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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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2009十大未來科技《下》

譯 羅耀宗

身處於科技日益精進的時代,我們需要一張科技地圖以佈局未來,
無法釐清科技的走向,就抓不住未來的方向。
哪些科技會改變未來生活及產業生態,甚至開啟龐大商機?
接續上期,Technology Review選出的另五項2009年前瞻科技,
將為我們帶來全新的視野!

2009十大未來科技 《下》
2009十大未來科技 《下》

智慧軟體助理 亞當.齊爾正領頭設計強而有力的軟體,要當你的個人的助理。

對 大部分人來說,搜尋是踏進網際網路的入口;許多人已經養成習慣,總是把一項任務化為一組關鍵字,上網搜尋所需的工具和資訊。但是矽谷新創企業犀利(Siri)的共同創辦人亞當‧齊爾(Adam Cheyer)想到一種新方法,要讓人和網際網路上供應的服務互動:那是「幹活的引擎」(do engine),不是搜尋引擎。犀利正在研發虛擬的個人助理軟體,希望幫助使用者完成任務,而不只是蒐集資訊。

齊爾是犀利公司負責工程的副總裁。他說,這種軟體考慮到使用者所處的情境,非常實用且彈性十足。「想獲得能夠行動和推理的系統,需要的是能和你互動及了解你心意的系統,」他說。

犀利公司的源起,是軍方出資,在史丹福研究院(SRI International)進行的一項人工智慧計畫,稱做CALO,意思是「會學習和整理的認識型助理」(cognitive assistant that learns and organizes)。包括齊爾在內的這項計畫領導人,結合傳統上互不相關的人工智慧方法,試著發展會因為與使用者互動,而不斷改善的個人助理。齊爾仍在SRI服務的時候,另外帶領一支工程師團隊,做出消費性版本;同事後來說服他根據研發出來的初型另創公司。犀利的核心技術,是向SRI取得授權。

有鑑於以往研發虛擬個人助理的一些嘗試,有時失敗得非常難看,犀利的創辦人將公司的經營目標設得相當保守。預定2009年發行的初期版本,目標針對行動使用者,只執行一些特定類型的功能,例如協助預訂餐廳座位、檢查航空班次,或者計畫周末的活動。使用者可以隨意拼湊句子,打進或者說出指令,軟體會從前後的語意,判讀使用者的意圖。犀利已經和多個線上服務連線,與它互動能夠很快做好幾件小任務,不必像平常那樣,非得造訪好幾個網站不可。舉例來說,使用者可以請犀利找市內某處的中等價位餐館,然後幫忙訂位。

齊爾表示,近來電腦處理器的能力不斷改善,是將這種複雜水準帶到消費性產品,不可或缺的一環。CALO的許多能力仍然不能塞進這種產品。但由於行動電話的功能愈來愈強,網路的速度愈來愈快,犀利公司的總部可以處理一些事情,並將結果回送使用者,軟體因此能夠做到以前根本無法完成的任務。

「搜尋已經把它的事情做得非常好,短期內不可能更上一層樓,」犀利的共同創辦人兼執行長戴格‧吉特勞斯(Dag Kittlaus)說。「但我們相信五年後,每個人都會有一位虛擬助理,可以把許多瑣碎的任務交給他去做。」 雖然個人助理軟體將兼具智慧和實用性,該公司並沒有那種雄心壯志,想把它做得像人。「我們認為,可以創造一種不可思議的體驗,幫助你過生活、解決問題和做事情更有效率,」齊爾說。但是犀利永遠只是個工具,不想挑釁人類的智慧,「我們可是非常務實的。」

──Erica Naone

能原液態電池 多納德.沙多威正在研發一種一種全新的電池,要讓城市在夜晚也能靠太陽來綻放美麗。

我 們還找不到儲存大量電力的好方法,所以太陽能沒辦法留到晚上才用。不過,一種用全液態活性材料做成的新型電池,在儲存電力的選擇方面,讓我們燃起新的希望。根據目前做出來的初型,這些液態電池的成本,不到今天最好電池的三分之一,壽命卻要長得多。

這種電池和其他的電池不一樣。電極是金屬溶液,在電極之間導電的電解液則是溶鹽,這就做成了彈性難得一見的裝置,能夠很快吸收大量的電力。在麻省理工學院(MIT)擔任材料化學教授,也是電池發明家的多納德‧沙多威(Donald Sadoway)指出,電極能在電流「十倍高於曾經量測過的任何(電池)情況下」運作。此外,它用的材料很便宜,而且設計得容易生產。


