbara_McClintock_(1902-1992)
芭芭拉.麥克林托克在實驗室的照片(來源:維基百科

不像個女孩

芭芭拉.麥克林托克,1902年6月16日生於美國康乃狄克州。父親是醫生,奮力於建立自己的醫療診所;母親擅長彈奏鋼琴、繪畫和詩詞,靠教鋼琴課貼補家用。

出於種種家庭因素考量,芭芭拉從三歲開始、直到小學入學前,都與麻薩諸塞州的姑媽、姑丈同住。姑丈開著小貨車販賣魚貨,芭芭拉則跟著他到處跑,也常興致盎然觀察姑丈苦惱地修理車輛故障。

1908年,麥克林托克全家搬到紐約市布魯克林。可能天性使然,芭芭拉很早就顯露出獨立自主的性格,甚至在襁褓時期就習慣獨處。她鍾情於運動、以及個人就可以做的活動,例如閱讀、或靜靜坐著想事情。她會跟男生們一塊兒打球,卻跟小女生玩不起來。那時候的她,就像個小男生。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

芭芭拉的父母,一直秉持著相對開明的教養態度,讓她發展自己的興趣、也不會要求她表現得像個女孩。四歲時,父親還送了拳擊手套作為芭芭拉的生日禮物。他們認為,學校只是教育的一環,其他的生活教育一樣重要。例如,當芭芭拉表示出對溜冰的興趣,家裡就準備了最好的溜冰鞋給她,甚至允許她蹺課去溜冰。

芭芭拉和父親相當地親密。父親不但理解她,也樂於給予回應、和無微不至的照顧;母親雖然和她關係緊繃,卻也全力支持女兒的特立獨行。有次,鄰居大嬸指責芭芭拉,說她不但穿褲子[1]、還在街上跟男孩們遊玩,很不應該;必須好好學習當個女孩。獲知這件事後,她的母親立刻打電話給鄰居,堅定地要求對方不得再向芭芭拉講類似的話。

高中時期,麥克林托克發展出對科學和知識的興趣,不只常幫同學解答習題,還會試著找出不同的解法。她也開始察覺,要貫徹自己想做的事似乎並不容易;但無論如何,她都必須要順從自己的內心、不受外界限制。

麥克林托克一家四個小孩和母親的合照。(左三為芭芭拉。圖片來源)
麥克林托克一家四個小孩和母親的合照。(左三為芭芭拉。圖片來源

特立獨行

高中畢業後,儘管她想上大學,母親卻抱持反對意見:一方面,家境並不寬裕;二來,接受高等教育會讓女兒結不了婚。芭芭拉的兩位姊姊確實也在母親的勸說之下,沒有上大學(即使其中一位還獲得獎學金補助)。但母親的考量並不難理解。當時,美國女性連投票權都沒有,女人的生涯基本上完全仰賴於丈夫。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無可奈何之下,芭芭拉工作了幾個月,並利用下班時間在圖書館自學。恰好,第一次世界大戰落幕,父親從軍旅歸來,帶來新的契機。她的父親雖然同意母親的說法、也預期芭芭拉的學術之路會走得相當艱辛,但還是採取了支持的態度,同意她進入康乃爾大學(Cornell University)農學院就讀。即使求學之路波折不斷,她的父母最終都還是選擇了在背後默默支持芭芭拉的決定。

時值1920年代,隨著戰爭結束,年輕士兵返鄉引起了新一波的社會風氣轉變。爵士樂誕生、較開放的性關係、非法酒吧[2]裡的飲酒作樂、原住民和同性戀等少數族群得到稍微平等的對待;女性的地位亦有所提昇,包括取得投票權。人稱咆哮的二十年代(Roaring Twenties)。

在當時的社會氛圍下,特立獨行的她如魚得水,率校園女學生之先,將頭髮理成鮑伯頭式的短髮、在公開場合抽菸;玩爵士樂,隨當地爵士樂團到酒吧或餐廳彈奏班卓琴(五弦琴)。她盡情地修習有興趣的科目,而且一點也不在意成績。

