Dr.Technology

1783年夏末，查理（Jacques Charles）做了一件驚人的大事。他將重量比空氣輕的氫氣充入表面塗佈橡膠的絲質袋子，並駕著這個氫氣球上升到1000公尺高空。他降落地面後沒過多久，嚇壞了的鄉下人就毀掉了這個氣球，但查理從此開啟了200多年來研究人員孜孜不倦的探索歷程：駕馭宇宙中最輕的元素——氫，將它的力量運用到運輸方面。
在為未來車輛提供動力這方面，不論是直接燃燒或是用於燃料電池，氫都是極具吸引力的選擇。原因諸如美國國內工業製造的氫可以來自各種原料和能源（例如再生能源、核能和化石燃料等），這種無毒的氣體還可當做完全無污染的能源，為多種機器提供動力。而且氫燃燒時不會釋出造成溫室效應的二氧化碳，另外如果將氫加入燃料電池堆（類似電池的裝置，可由氫和氧產生電力），可以用來推動電動汽車或貨車，產生的副產物只有水和熱（請參閱2005年4月號〈氫燃料電池車乾淨上路〉）。燃料電池車的效率，可比目前的汽車高出一倍以上。因此，氫有助於緩解許多迫在眉梢的環境與社會問題，包括空氣污染與健康威脅、全球氣候變遷，以及對進口石油的依賴等。
但要真正用氫當做汽車的動力來源，還有很多障礙。如果以重量來比較，氫所含的能量是汽油的三倍，但氫的儲存方式目前還沒辦法像傳統液態燃料那樣簡單緊密。現今挑戰性最大的技術問題，是如何有效地將氫安全儲存於車內，以便為汽車駕駛人提供所需的行駛距離和性能，研究人員必須找出「正好適合」的「金字招牌」方案來解決儲存問題：儲存裝置的氫容納量必須足以達到目前可接受的480公里最低行駛距離需求，而且燃料槽的體積還不能影響乘客或行李空間。儲存槽必須以需要的流速釋放氫，以便在高速公路上加速，並在實際溫度下能良好運作；它還必須能在數分鐘內加滿或充電完畢，而且價格必須有競爭力。但目前的氫儲存技術距離上述目標，都還相當遙遠。
全世界的汽車產業、政府和學界研究人員，都投入極大的心力欲克服這些限制。國際能源總署於1977年簽署的「氫使用協定」，是目前規模最大的氫儲存研究團隊，成員包含來自13國的35名研究人員。成立於2003年的「氫經濟國際合作計畫」目前已有17國政府參與，致力於推動氫能源與燃料電池技術。另外，美國能源部也於2005年開始執行「國際氫儲存計畫」，成立了三所卓越研究中心，有許多產業界、大學與聯邦實驗室攜手進行多項基礎與應用研究；單單去年一年，這項計畫就提供超過3000萬美元的經費給80項左右的研究計畫。

氫燃料電池車難以普及的障礙之一，是其所涉及的問題規模十分龐大。全美國汽車每天的汽油消耗量達14億5000萬公升（每年約5300億公升），佔全美國石油消耗量的2/3左右，其中有一半以上的原油來自進口。如果要讓現今美國國內的汽車產業轉而生產燃料電池車，同時把遍佈全美各地的汽油煉製及輸送網絡改為處理大量的氫，必須投下的經費顯然將十分可觀。燃料電池車本身在價格和耐用程度上也必須能和目前的技術競爭，同時必須具備相同的性能。另外，氫燃料電池車還必須解決安全疑慮以及社會大眾心中揮之不去的一個陰影，大眾對1937年興登堡號飛船在空中燃燒的慘烈情況記憶猶存，並經常將這次事故跟氫聯想在一起。但根據可信的證據顯示，製作興登堡號飛船氣囊的易燃性蒙皮才是引燃火苗，並導致那次災難的關鍵因素。
將氫儲存在車內為什麼這麼困難呢？在常溫常壓下（一大氣壓約等於每平方公分1.03公斤重），氫是氣態，能量密度只有液態汽油的1/3000。容積75公升的箱子儲存一大氣壓的氫氣時，只能推動一般汽車行駛152公尺左右。因此要讓車內氫容納系統達到可用的程度，工程師必須提高氫的儲存密度。