液態電池
液態電池

第一具初型是用絕緣材料包覆容器。研究人員加進溶化原料:底層是銻,中間一層是硫化鈉之類的電解液,最上一層是鎂。由於每一種材料的密度不同,自然層次分明,也就簡化了製造的過程。容器的另一個作用,是兼作電流收集器,送出從太陽能板等動力源而來的電子,或者將電子送到電力網,供電給家庭和企業使用。

動力流進電池後,溶解在電解液中的銻化鎂會產生鎂和銻金屬。等到電池放電時,兩個電極的金屬會溶解,再次形成銻化鎂,溶入電解液,使得電解液變大,電極則縮小。

依沙多威的構想,把大型電池用電線連起來,可以形成巨大的電池組。如果要大到能夠滿足紐約市的尖峰電力需求(約13,000百萬瓦),這些電池將占地約6萬平方公尺。充電所需的太陽能電廠,規模將大到前所未見的地步,不但能夠產生足夠的電力,滿足白天的電力需求,也有夠多的過剩動力,把電池充飽,以因應夜間的需求。第一座建立起來的系統,可能是將低電力需求期間的能源儲存起來,供尖峰需求時使用,因此我們不再需要興建那麼多新電廠和傳輸電線。

傳統電池
傳統電池

如何儲存間斷性動力來源的能源,有許多方法曾經被提出,有些更付諸有限度的利用,例如鉛酸電池組,以及白天將水抽到高處,晚上再流下來轉動發電機的系統。液態電池的優點是便宜、壽命長,以及(和抽水到高處等做法不同)很多地方都能派上用場。「大規模儲存能源,供電力網使用的問題,沒人解決得了,」沙多威說,「我們可說是在研發能夠儲存整個電力網的電池。」

做出最早的初型之後,研究人員改用不同的金屬和溶鹽;銻化鎂溶於電解液的濃度不可能很高,所以起初的一批初型,體積大得失去實用價值(沙多威沒透露使用什麼新材料,但他說運作原理相同)。研究團隊希望五年後這種電池能夠商業化上市。

——Kevin Bullis

奈米電壓產品 王中林認為壓電奈米線可以供應電力可直入人體的醫療裝置,以及做為微型感應器。

奈 米級的感應器極其敏感,非常省電,而且當然很小。它們可以用來偵測血液中疾病的分子標誌、空氣中的微量有毒氣體,以及追蹤食品中的污染物。但要驅動這些裝置,需要用到電池和積體電路,所以很難完全微型化。喬治亞理工學院(Georgia Tech)的材料科學家王中林(Zhong Lin Wang)希望借重壓電學(piezoelectricity)之力,利用微型發電機,把電力送到奈米世界。如果他得償所願,生物和化學奈米感應器將能自行供應電力。

奈米級的感應器
奈米級的感應器

人們曉得有壓電效應存在,已有一個多世紀之久。這是指結晶物質受到力學應力,而產生電勢(electrical potential)的現象。但是王中林2005年以原子力顯微鏡的探針,彎曲氧化鋅奈米線,率先證明在奈米尺度也能辦到。奈米線彎曲和回復原來的形狀時,鋅和氧離子產生的電勢會驅動電流。王中林在初期的實驗中,從奈米線得到的電流相當微弱;電勢最高只有幾毫伏(millivolts)。但是王中林猜得沒錯,用上夠多的工程設計,他可以利用我們周遭的各種細微振動,例如聲波、風,甚至血液流經植入人體的裝置時產生的擾動,設計出實用的奈米級動力來源。這些細微的動靜會彎曲奈米線,產生電力。

2008年11月,王中林把氧化鋅奈米線嵌進一層聚合物;這塊薄片,彎曲時可以產生50毫伏的電力。這是供應電力給微型感應器跨出的一大步。

王中林希望這些發電機最後能夠織進布料裡面;襯衫的窸窣聲可以產生夠多的電力,給iPod之類的裝置所用的電池充電。目前奈米發電機的輸出電力還太低,沒辦法做到這件事。「我們需要200毫伏或者更多才行,」王中林說,鋪上幾層奈米線,可望達成目的,但也許需要花五到十年的時間,審慎進行工程設計才行。