在大學裡,不論社交上、或智識上,麥克林托克都得到許多成長,不但獲選為女性新生的級長,也被邀請加入姊妹會;不過,當她發現姊妹會相當排外、並非所有人都能進入時,就拒絕了邀約。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

頭兩年,她也常常約會,不過這些關係都沒持續下去。日後她回憶:「我並沒有強烈的需求要和某人有依附之情,我就是感覺不到它。我永遠不了解婚姻,現在依然……我從來沒經歷過需要它的時刻。」獨處帶給她的舒適,以及對理解、學習新事物的狂喜,才真正構築了她的一生。對麥克林托克而言,最大的喜悅永遠來自於科學研究工作和解開謎團。

她不顧家人反對,選擇了就讀大學;也不顧旁人目光和社會對性別的枷鎖,盡情做自己想做的事;她不想受到感情的束縛,只願專注在喜歡的科學研究。

明確的志向

除了修習植物學系夏普教授(Lester W. Sharp)[3]所開的細胞學,1921年秋,她也選修了植物育種系哈奇森教授(C. B. Hutchison)的遺傳學;學期結束後,可能因為對麥克林托克的表現印象深刻,哈奇森打電話邀她繼續修習研究所的遺傳學課程。芭芭拉很高興地允諾了。「很明顯地,這通電話為我的未來定了調。此後我就一直待在遺傳學領域。」在自傳裡,她這麼回憶。

1923年,麥克林托克以很普通的成績(比B稍低一些),獲得主修植物育種和植物學的學士學位。正如她在生活各方面一直很清楚自己想要什麼,她對研究所的方向一點都不感到懷疑──那必須同時包含遺傳學和細胞學兩者;簡而言之,細胞遺傳學。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

她天殺地擺明是個新品種!

當時,康乃爾大學擁有一群傑出的遺傳學家,但遺傳學是由植物育種系開設,而該系卻不接受女性研究生[4]。所以,芭芭拉在植物學系註冊為研究生,主修細胞學,並副主修遺傳學和動物學。為了工作方便,她捨棄裙裝,改穿及膝五分褲──這在當時是很前衛的選擇。

麥克林托克很擅於使用顯微鏡,常常可以發現別人看不出的細胞結構和變化。對喜愛的事物,她的專注力與熱情令人驚訝。她曾講過這麼個小故事:

當我還是大學裡的菜鳥時,修了地質學──而且我真的很愛地質學。所有人沒有例外地都必須參加期末考。……我對這門科目太熟了,懂得的遠多過課堂傳授的,所以迫不及待希望期末考趕快來。……我一點都不想被寫名字這種事干擾,打算先看題目。我很開心地馬上作答,且極度享受這個過程。當一切順利完成,正打算寫下名字時,我卻一點也想不起來。我只能窘在那裡、無能為力。我也不好意思問其他人自己的名字到底是什麼──他們只會當我腦袋有問題。我愈來愈焦慮,直到約二十分鐘後名字才浮現在腦海中。

進入研究所後,她擔任細胞學家蘭多夫(Lowell Randolph)的助理。這段合作關係雖然短暫,但他們共同研究了玉米花粉裡染色體的減數分裂行為,並發表論文──這也催生了玉米的細胞遺傳學。

雖然麥克林托克還沒拿到學位,剛到康乃爾大學工作的博士後研究員羅茲(Marcus Rhoades)卻發現了她的才能。「見鬼了!」他說:「她天殺地擺明是個新品種![5]」在(後來成為她終生好友的)羅茲支持下,芭芭拉在康乃爾大學擔任研究生及博士後研究員期間,逐漸組織起一個小研究群組,成員包括了研究生、博士後研究員與教授,甚至未來的諾貝爾獎得主喬治.比德爾(George Beadle)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1927年博士班畢業後,麥克林托克留在康乃爾大學擔任講師。延續之前的研究,她發展出辨別玉米全部十條染色體的技術,並於1929年發表了玉米的染色體組型(idiogram);隨後,成功辨識出玉米最小染色體裡的基因連鎖群(linkage group);同時,又跟女研究生克萊頓[6]證實同源染色體在減數分裂時的染色體互換(crossover)作用;1931年,她發表了史上第一份玉米基因圖譜。