由美國產官界攜手合作、開發未來汽車先進技術的「自由汽車與燃料合作計畫」，其主要運作目標之一，就是達成480公里的最低行駛距離。工程師在進行這類計算時，採用了相當有用的概算法：每加侖（約3.78公升）汽油所含的能量大約相當於一公斤的氫。目前一般車輛行駛480公里大約需要20加侖（約75公升）汽油，但由於氫的運作效率高出許多，因此燃料電池車通常只需要8公斤的氫。依車輛型式和大小不同，某些車型達到這個行駛距離需要的氫可能較少，某些車型則可能較多。根據數家汽車製造廠商對大約60款氫燃料原型車的測試數據，目前的行駛距離大約為160~300公里之間。
為了達成在2010年實用化的目標（有些公司預測第一款量產型燃料電池車可能在該年推出），研究人員將各種儲存技術與「重量百分比6%」的標準進行比較，也就是在燃料儲存系統中，總重量中有6%是氫，假設某套系統的總重量為100公斤（以汽車而言為合理重量），則儲存的氫必須有6公斤。6%看起來不多，但要達到這個標準其實相當困難，科學家紛紛研發可在較低壓力下運作的儲存方案，但目前最佳技術成果的重量百分比還不到2%。除此之外，要讓系統總體積不超過標準型汽車油箱，可能會更加困難，因為用來容納這6公斤氫的儲存槽、閥體、管路、調節器、感測器、隔熱層和各種裝置必然會佔用相當多的空間。最後，達到可用程度的系統的釋氫速率必須夠快，讓燃料電池和電動馬達，足以為駕駛人提供所需的動力和加速性能。
目前已問世的數百款燃料電池原型車，大多將氫儲存在類似潛水用氧氣筒的高壓鋼瓶中。更先進的碳纖維繞線技術可製造強度更高的輕量化儲存槽，安全儲存壓力高達每平方公分350~700公斤（相當於350~700大氣壓）。不過如果只提高壓力，氫密度並不會成正比提高。即使壓力高達每平方公分700公斤，目前高壓儲存槽所能達到的最佳能量密度（每公升39克的氫），大約也只有同體積汽油的15%。目前的高壓儲存槽只能容納重量百分比為3.5~4.5%的氫。福特汽車剛剛展出名為Edge的混合式運動休旅原型車，動力來源為加裝式燃料電池混合系統，儲存壓力為每平方公分350公斤，可容納4.5公斤的氫，最大行駛距離可達320公里。
高壓儲存槽可以使用於某些較為龐大的車輛，例如公共汽車和大型車等等，這是因為這類車輛有空間可以容納足夠的氫，但是一般轎車卻很難做到這一點。另外，目前裝設這類儲存槽的成本，也比一般轎車可接受的價格，要高出了約10倍以上。

氫和各種氣體一樣，冷卻到一定程度就會凝結成液體，在一大氣壓下的冷凝溫度約為-253℃。液態氫的密度為每公升71克，能量密度大約為汽油的30%。將儲存的氫加以液化，可提高其能量密度。在現有儲存方式中，液化氫可在一定容積中達到最大的氫儲存量。這類系統可達到的氫重量密度，依採用的容納及隔熱系統而有所不同。
不過液態氫有幾項重大缺點。首先是它的沸點極低，因此必須加裝冷卻設備，另外在使用時也必須特別注意安全問題，由於它的工作溫度極低，因此容器必須完全隔熱。最後，將氫液化所需的能量比對氫氣施加高壓更多，這點將會提高氫燃料的成本，同時降低低溫冷卻程序的整體能量效率。

