零距離科學:仿生學之「超感官」

零距離科學:仿生學之「超感官」

我們想讓你知道的是

在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)

人類為了面對不同的環境、滿足不同的需要,所創造的機械往往是叫人嘖嘖稱奇的,但另一方面,其他物種雖未如人類一般擁有智慧,牠們的身體及器官卻因數以萬億年的演化而變得複雜精巧,甚至媲美人類精心製作的器械。進一步說,人類更可從其他物種身上獲取靈感,藉模仿帶來新發明,這就是「仿生學」(biomimicry)。在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

其實仿生學並不是甚麼新鮮的事來——我們平常用的「魔術貼」就是靠模仿植物或種子上的毛刺而研發出來的,飛機的發明是受雀鳥雙翅所啟發,高速鐵路列車的尖咀流線型設計的靈感竟然是來自翠鳥的喙!不過生物的感官系統往往比牠們的外在結構更為複雜。假如我們不了解它們的運作原理,也無從模仿它們。不過近年科學家已逐步拆解出各種生物的感官系統結構及原理,因此我們也更能夠以仿生角度來造出更精巧的機械。

向「瀨尿蝦」取經

蝦蛄(Mantis Shrimp,香港人俗稱瀨尿蝦)是一種擁有神奇感官的生物。牠們的視覺非比尋常。讓我們以人類作為比較:人類擁有三原色視覺(trichromacy),因我們眼內有三種視稚細胞,它們對光譜的敏感度各有不同,有一種接收紅光較佳,另一種接收藍光較佳,最後腦部則會把不同的訊號混合處理,再形成我們所看見的顏色。

大家可以想像,假如有四種感光細胞,那麼既然多了一條頻道(channel),看到的色彩自然是大大增多了吧?沒錯,有些魚類及雀鳥是擁有四原色視覺(tetrachromacy)的,牠們的確能夠感受到一些我們無法感受的色彩。而蝦蛄眼睛的奇妙之處,就是在於牠們擁有十二原色視覺(dodecachromacy)。

這種能力源自於牠們眼部的結構。蝦蛄的視覺器官是複眼,這些複眼由上萬個「小眼」(ommatidium)所組成。在蝦蛄的眼球內,這些小眼可分成三大部分。大家可以把它想象成《寵物小精靈》的精靈球一般——有上半、下半、及中間的一條帶狀結構。

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蝦蛄的複眼分為三個部分——上半、下半、及中間帶狀區。

讓科學家最感興趣的就是中間的那部分,它稱為中間帶狀區(mid-band)。中間帶狀區是由平行排列的小眼所組成,可排成二至六行不等。那些擁有六行中間帶狀區的蝦蛄,其中第一至第四行小眼是用來感應顏色的。科學家從這些小眼當中發現出十二種感應不同光譜的感光細胞(photoreceptor),其中有些感光細胞更能感應紫外光(UV light)。

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蝦蛄是十二原色視覺者(dodecachromat),能夠看到比我們豐富得多的色彩。

此外,還有一點非常特別的,就是蝦蛄小眼內的感光細胞以一種獨特的方式整齊排列,產生出濾鏡的效果,讓牠們能夠感應偏光(polarized light)。對蝦蛄來說,感應偏光是非常重要的。當陽光以不同角度射進水裡時,它會產生不同的偏光模式,蝦蛄能藉感應偏光來獲取資訊,幫助牠在大海中導航。

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蝦蛄小眼中的感光細胞有著獨特的排列方式,形成了濾鏡,讓牠能夠感應偏光。

伊利諾大學厄巴納——香檳分校的電機工程學教授Viktor Gruev正正是向蝦蛄取經。他在2014年發表了一份研究,就是以模彷蝦蛄的小眼結構制作出高效能低耗電的偏光感應器,再以此感應器設計出水底定位系統。

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Viktor Gruev的研究團隊以蝦蛄的眼部結構為藍本,發明了一種能在水底靠偏光來定位的儀器。

向人眼學習?