短短數年間,康乃爾大學研究群在玉米細胞遺傳學得到飛躍般的進展。

1929年,麥克林托克(右一)和同事的合照(圖片來源)
1929年,麥克林托克(右一)和同事的合照(圖片來源

獨身主義和尋找機會

雖然芭芭拉取得博士學位、事業亦蒸蒸日上,她的母親還是希望她能夠找到個好人家嫁了。在生活上,她非常地嚴以律己,時間也安排得有條不紊:所有行程都預先規劃得無縫接軌,以達最大的工作效率;相較之下,對於婚姻她卻是一點都沒有想要處理。她也曾有過對象,但麥克林托克認為自己太獨立、無法接受過於親密的關係。

婚姻只會是災難。男人不夠強……而且我知道我會是那個主導關係的人……我會讓他們的生活變得一團糟。

1931年開始,在美國國家科學研究委員會(National Research Council)及其他一些單位的經費支援下,除了康乃爾大學,她也分別到密蘇里大學和加州理工學院工作,開著她的福特A型車到處跑,並做了一系列重要研究。尤其,密蘇里大學的教授施泰德(Lewis Stadler)教導她如何利用X光引發玉米染色體的基因突變,這成了日後麥克林托克很重要的研究工具。她回憶道:「我每天早上都迫不及待地想趕快去實驗室,我痛恨睡覺。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1933年,她短暫去了德國。但是,第二次世界大戰前夕的德國,社會氣氛並不好,以至於她很快就返回了美國。

此時她已得到博士學位接近七年,也做出許多重要成果。麥克林托克的名聲愈來愈響亮,但一直找不到全職的研究工作;她有著最傑出的學術成就,卻只能長期待在學術職位的最底層。那是艱困的經濟大蕭條年代,工作機會本就不多,提供給學術頂端女性的職缺更是幾乎沒有。即使如此,她卻依然堅持走著自己的路,尋找任何可能的機會。

若結婚就滾蛋

1936年,在好友施泰德的力薦下,麥克林托克終於得到密蘇里大學的助理教授一職。然而,這依然不是終身職,而且教員間的會議她也不能參與;不但升職無望,更可能隨時得捲鋪蓋走路。

有次,一位跟芭芭拉同名同姓的女士在報紙上刊登了結婚告示[7],密蘇里大學植物系主任氣急敗壞找了她來:「如果妳結婚,就會被炒魷魚。」在密蘇里大學的狀況真是「太糟了、太糟了、太糟了。[8]」麥克林托克多年後這麼抱怨:「女性的處境是令人難以置信地惡劣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

她總是穿著褲裝;週末忘記帶系所鑰匙還會爬窗戶進去,引發軒然大波。同時,她的課堂教學也實在不亮眼。對於她種種「所謂」不得體的作風,以及差強人意的授課表現,密蘇里大學校方是看在眼裡、記在心裡。

1941年,麥克林托克最終忍無可忍,衝進院長辦公室,直截了當詢問是否有任何可能被晉升為終身職。對方搖著頭,給了否定的答案。事實上,只要施泰德離開密蘇里大學的話,她可能就會被革職──他又補充道。麥克林托克當下立刻做了決定,不想再留在這鳥地方了!即使不知道下一份工作在哪裡,她收拾行李、開著愛車,頭也不回地離開。總之,她是絕不會再回來了,即使轉行、再也不做遺傳學研究,也在所不惜。

當時,她的成就已經引發了遺傳學的革命,還是美國遺傳學會的副會長;她的早期實驗也被認為是最重要的生物學實驗之一。然而,她就是找不到穩定的經濟來源──終身職的研究工作幾乎只保留給男性,女性要得到是難上加難。

一直以來,麥克林托克總是順從自己的內心而行;即使路途艱險,尚能披荊斬棘、化險為夷。唯獨這次,她恐怕真的是無法再隨心所欲了……

絕望與轉機

離開密蘇里後,萬念俱灰,但麥克林托克仍念茲在茲自己的玉米田。她寫了信詢問好友羅茲的種田計畫。冷泉港(Cold Spring Harbor)。她得到如此答覆。

在羅茲的居中引介下,麥克林托克得到卡內基華盛頓研究所(Carnegie Institution of Washington)在冷泉港實驗室的一年聘研究職。雖然仍有所疑慮,不確定是否要持續這種生活,但她還是答應赴約。可能上天終於看到了她的努力。過不了多久,麥克林托克即被聘為終身職研究員──她總算可以專心種玉米了。