儘管如此，還是有一家汽車製造廠商在產品中採用了這項技術。寶馬計畫在今年內推出的Hydrogen 7，將採用能使用汽油（可行駛480公里）也能使用液態氫（可行駛200公里）的內燃式引擎。Hydrogen 7將在美國以及其他設有加氫站的其他國家，銷售給限定客戶。
科學家在研究提高能量密度的可能方法時，或許可以運用氫本身的化學特性。在純氣態和液態下，氫分子只含有兩個相互鍵結的原子。但氫原子跟其他元素形成化學鍵結時，可壓縮得比液態氫更加緊密。目前氫儲存研究工作的主要目標，就是尋找能達成這個效果的材料。
有些研究人員將重點放在名為「可逆金屬氫化物」的材料上，這種材料是荷蘭飛利浦實驗室於1969年意外發現的。研究人員發現，當釤鈷合金接觸加壓後的氫氣時會吸收氫，有點類似海綿吸水的現象，停止加壓時，合金所吸收的氫氣會再度釋出。換句話說，這個過程是可逆的。
這項發現引發了一連串密集研究。美國布魯克海文國家實驗室的雷利（James Reilly），和紐約州薩芬市印科研發中心的山德洛克（Gary Sandrock）率先開發出一種氫化物合金，經過仔細的成份調整後會有吸收氫的特性。這項初步成果成為目前已十分普及的鎳氫電池的基礎。這類合金中的氫密度相當高，往往比液態氫高出150%，這是因為其氫原子被局限在晶格內的金屬原子之間。
金屬氫化物有許多相當適合用在汽車上的特性，它可在較低的壓力下（僅10~100大氣壓）達到高於液態氫的能量密度。金屬氫化物本身也比較穩定，因此不需要額外的努力來維持儲存狀態，不過釋出儲存的氣體時需要加熱。這類化合物最主要的缺點是重量，因為重量太重，做為車內儲存裝置並不實際。金屬氫化物研究人員目前所達到的最佳氫容量重量百分比為2%。這個數字相當於氫儲存系統總重量就高達454公斤（以行駛480公里計算），對於目前約1360公斤的一般轎車而言，這樣的重量顯然過於笨重。
目前金屬氫化物研究的重點集中在氫含量原本就較高的材料，研究人員再將這些材料加以調整，以符合氫儲存系統的需求，包括工作溫度為100℃左右、壓力在10~100大氣壓之間，以及釋放速度必須足以因應車輛快速加速等。但在許多狀況下，氫含量足夠的材料往往太過穩定，釋出氫所需的溫度也高得多。舉例來說，氫化鎂的氫重量百分比為7.6%，但必須加熱到300℃左右才會釋出氫。一套實際使用的系統如果要以燃料電池堆的廢熱（約80℃）當做開關，來讓金屬氫化物釋放出氫，觸發溫度必須再低許多才能運作。