壓電電線
壓電電線

王中林也展示新類型奈米級感應器使用的首批組件。他把這種技術稱做奈米壓電學(nanopiezotronics),利用氧化鋅奈米線不只展現壓電效應,也是半導體的事實。第一個特性讓它們能夠做為機械感應器,因為會對力學應力產生電反應。第二個特性表示,可以用它們來製造積體電路的基本組件,包括電晶體和二極體。奈米壓電產品和傳統的電子組件不同,不需要依賴外部的電力來源。受到和奈米發電機相同的力學應力時,它們會自行產生電力。

奈米電子產品不需要依賴外部的動力來源之後,可以開啟各種可能性。奈米壓電助聽器和奈米發電機整合,或許可以用一個奈米線陣列,調整每條奈米線在不同的頻率振動,整個陣列涵蓋範圍很廣的聲音。奈米線把聲音轉化成電訊號,加以處理,再將它們直接傳送到腦部的神經原。植入人體的這種神經修復產品,不只比傳統的助聽器精巧和敏感,也不需要取出以更換電池。壓電感應器也可以用於偵測飛機引擎的機械應力;只要一些奈米線組件,就能監控應力、處理資訊,然後將相關的資料傳給飛機的電腦。不管是在人體,還是在空中,奈米裝置終於要散播在我們身邊的每個地方。

──Katherine Bourzac

雜湊快取 維威克.白用來儲存網路內容的新方法可能讓世界各地人們更有能力上網

在 整個開發中世界,上網很難,比起缺乏電腦,是更明顯和更難解的數位落差層面。「大部分地方上網比美國要貴──不只相對值高,絕對值也高,」普林斯頓大學的電腦科學家維威克‧白(Vivek Pai)說。甚至連貧窮國家的大學,也經常只能使用低頻寬連線;個人使用者只能分享撥接連線的一小部分。為了提高這些連線的效用,白和他的研究團隊研發出「雜湊快取」(HashCache)技術。這是效率很高的一種快取(caching)方法,把經常存取的網路內容儲存到本機硬碟,而不占用寶貴的頻寬,一再叫取相同的資訊。

拉近數位落差:迦納的柯克洛畢泰學院學生正在上網。會議中心的連網速度只比撥接上網快三倍左右。普林斯頓大學的低成本、低用電「雜湊快取」技術能夠儲存經常取用的網路內容連線品質因而改善
拉近數位落差:迦納的柯克洛畢泰學院學生正在上網。會議中心的連網速度只比撥接上網快三倍左右。普林斯頓大學的低成本、低用電「雜湊快取」技術能夠儲存經常取用的網路內容連線品質因而改善

儘管網路千變萬化,卻有數量多得驚人的內容不常更改,或者改變不多。但是目前的快取技術,不只需要大硬碟來保存資料,也需要許多隨機存取記憶體(random-access memory;RAM),來把索引(index)儲存在磁碟上;這些索引包含每一段內容的「位址」。RAM相對於硬碟的容量要貴,而且只在有電力供應時才能運作──這和頻寬一樣,在開發中國家往往既昂貴且稀有。

「雜湊快取」捨棄索引,RAM和電力的需求因此減為約十分之一。這種方法首先把每一個被儲存網路「物件」(網頁上的影像、圖形或者一段文字)的通用資源位標(URL),利用稱做雜湊函數(hash function)的一點點數學運算,轉換成比較短的數字。其他的大部分快取系統這麼做的時候,也將每一個雜湊數字儲存到占用RAM的表中,這張表會將它連到硬碟記憶體的位址。白的技術可以跳過這一步,因為它利用嶄新的雜湊函數:函數產生的數字,定義了對應網路物件可以在磁碟上找到的點。「利用雜湊,直接計算位置,可以完全免除索引,」白說。

白表示,我們的確還是需要一些RAM,但只要夠跑雜湊函數和實際叫取特定的網路物件就行。「雜湊快取」雖然還在非常早期的發展階段,卻已在迦納的柯克洛畢泰學院(Kokrobitey Institute)和奈及利亞的歐巴費米阿瓦洛瓦大學(Obafemi Awolowo University)實地測試過。