冷泉港實驗室對她來說,是最完美的工作場所:所有人都穿著牛仔褲、每週工作七、八十小時、而且都喜歡生物學研究;不需要教書,研究也沒有任何限制。「我有完全的自由……我可以做任何想做的事,而且不會有任何的反對意見,可說是完美。你無法找到比這更好的工作了──其實就像是沒工作一樣。」她這麼形容這份工作。

1944年,麥克林托克被選為美國國家科學院(National Academy of Sciences)史上第三位女院士;緊接著,1945年又獲選美國遺傳學會的會長。當她接到消息時,並沒有歡欣鼓舞,反而是百感交集地留下眼淚。如果她是男人,應該會很高興地接受這一切;但作為女人,感受就相當不同了──喜悅、壓力與責任夾雜而來。在寫給朋友的書信中,她說:「猶太人、女人和黑人已經習慣那些針對他們的各樣歧視,所以通常沒太多期待。我不是女性主義者,但我非常樂見那些加諸在猶太人、女人跟黑人等的不合理疆界被打破──這種事情對我們所有人都有益處。

麥克林托克和她在冷泉港的玉米田(圖片來源)
麥克林托克和她在冷泉港的玉米田(圖片來源

轉位因子與飽受冷落

從自己種的玉米田,麥克林托克發現,有別於她原先的預期,玉米顏色似乎呈現某種奇怪的模式。經過一番研究,她在玉米的染色體中發現了兩個特殊的基因位點(loci);二者不但可以在染色體中轉移位置,之間還存在緊密的關係。因為它們能夠控制其他基因的開啟或關閉,所以芭芭拉稱之為控制因子(controlling elements);隨著控制因子的移動,基因是否作用、和基因突變產生的效應,都不是固定不變的。甚至,外在環境也可能影響到基因的運作。

在此之前,基於過往的證據,遺傳學界認為,染色體裡基因的位置和順序是固定的、不太會發生變動。然而,麥克林托克的細心和追根究底,讓她發現了嶄新的、調節與控制基因的動態性運作機制。不僅如此,她更看出箇中蹊蹺:同樣的機制,或許也能為許多動、植物變種(如變種人X-Men)的成因提供解釋。現今,我們將這些自發移動的基因稱為轉位因子(transposable element),或是跳躍基因(jumping genes)。

1948年,麥克林托克寫了份報告,披露她的階段性發現;1951年,在冷泉港生物學專題討論會上,她正式發表了完整的論文。只不過,學界的反應一點兒也不好:不是困惑、就是質疑。緊接著,她又持續發表了數篇論文,社群的反應卻同樣冷淡;可以想見,芭芭拉感到非常地失望。最後,她將研究成果彙整成一篇長論文,於1953年出版;果不其然,還是乏人問津。

在那之後,她大都將研究成果紀錄在筆記本上、封存到書架的一角;僅偶爾出版一些簡短的研究摘要,甚至也不太發表演講了。即使沒人欣賞,她仍繼續著她那高深莫測的研究;同時,也廣泛涉獵其他不同的生物學領域。

我知道的科學家裡,沒有人能有這樣的紀律和自信去堅持所做的事。」日後,她的分子生物學家朋友如此形容那段時期。「當我發現他們不理解、也不當它一回事的時候,我很驚愕,但我並不在意。我就是知道我是對的。……光是研究本身就帶給了你莫大的愉悅。」芭芭拉本人倒是這麼描述。

或許,也不能怪罪生物學界的同行。當時,遺傳學的研究焦點已經改變;物理和化學原理被廣泛運用在生物學研究上,分子生物學正蓬勃發展,也獲得許多成果。另一方面,麥克林托克的實驗既困難又艱深;她也實在不擅長把複雜的研究講得淺顯易懂;即使是世界頂尖的遺傳學家都不見得明白她的研究。