人們對自己驚人的視覺能力太過習以為常，因此少有人會佇足思考，我們究竟是怎麼看東西的。數十年來，科學家將人類的視覺處理機具比擬成攝影機：眼睛裡的水晶體將入射光聚焦投射到視網膜的感光受器陣列。這些光偵測器神奇地將光子轉變成電訊號，沿著視神經傳送給腦處理。不過，我們兩人與其他人最近的實驗指出，這種比擬並不恰當。實際上，在眼睛的視網膜就已經執行了相當可觀的前處理，然後才將一連串各別的圖像資訊傳送給腦解讀。
這個令人驚訝的結論，來自我們對兔子視網膜的研究（我們的蠑螈實驗也得到類似的結果）。兔子的視網膜與人類很相似，看起來像一小片新月形的腦組織，跑到周邊器官（眼睛）中來直接面對外界。視網膜如何建構它所要呈現的內容呢？這些內容到達腦的視覺中樞時，「看來」會是個什麼樣子？又如何傳達真實世界的浩瀚資訊？這些呈現的內容是否透露什麼意義來幫助腦分析影像？這些不過是本研究才剛開始要回答的一部份重要問題。
總的來說，我們已經在視網膜深處找到了會投射堪稱為「12條影帶」（視覺世界的不同萃取）的特化神經細胞（神經元）。每一條影帶包含影像中某個面向的原始圖像，視網膜隨時會更新並傳送給腦。舉例來說，有一條影帶只會傳送描繪物體邊界的線條細節，另一條影帶只會傳送通常是某特定方向的運動，有些影帶則傳送有關陰影或亮部的資訊，其他影帶所傳遞的內容則難以分類。
每條影帶由視神經裡的專屬神經纖維傳送到腦裡的高級視覺中樞，在那兒進行更精密的訊息處理。（人類的聽覺系統也有類似的架構：每條聽覺神經只攜帶小範圍的音調訊息，再由腦整合。）研究視覺皮質的人指出，運動、顏色、深度與形狀等特性由各個腦區處理，特定腦區的受損會造成某種視覺特性的感覺缺失。但腦還能對這些特性有感覺，一開始還是來自視網膜的影片。
接下來幾頁的圖，將解釋視網膜如何創造超現實影像來告知腦子。我們持續研究，漸漸知道每一條影帶是怎麼做成的，但現在絕對還無法提供完整解釋；這12條影像包含了腦所需要用來闡釋視覺世界的所有訊息，但我們還不明白腦如何將這些資訊整合在一起。有可能影片只是個基本線索，充做某種鷹架，好讓腦建構思想。這個想法類似熟知的「心智之眼」，將小說裡的字詞編織成有意義的故事。
視網膜呈現的內容雖然看似完全捕捉了景象的視覺事實，像是餐桌、瀑布或說話的臉，但似乎還是缺了某些要素。這裡頭沒有任何與感受、態度、材質或景象重點有關的成份存在。也許這些特性多少就存在腦所解讀的影帶中，或者，也許因為我們用的是兔子的視網膜，所以沒找到所有人類視網膜可能會捕捉到的圖像，這種「高解析度」圖像或許能以尚不清楚的方式萃取出諸如感受這種特質。

不過，視網膜呈現的內容無疑形成一種視覺的自然語言，現在了解這種語言是非常重要的，因為世界各地的研究人員都想在視神經前面裝入人工偵測器，以取代視網膜，恢復盲人的視力。這方面的研究是有進展，但結果還很粗糙，所能傳送的訊息還只是模糊的基本圖樣。美國南加州大學杜漢尼眼科研究所已經在進行人體實驗了，韋恩州立大學醫學院也將要展開。這些實驗要達到最終的目標，可能還需要很久的時間。成功與否，在於是否能夠讓腦接收到類似正常視網膜會產生的活性樣式，也就是視覺的自然語言。後續的挑戰是了解如何將每種萃取出來的東西「連接到」恰當的視神經纖維。
要建造有效的義眼裝置，必先詳細了解視網膜裡影像的自然語言。同時，這種了解也能幫助研究人員更清楚眼睛與腦是如何共同看清世界、如何遭受錯覺愚弄、如何追蹤快速移動的物體，以及如何填補電視、電腦或露天電影連續播放的影像之間的空白部份。我們希望對視網膜前處理能力的描述，能讓我們更接近這個目標。