除了蝦蛄,節目中還談及了另一種生物,他們的眼部也讓人們發明出新的感光機械。那生物就是我們人類自己!於近年逐漸普及的「事件導向型視覺感測器」(Event-based camera)正是由人類視覺系統獲取靈感而發明出來的。

一說到以機械複製眼睛功能,我們也許會立即想到攝錄機。雖然它的功能跟人眼相近——都是能夠擷取連續的影象,但兩者的原理卻是大大不同。

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人類的眼睛是非常精巧的器官。它能夠讓我們迅速獲取周遭的資訊。

在攝錄機的感光元件中,每一個象素都是按照共同的時間基準同時運作的。簡單來說,不少攝錄機是以25 fps (frame per second)來擷取影象,意思即是在每一秒內,感光元件中的每一象素都各自傳遞25次電子訊息至處理器。這種模式有一個明顯的缺點,就是當我們在攝錄一些快速的動作時,攝錄機未必能及時把動作影象中的所有資訊擷取。也就是說,會有資訊的流失。

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人眼是以類比訊號來傳遞資訊,是連續的。而攝錄機大多是以電子訊號來傳遞資訊,是離散(discrete)的。前者能夠更完整的保存資訊。

但人類的視覺系統並不是這樣。我們眼中的感光細胞並不是按照一個共同的時間基準同時運作的。它們也並不是照著每秒多少次的方式來接收、傳遞訊號。我們每一顆感光細胞都是長期、連續的接收著資訊,而且每當它感應到所接收的刺激(stimuli)有所不同時,就會立刻產生峰電位(spike),再把訊號傳遞至處理訊號的部位。因此感光細胞的訊號產生與傳遞是不同步的,是按照它所感知的改變而產生,這就是所謂的「事件導向」(event-based)。

這種感應模式的好處是高效而且迅速。高效是因為它的運作資源主力放在感應改變中的事物上,而不需多花資源在不變的部分上。譬如說,平常攝錄機在拍攝動態影像時,無論是不動的背景,或是移動中的物件,它也是以同等資源去處理的。但「事件導向」的感應器則只注意那移動的物件,在資源運用上自然是更為有利。

此外,人眼的感應模式並不受限於外在的時間基準。它既然是連續不斷的運作,也就是說並不需要每隔一段時間才接收資訊。這樣它便不會出現資訊流失的問題了。

節目中介紹了一個名為「Prophesee」的「事件導向型相機」,它就是參考了人眼的結構,把相機感光元件的每一象素當成是感光細胞,以連續不斷的、不同步的模式接收及傳遞資訊,令相機能夠以極高的速度擷取影象,讓它能獲取普通攝錄機不能得到的資訊。

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「事件導向型視覺感測器」參考了人眼的運作模式,也是以事件為基礎來獲取資訊。也就是說,當感光元件中的某一象素感受到改變時(i.e. 移動),它才會發出訊號。若沒有改變時,則不會發出訊號。就如上圖,當手掌在移動,感測器才會擷取了它的畫象;而那個人的身體因為沒有動,所以並不在畫面上出現。

這種新式感應器的應用層面非常大。譬如說,在設計無人駕駛汽車時,我們需要以各種視覺感應器來監測及判斷路面情況。這些判斷必需是迅速的,因道路上可能出現各式各樣的突發情況。當這些狀況出現時,哪怕只是慢了零點幾秒,這就可能就釀成車禍了。傳統的攝錄機是不足以應付這些情況的,而事件導向型視覺感測器在這些情況下便能大派用場了。

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事件導向型視覺感測器能夠高速擷取影像,不會像傳統相機般流失資訊,因此能夠做到一些傳統相機無法做到的事情,如快速點算流動中的物件數量。我們從上幅圖正正看到傳統相機的限制(拍攝那些正在移動中的小珠時,影像變得模糊)。

節目中更介紹了鵰鴞的視覺、蠶蛾及狗的嗅覺、蝴蝶的色彩等等,也談及了相關的新發明。大概我們還有不少地方能夠向大自然多多學習。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於7月31日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex




引領台灣2030科技轉型兼容「創新、包容、永續」三大願景,新科國科會主委吳政忠:我們從被動解題到主動出題!