此時,她已經偏離學界主流很遠,也沒辦法說服同儕相信她的成果。要一直到60年代晚期,細菌的轉位因子被發現;以及70年代,玉米基因被成功複製,其轉位因子亦被詳加分析之後,麥克林托克當初研究的重要性才被理解。名氣和名譽、也慢慢地聚集而來。

生命的榮光

1983年,在第一份轉位因子報告的35年後,諾貝爾獎的榮耀降臨於麥克林托克身上。雖然獎金對財務很有幫助,她卻很厭煩隨名氣而來的各式邀約與打擾;她一向不喜歡曝露在公眾的目光之下。

我不認為有比這裡(冷泉港實驗室)更好的機構,能如此讓人盡情做想做的事。如果是在其他單位,我肯定早就因為我做的那些事而被開除了。」她這麼回顧自己的研究生涯。冷泉港實驗室對研究員完全尊重與放手,就麥克林托克而言,是最好的工作環境;她也明白,自己的隨心所欲並不見容於大多數的研究單位。換言之,冷泉港實驗室和芭芭拉,若少了其中任何一者,轉位因子的重大發現都不可能那麼迅速出現。

雖然,在名義上她1967年就退休了,但她其實從未離開科學研究。直到接近九十歲了,麥克林托克才把工作時數縮減為每天八至九小時。她的研究,經歷了長時間的不被讚賞;她的人生,勇於對抗加諸在性別上的枷鎖。她也教導了我們,最重要的科學發現不見得馬上就會被社會認可、甚至也不會是最受注目的。她的學術成果直到現在都還是非常有用;她的成就與故事,也成為女性科學家的楷模。

1992年,她的朋友、學生和同事為她舉辦了盛大的生日派對,並出了專書紀念她的貢獻[9]。就在這個生命中最難忘的派對之後沒幾個月,1992年9月2日,麥克林托克瀟灑地離開了世界。當我們仔細回顧她的人生,正如同她終身所信奉的圭臬「我想要自由,[10]」所有的一切都是這麼率性、有主見、不受束縛──她是真正順從自己內心的自由人。

1992年出版的紀念專書
1992年出版的紀念專書

參考資料

  • 《Barbara McClintock》; J. Heather Cullen(Chelsea House Publishers)(2003)
  • 《The Tangled Field: Barbara McClintock’s search for the patterns of genetic control》;Nathaniel C. Comfort(Harvard University Press)(2001)
  • 《Barbara McClintock: Pioneering Geneticist》;Ray Spangenburg & Diane Moser(Chelsea House Publishers)(2008)
  • 《Encyclopedia of Science and Technology Communication》;Susanna Hornig Priest(SAGE Publications, Inc.)(2010)
  • 《Biographical Memoirs》;National Academy of Sciences of the United States of America(National Academy Press)(1999)
  • 《Nobel Prize Women in Science: Their Lives, Struggles, and Momentous Discoveries》;Sharon Bertsch McGrayne(Joseph Henry Press)(1998)
  • 《Handbook of Maize: Genetics and Genomics》;Jeff L. Bennetzen & Sarah C. Hake(Springer)(2009)
  • 《Classical Genetic Research and Its Legacy: The Mapping Cultures of Twentieth-Century Genetics》;Jean-Paul Gaudillière & Hans-Jörg Rheinberger(Taylor & Francis)(2005)

註釋

  • [1] 當時,褲裝並不算是女性的穿著。有興趣可以參考這篇文章
  • [2] 當時美國實行禁酒令,全面禁止一切酒精飲料的製造、販賣和進出口。
  • [3] 後來他成為麥克林托克的研究所指導教授。
  • [4] 根據近期的研究,當時植物育種系確實有女性研究生。這裡的矛盾還有待科學史研究者釐清。
  • [5] 原文:“Hell. It was so damn obvious. She was something special.”
  • [6] Harriet Creighton,日後亦成為植物學家和大學教授。
  • [7] 當時的人結婚,常常會利用刊登在報紙上的方式昭告天下。
  • [8] 原文:“Awful, awful, awful.” 因為很重要所以她說了三次。
  • [9] 《The dynamic Genome: Barbara McClintock’s Ideas in the Century of Genetics》; Cold Spring Harbor Press, 1992.
  • [10] 原文:“I want to be free.”。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
科學大抖宅_96
36 篇文章 ・ 1948 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