比較表
比較表

吉姆‧蓋提斯(Jim Gettys)說,快取技術基本上長久以來都沒有進步,雜湊快取技術總算結束了這種局面。蓋提斯是HTTP規格的共同作者,HTTP則是網際網路通訊的基礎。蓋提斯表示,雖然窮國的學校愈來愈有能力買得起容量達數百個十億位元組(gigabytes)的硬碟記憶體,但這些學校如果使用今天最好的軟體,通常只買得起足夠支援數十個十億位元組快取內容的RAM。有了「雜湊快取」技術,配備任何電腦(即使是中古電腦)的一個班級,也能儲存和以便宜的方式取用一兆位元組的網路資料。這足夠儲存維基百科(Wikipedia)所有的內容,或者萊斯大學(Rice University)和麻省理工學院(MIT)等大學免費提供的所有課程。

哈佛大學(Harvard University)伯克曼網路與社會中心(Berkman Center for Internet and Society)研究員伊山‧朱克曼(Ethan Zuckerman)說,即使鋪設新的光纖纜線,把東非連上網際網路,非洲一些大學數以千計的學生連線上網,還是得分享大約相當於家用數位用戶線路(DSL)的速度。「這些大學的頻寬受到嚴重的限制,」他說。「他們所有的學生都想要擁有電腦,但幾乎都得不到充分的頻寬。這項創新,使得運轉非常大型快取伺服器的成本便宜許多。」

──David Talbot

軟體定義網路 尼克麥恩相信用軟體遠距離控制網路硬體可以加快網際網路的速度

多 年來,電腦科學家一直想方設法要改善網路的速度、可靠性、省能和安全性。但他們的想法大致停留在實驗室計畫的階段,因為不可能用夠大的規模去測試,觀察是否行得通:網際網路的核心,也就是路由器和交換器被鎖死了。這些硬體所用的軟體,是思科(Cisco)和惠普(Hewlett-Packard)等公司的智慧財產。

遠距離控制網路硬體
遠距離控制網路硬體

由於無法在現實世界玩弄網際網路的流量,史丹佛大學(Stanford University)的電腦科學家尼克‧麥居恩(Nick McKeown)和同事備感挫折之餘,發展出一套標準,稱做「開放流」(OpenFlow),基本上將網際網路開放給研究人員,允許他們使用軟體去定義資料流──這有點像是「軟體定義的網路」(software-defined networking)。安裝一小件的「開放流」韌體(firmware,指嵌入硬體的軟體),可以讓工程人員存取流道表(flow tables),也就是告訴交換器和路由器如何指揮網路流量的規則。可是它會保護專屬的路由指示,因為這些指示是使一家公司的硬體有別於另一家的關鍵。

把「開放流」安裝在路由器和交換器,研究人員可以使用自己電腦上的軟體,進入流道表,基本上只要按個滑鼠,就能控制網路的佈局和流量。電腦科學家利用軟體來存取,可以用很便宜的方式,輕而易舉測試新的交換和路由協定。「今天,安全、路由和能源管理是由那個盒子發號施令,而這很難改變,」麥居恩說。「這是基礎設施四十年來沒變的原因。」

一般來說,當資料封包(data packet)抵達交換器,韌體會檢查封包的目的地,然後按照預定的規則將它轉送,而這個預定的規則,網路營運者沒辦法控制。往同一地方去的所有封包,都被規劃沿著相同的路徑走,也用相同的方式處理。

電腦科學家在跑「開放流」的網路上,可以加進或者刪除一些規則,也就是調整預定的規則。這表示研究人員可以給影片相對於電子郵件優先權,因而減少串流影片有時叫人為之氣結的走走停停現象。他們可以設定規則,控制從某一目的地而來,或者往某一目的地而去的流量,從而封鎖被懷疑是病毒大本營的電腦進來的流量。

「開放流」也可以用於改善行動網路。行動服務供應商已經開始利用為網際網路生產的大宗便宜硬體,擴大他們的網路。但當使用者處於行動狀態,這種硬體維持連線的品質奇差無比:不妨想想膝上型電腦的資料連線,從某個無線基地台移轉到另一個無線基地台時,沒有那麼密不透風的情形。麥居恩說,「開放流」提供一種方法,服務供應商可以用它來嘗試以新的解決方案,處理移動性的問題。

麥居恩的研究團隊獲有思科、瞻博(Juniper)、惠普和恩益禧(NEC)等網路化公司,以及T行動(T-Mobile)、易利信(Ericsson)和日本電信電話移動通訊網(NTT DoCoMo)等行動電話供應商的資金和設備支援。在跑「開放流」的交換器上測試的構想,可以納入新路由器的韌體中,或者經由韌體的更新,加進舊路由器。麥居恩預估一年內,上面提到的公司,會有一家或更多家開始交運內建「開放流」的產品。

──Kate Greene



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