引領台灣2030科技轉型兼容「創新、包容、永續」三大願景,新科國科會主委吳政忠:我們從被動解題到主動出題!
Photo Credit:The News Lens Brand Studio

我們想讓你知道的是

近期國內政府組織的重要大事之一,就是科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下簡稱國科會)。這個過去主掌國家科技發展預算及科研方向的部會,為何要在這個時刻重新調整組織體質?以及國科會聚焦科技賦能「創新、包容、永續」議題,有哪些不同於以往科技部的實際作為?我們專訪國科會首任主任委員吳政忠了解背後脈絡,讓民眾更理解國科會的任務,透過科技轉型同時帶動社會、經濟、産業、環境等面向的嶄新出路。

科技部為何要改制為國科會?關鍵的決策考量之一,就是因為在科技管理過程,國家整體預算的限制,領導人必須找到最值得投資發展的科技方向。也是在此脈絡下,吳政忠提到他在2017、18年時候,他擔任政委與林萬億政委、唐鳳政委,共同邀集多個國內政策智庫、領域專家,並廣泛接觸社會各領域不同世代、拜訪國際專家,採取多軌意見徵集及討論交流機制,共同集思廣益之後,擘劃出「台灣2030願景」藍圖。

這項跨智庫的研究勾勒出台灣未來將面臨的具體挑戰,像是人口高齡化及少子化、資源循環利用、工作樣態劇變、地緣政治…等明確方向。針對相關趨勢,經過多次討論檢視,提出2030「創新、包容、永續」的願景。不過這些議題跟科技有關面向,交給過往的科技部執掌就好,為何需要國科會扮演統籌角色?

吳政忠解釋,在他心中,國家的科技政策,不只是科技本身,而是與社會、經濟、産業、環境等面向環環相扣。如果是過去的科技部角色,很難與其他部會落實橫向的有效串接,因此在這個國科會成立的時間點,不僅能有效配置政府的科技預算,同時還要整合其他跨部會成員,讓各自部會原本執行的任務能加以妥善融合,更有效率達成未來2030年的「創新、包容、永續」的願景。

另一方面,吳政忠也提到,當這幾年疫情肆虐全球,口罩國家隊、晶片半導體,讓台灣躍升為舉世矚目對象。我們該如何從立基於ICT產業代工、OEM的基礎,運用新科技輔導台灣蛻變為兼具創新、包容、永續的數位島嶼、智慧國家?透過本次專訪,深入洞察國科會在管理相關科技產業發展,會扮演哪些要角及達成哪些任務。

以科技為體、跨部整合為用,從代工心態蛻變創新思維

過去的成功方程式,可能成為日後成長的阻礙。針對2030年願景的「創新面」,吳政忠提到,過去台灣善於等待歐美品牌開規格,再透過技術、人才實力在代工階段取得立足之地。現在,台灣更應該走出一條自己的創新之路,因為過去OEM模式下的人才培育,造就我們只練習解題,但不會出題目,於是商業競爭只能搶到次要商機。

台灣要創新,就必須有系統化改革,例如過去我們都避免犯錯,這與創新是格格不入的,而政府組織如果只仰賴單一部會,缺乏整合是無法用國家層級進行科技轉型。吳政忠說道,「國科會的成立,就是扮演協商跨部會的關鍵角色,從上游研究、中游法人單位、到下游業界應用,跨產學研一棒接一幫串起來,引領創新之際也能做到科技管理。」

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國科會主委吳政忠分享,國科會的主要任務就是做跨部會、上下游整合的工作。

要讓政策、計畫、再到管考,形成一個完善的Closed Loop(閉環),吳政忠以低軌衛星產業為例,他說,「幾年前聽聞SpaceX部署星鏈計畫,我們的太空中心從沒做過通訊衛星,我問如從零發展台灣自身低軌衛星要多久?答案是一、二十年!」

弔詭的是,這些衛星使用的關鍵零組件及晶片,就是由台灣生產。換言之,台灣擁有研發先進晶片的技術,更要從應用端創新找市場藍海。當時吳政忠擔任統合要角,集結太空中心、經濟部、工研院等單位,並且邀請民間企業加入,讓公私的資源整合得以敏捷組隊、快速試錯。