視網膜的構造複雜，因而造就驚人的作為。百年前偉大的西班牙解剖學家雷蒙卡厚爾（Santiago RamonyCajal）首先描繪出視網膜的傳統模型，之後這個模型就一直出現在教科書上。之後藉由許多專家的勞苦實驗，又為這個模型增添了生理細節。透明的視網膜由結構優美的神經元組成。桿細胞與錐細胞位在離水晶體最遠的外層，會吸收入射光並將之轉換成神經活性。這些感光細胞連接到10種不同的雙極細胞，雙極細胞伸出傳輸訊息的長臂（軸突）到中央的內叢狀層（inner plexiform layer），後者看起來像是10種不同平行層疊成的，每個雙極細胞的軸突只會將訊號傳送給其中幾層。
叢狀層最裡面有12種不同的節細胞（紫色），其中大部份都會伸出樹突到某一層中，接受來自少數雙極細胞（綠色）的興奮性輸入。節細胞將連續的影像經由視神經送至不同的腦區解讀，有些節細胞的樹突散得很開，攜帶分佈廣泛的訊息，而其他節細胞的樹突分佈較窄，攜帶的是高解析的訊息。有些節細胞會對雙極細胞神經傳遞物質（訊號分子）釋放的增加產生反應，有些則對神經傳遞物質的減少釋放產生反應。
不過，雙極細胞送出的訊息在傳到每一層的輸出節細胞時，並不足以產生12種連續影像。雙極細胞送出的訊號會受到各種小神經元的調節，這些小神經元稱為無軸突細胞（灰色）。有些無軸突細胞會在某一層裡頭橫向運作，抑制同一層中遠端節細胞之間的溝通。其他的無軸突細胞則是縱向抑制不同層之間的訊號（因而是影像與影像之間），像是指揮某一層不要記錄其他層正在記錄的東西。因此，無軸突細胞會接收並送出訊號，協調不同的影帶。德國法蘭克福馬克士普朗克腦研究中心的華塞爾（Heinz Wassle）、海德堡馬克士普朗克醫學研究中心的歐拉（Thomas Euler）以及美國麻州綜合醫院的馬斯蘭（Richard Masland）等，就發現了至少27種不同類型的無軸突細胞（以及這10種雙極細胞與12種節細胞）。
我們眼中所見的空間裡的任何東西，都是在時間的進行中觀察到的。因為視網膜是與時並進地持續看著物體，即便是記錄無色三維空間中一個不動的黑點，也會形成一段連續影像。視網膜裡的每種節細胞都有很多個，而每種節細胞裡的一群組合會傳送不同的連續影像。只不過電影院放映的影片是一個個畫面播放的，而節細胞播放的影片是連續不斷的訊號。

每一組節細胞讀取到的雙極細胞與無軸突細胞之間的互動，成為我們用來解讀視覺世界的數據。讀取過程中，我們知道了物體、認出了臉孔，而且還四處走動說話，而腦接收的唯一視覺線索正是這些訊號的各種組合，這些組合形成的基本「視覺語言」，包含了視覺的神經詞彙、片語斷句與文法。

有關視網膜複雜活性的描述來自於我們的實驗。我們利用一根微細的玻璃管來記錄個別節細胞的活性。以微小針管注射的黃色染劑可以迅速擴散到單一節細胞內的所有樹突，讓我們知道樹突伸到哪一層。這根微小針管也可以當做電極，測量細胞的電活性，這種活性代表了來自雙極細胞的刺激訊號與來自無軸突細胞的抑制訊號的總合。
為了知道節細胞持續送到視神經的訊號，我們從簡單的步驟開始：首先以方形閃光照射兔子的視網膜，然後記錄一列節細胞的反應。為時一秒鐘的閃光只會照在邊長為600微米的方形區域，因此閃光會在一段特定時間中，落在視網膜的特定小塊區域。
我們在這段時間記錄某種節細胞接收到的興奮與抑制訊號，然後為12種節細胞重複同樣的實驗。每種節細胞都有其獨特的反應，而反應程度也大不相同。在下面的圖，每個方塊代表一秒鐘，顏色代表每種節細胞的訊號電流強度。
有趣的是，圖中所示的這種節細胞，只要是在閃光的照射範圍內都會有反應，但不是整段照射時間都有反應。奇怪的是，在這600微米範圍外的某些細胞，是在閃光結束後才活化，這種行為在圖上顯示的方式，就是在相距一秒鐘之後才在方格兩邊出現藍色。第三個區域在照射範圍內，也是在將近兩秒鐘後出現些許活性。
我們要如何解讀這些活性的樣式？如果所有細胞都在這一秒鐘送出訊號，活性樣式應該要「點亮」整個範圍達一秒鐘，並且填滿方格上相對應的空格。事實上，訊號輸出是經過過濾的：產生訊號的範圍是閃光照射的範圍，但訊號產生的時間比照射的時間要短，只持續約1/10秒，而且是在閃光出現後約1/10秒才開始。節細胞的反應不僅稍微延遲，反應時間也顯然只長到知道入射的光是否已經改變（從暗到明）。或許這種節細胞代表的是照明的開始，而不是持續的照明。兩邊方格所代表的細胞些微活性，有可能代表某種「關」訊號。但我們還不清楚兩秒鐘時的第三處藍點訊號的意義。【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱科學人2007年5月號〈眼睛如何幫腦看？〉】