0

2
1

文字

分享

0
2
1
「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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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…

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (3)
顯微觀點_96
・2025/03/13 ・3195字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

科學:一場每天進行的淘汰賽

在以錦標賽理論(tournament theory)運作的專門領域中,贏家獲得的獎勵將遠超出輸家,即使兩者的實際表現、累積貢獻僅有毫釐之差。就像奧運百米賽跑,0.005 秒決定了金牌與銀牌,只慢了 0.01 秒的第四名沒有資格出現在頒獎台。

諾貝爾獎、終身職制度、學術獎金、研究計畫的經費審核,也依照近乎贏者全拿的錦標賽理論運作。錦標賽制度在運動賽事中可以促進選手與隊伍不斷提高表現水準,但在科學領域呢?

諾貝爾獎作為額外的最高榮譽,嚴格維持其傳統限制(獎項最多由 3 人共享、僅頒發給在世者),許多傑出科學家成為遺珠,但這不阻礙他們在專業領域得到足以安心的資源,作出重要貢獻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008nobel Prize Group Photo 2
2008 年,諾貝爾獎得主合照。左一為錢永健,左二為下村脩,左四為查菲。普拉修曾想像自己置身其中,並得到更光明的學術前途。Courtesy of Nobel Prize website.

但是,目標包含鼓勵尖端學術研究、探索重要問題的學術終身職制度與計畫審查系統,它們的錦標賽特質卻在普拉修身上呈現負面效果。

若說錦標賽模式的獎勵機制可以鼓勵科學家投入潛力豐厚的研究題材,以及努力實踐靈感的能力。那麼普拉修和查菲一樣,及早意識到能夠獨立發光的 GFP 是生物學研究的金礦,可以用來追蹤活體細胞中的基因與蛋白質表現。而且普拉修更早著手研究,優先踏上 GFP 基因轉殖的跑道。

「要是我們在普拉修完成 GFP 序列後馬上展開合作,他應該不需要離開伍茲霍爾。」
說起自己與普拉修在 1989 年到 1992 年之間的失聯,查菲如此猜測

查菲和錢永健之所以能夠找到普拉修,搶先實現 GFP 應用(當時有其他競爭團隊在研發細胞內的螢光標記),是因為當時網路快速發展,使美國國家醫學圖書館(NLM)的線上文獻查詢系統 Medline 在 1992 年進入大學圖書資訊系統,他們才能起身實踐靈感,唾手找到普拉修的最新研究。

就普拉修的運氣來說,網路卻發展得不夠快。在 1990 年代中期開始流行的電子郵件若早個幾年普及化,普拉修更可能維繫與查菲的合作,及時得到經費與GFP轉殖成果,並晉升終身職。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當年普拉修的電話留言渺無回音,他以為查菲退出學術圈(查菲年輕時確實曾刻意遠離科學)。而查菲則猜測普拉修挫敗於GFP基因選殖,連個通知都沒有。在網路、電子郵件還不普及的 1990 年,要維持與合作者的聯繫需要付出更多心力與時間。通訊的困難與少許不足的人際積極性,導致兩年的延遲發表,讓普拉修耗盡研究經費與終身職的機會。

查菲的gfp線索筆記
查菲的 GFP 線索筆記,普拉修出現在右下區,線索的末端。他的前雇主科米爾、GFP 純化者下村脩(Shimomura)也出現在上方。查菲在回憶錄中說,這些線索引導他實現後來的成就。Courtesy of M. Chalfie

查菲團隊實現 GFP 基因轉殖的時候,實驗室裡甚至連一台螢光顯微鏡都還沒添購,他們必須和其他學者借用、排隊等候系所共用的共軛焦顯微鏡,才能觀察大腸桿菌與線蟲體內新生的螢光。後來,查菲多次要求顯微鏡供應商帶螢光顯微鏡來提供「試用」,團隊才得以更便利地檢驗轉殖成果。