當時的遠見與行動,造就我們的「低軌衛星國家隊」成功打進國際供應鏈,更有望在2025年至2026年實現發射2顆自製的低軌通訊衛星。

走進尋常找問題、想答案,包容式普惠科技向大眾外溢

要想題目,政府組織可以從哪些地方找問題?吳政忠表示,「部會必須要跟地方、跟民眾多接觸,不要躲在辦公室裡面找題目;題目在哪裡?題目就在我們日常的生活,尤其價值最高的産品是越靠近身體,要知道人的需求在哪裡,『食醫住行育樂』處處是題目。」

吳政忠口中的食「醫」住行,「精準健康產業」正可以呼應2030願景的「包容」面向。讓醫療結合ICT科技優勢形成台灣未來百年大業。這兩大產業匯集的精準健康,不僅符合好題目的需求,讓普惠科技逐漸外溢到一般群眾甚至弱勢群體,減少城鄉醫療資源落差,用科技促成社會包容目標。

精準健康除了橫跨預防、治療診斷、照護等,同時基因、生理病徵大數據,這些資料運用怎麼合法合規,就不只涉及醫療院所、資通訊業者的責任,政府更需要擔負起守門人的職責。吳政忠不諱言,「幾十萬、百萬健康個資,如何避免資安竊取、妥善運用,這是國安問題,必須從管制角度完善規範。」

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國科會主委吳政忠解釋改制後的國科會主委由政務委員兼任,可提升跨部門溝通效率。

至於該怎麼做?吳政忠解釋,改制後的國科會主委是由行政院的政務委員兼任,這項制度的設計,讓政委有權協調各部門,商請各部會首長乃至行政體系官員,更有效率進行跨部會討論複雜議題。

以精準健康為例,相關利益關係者涉及民眾、醫院、醫材商、資通訊廠商、以及主管機關衛福部。針對想推展的創新應用,可透過「沙盒」模式驗證,以「並聯」多方協作商討模式,打破過去單點「串聯」溝通,進一步針對法規缺漏之處快速補強,又不拖累應用落地進度。

民眾有感的永續科技,培養跨界視野的科學人才

至於科技政策如何讓民眾有感,同時又實現永續目標?吳政忠坦言,科技效益要讓大眾從日常生活體察到,難度非常高,目前國科會的著力點有兩大方向。其一是基於前瞻基礎建設計畫,建構民生公共物聯網,打造中央與地方縣市交流平台,針對水、空、地、災議題,找出可行的科技解決方案。

吳政忠提到,以前嘉南一帶需要人力查看灌溉水道和閘門,這類職務被稱為「掌水工」,隨著農業鄉鎮掌水工高齡化,以及環境變遷造成氣候的不穩定,政府協助導入智慧流量監測、電動水閘門科技,幫助掌水工熟悉科技使用,減輕勞務工作的負擔,增進工作的效率,同時也能有效運用水資源達到環境永續。

國科會推動科技永續的第二個面向,則透過各種科普推廣計畫,吸引更多新世代人才投入科研。吳政忠指出,2019年開始舉辦Kiss Science—科學開門,青春不悶活動,把103個科研場域向外開放,並舉辦多達360場活動,鼓勵莘莘學子用趣味方式愛上科技、研讀科學。

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Photo Credit:國科會
國科會Kiss Science活動。

不過吳政忠認為,「所謂科學,不應只侷限理工也包含人文社會,讀人文社會也要懂科技」。學者出身的他,過去主要研究領域擅長於應用力學,搭上近期台灣地震不斷,瞬間化身教書的吳教授,展現他豐富的跨領域學養,親切談著地震波當中縱波(P波)、橫波(S波)的差異,他提到,科學在生活中的用處,就是當了解其中的原理,就能在災害發生當下比別人多一份淡定。

當科技定義的邊界越來越模糊,科技不止是國科會的科技,科技應該是與社會、經濟、産業、環境等共同介接。未來國科會在創新、包容、永續還有哪些新施政?讓我們拭目以待。

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