兼具微小原子和大體積材料特性的奈米粒子，是研究人員極感興趣的結構材料。奈米粒子表現的行為大致上像球，這也使得科學家很難用它們來製造堅固的結構（除了組合出像超市陳列橘子般的結構）。不過，最近科學家終於有了大幅進展，能製作並使用過去想像不到的奈米構造。
美國麻省理工學院的材料科學家史戴拉奇（Francesco Stellacci），在1月19日的《科學》上發表了一套方法，可以讓奈米粒子互相勾在一起，像鎖鍊般銜接成一串。他的策略是利用所謂的毛球定理：有一個球體上覆滿了毛，假若你試圖梳平所有的毛，最後總是會有兩根位於對立兩極的毛豎立起來（想像沿著地球的緯線上有梳平的毛，而在南、北極各有兩根毛站著。）
史戴拉奇和同事讓金奈米粒子包裹一層混合了兩種硫磺分子的絨毛，而原本有絨毛豎起的地方，最後在奈米粒子表面形成不穩定的缺陷，使絨毛很容易可以替換。科學家用一些類似把手的化學分子取代豎立的絨毛，使得奈米粒子可以互相連接。
史丹佛大學的材料科學家崔屹（Yi Cui）說：「如此一來，奈米粒子就會和原子很像，更明確的說，這會類似具有兩個化學鍵的雙價原子。你現在可以用它們來建造真正有趣的結構，就像用原子組裝分子一樣。」史戴拉奇提到，他的研究團隊現在正致力研發具有四個鍵結的奈米粒子。
這些奈米結構可以利用奈米導線連結，而進一步製造出電子產品。研究人員可以讓奈米導線從底部往上增長，或用從上到下的蝕刻法（這種方法有點像從原木上削切出牙籤）。從底往上長的方法面臨的挑戰是如何將每根細小、柔軟且往往散亂的絲線組合成設計的裝置；而採用了較多傳統技術的從上往下法，「則像用鋼鋸切割一般，」會留下邊緣粗糙、導電性差的奈米導線，耶魯大學生物醫學工程學家史登（Eric Stern）解釋。
耶魯大學研究人員在2月1日的《自然》上，發表了一套蝕刻法，可以生產出外緣平滑的高品質奈米導線。它的竅門是使用銨鹽氫氧化四甲銨（TMAH）。和目前使用過的其他溶劑比較起來，TMAH蝕刻矽材的速度較慢也較平滑。耶魯大學生物醫學工程學家法米（Tarek Fahmy）補充說，這套技術和標準工業化半導體製程相容，有助於將奈米導線引進電子產品。
這些奈米導線對環境格外靈敏，接觸分子即會改變電壓。它們可以在大約10秒內偵測到T細胞對外來化合物啟動免疫反應時釋出的酸，而傳統利用標示抗體的診斷測試則需要數分鐘（或數小時）。研究人員還展示，若將奈米導線與抗體相連，可以和目前最先進的感應器相當，可在每立方毫米的樣本中偵測到最少60個癌症相關分子。
對此，約翰霍普金斯大學的免疫學家施奈克（Jonathan Schneck）說：「你想像一下，在急診室、診所或戰場上，使用這些利用奈米導線的儀器，就能馬上診斷病患，就反應速度來看，它將會是未來即為有用的工具。」