GFP 的應用需求,大力刺激光學顯微技術的進展。它最早期的轉殖實驗成果,竟是由免費試用的螢光顯微鏡呈現。這聽起來是令人莞爾的科學史軼聞,但能夠靈活周轉的人脈、儀器,也是孤立的普拉修和著名大學教授查菲的學術資本落差之一。

透過改變訓練技巧與累積訓練量、最大化優勢、競賽當下的意志與觀察力,運動員偶有逆轉資本落差的機會,以黑馬之姿獲勝。但是在學術領域,研究題材的重要性與個人的才華、執行能力卻不像跑道上的衝刺秒數一樣清晰。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「他們大可以把我從諾貝爾獎名單去掉,換上普拉修。」
查菲總是對媒體表示,普拉修的貢獻不可忽視

在科學這個由同儕評價定勝負的錦標賽中,多數科學家難以逆轉經費、人脈等資本差距,也很難讓不同領域的專家了解自己的研究重要性,只能努力支撐、累積資本,期待自己贏得經費與知名度的時刻。等待運氣與環境好轉的餘裕,得以截長補短的經濟與社會資本,卻正是學術領域錦標賽中多數年輕科學家所缺乏的。

落敗的運動員至少獲得在競賽中表現的機會,以及某個程度的肯定。論文發表日期稍微落後競爭對手的科學家,則連努力被看見的機會都非常稀少。

普拉修與諾貝爾化學獎失之交臂、鬱鬱不得志的職涯是段引人喟嘆的個人史,並非科學體系的挫敗。他只是科學錦標賽持續依照慣例淘汰的諸多優秀人才中,有幸被贏家們提及的一位。

比普拉修年輕一歲,學術晉升之路卻順暢許多的錢永健曾說,「下村脩和普拉修對 GFP 研究的貢獻是無可取代的。」而且在普拉修 1992 年發表 GFP 基因的純化與定序,並且樂意對任何人分享之後,

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「後面那些以研發 GFP 獲得榮譽的人,與其他人的不同可能只有些微的進度落差。」

錢永健在 2004 年至 2008 年之間,積極地建議諾貝爾獎委員會頒獎給下村脩與普拉修,但結果並非如此。

生命中的萬花筒 陳樂融
源自錢永健開發的多種螢光蛋白,形成 brainbow 技術。作品名:生命中的萬花筒,作者:陳樂融 Courtesy of Taiwan顯微攝影競賽

後續發展

普拉修從斯德哥爾摩回到亨茨維之後,受到包括國家公共廣播電台(National Public Radio)、《科學》期刊、亨茨維時報等美國媒體關注。但在訪談與報導的熱潮過後,普拉修依然坐困時薪 8.5 美元的豐田接駁車裏頭。

從諾貝爾頒獎典禮的輝煌榮譽,回到乏味、有時不受尊重的駕駛座上,失落的普拉修不敢相信自己依然找不到科學研發相關的工作。他喪氣地想,「經歷了這一切,我竟然還是沒有辦法回到科學領域。這中間一定出了什麼錯。」

在最憂鬱的那天,普拉修一度把接駁車停在路邊,撥號向亨茨維自殺防治熱線求助。過不多時,他在 2010 年找到科技研發的職位,2012 年他接受錢永健的提議,進入他的實驗團隊擔任研究員。重新在一個充滿支持與資源的環境投入科學研究,讓普拉修再度感到生活的動力與快樂。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2016 年錢永健逝世,實驗團隊解散,而普拉修在前一年就已離開 UCSD,從此沒有留下任何公開痕跡。曾被自殺防治熱線的機械式留言激怒到啞然失笑,決定繼續活下去的普拉修今年已經 73 歲,科學錦標賽的勝負再也不能困擾他,但科學思考帶給他的樂趣或許能夠不斷更新。

Prasher In Ucsd
普拉修在錢永健實驗室的照片。讓他對人生更加滿意的不是體面的加州大學聖地牙哥分校制服,而是可以實現對科學的好奇與想像,並得到周遭的支持。Courtesy of San Diego Union Tribune

延伸閱讀:

參考資料:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。