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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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TR年度科技創新獎(下)

◎材料
麥克艾派恩(Michael McAlpine),32歲
以人類的動作來供應電子產品電源
普林斯頓大學


麥克艾派恩研發出一種材料,只要對這材料施加壓力,就可以產出目前所知類似方法的最大電流。這種材料可以將病患肺部的動作,轉變為驅動植入式醫療器材所需的電力,如果藉由散步產生的電力,還足以供應可攜式電子產品之用。

2008年,麥克艾派恩於普林斯頓大學擔任助理教授時,開始思考心律調節器的研究:能不能想個辦法,讓病患呼吸時就可以提供心律調節器動力?這樣就不用每隔幾年動一次手術換電池。運用過去在製作奈米線電子元件(nanowire electronics)和塑膠基板感應器的經驗,麥克艾派恩開始利用PZT進行實驗,這種廣為人知的材料被稱做壓電材料(piezoelectric),可以將物理上的壓力轉變為電流。將這種材料切割為條狀之前,他先將壓電材料安裝在硬式基板上,然後使用化學藥劑讓基板變成條狀,再將之轉變為矽;這個加入了壓電材料的矽,就會變成一種可彎曲,而且具有生物相容性的物質,它的效能是以往壓電材料的4倍。雖然目前麥克艾派恩只製造出少量的這類材料,但他正擴大製造規模,要做出較大的晶圓,以供植入式醫療器材之用。—Katherine Bourzac

◎能源
艾陶尼(Hany Eitouni),33歲
運用固態聚合物讓電池更安全
Seeo公司


艾陶尼已經製造出一種比現在普遍使用的鋰電池更安全、更長效,而且體積更小,卻能發出更多電力的電池。他表示,這項技術可以運用在下世代的電動車甚至是電網,可能是鋰電池的全新應用。

在勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Lab)工作時期,艾陶尼就致力於研究如何以其他材料取代鋰電池中最危險的部分:會讓電池的正負極導電的可燃性電解液。電池的容量愈大,電解液起火的危險性也愈高。過去的研究者已經嘗試用膠狀的聚合物做為電解液來解決這個問題,但這類的聚合物仍具有可燃性的溶液。

艾陶尼的解決方法,是一個由兩種聚合物鏈連接在一起的物質。其中一種聚合物的導電性與原本的電解液相近,但是可燃性大幅降低;另外一種聚合物也是較不易燃,而且提供機制上的穩定性,讓電解液不容易轉化為黏性物質。這種電池的效能優於傳統的鋰電池或是更早的鋰聚合物電池,因為這種新的聚合材料不會與充電的電極起反應。

為了將這項技術商品化,艾陶尼於2007年在加州柏克萊與夥伴共同創立了Seeo公司,他表示,這種新電池在充電2,000次之後,仍然保有90%的電力容量(傳統的充電電池充電500次後,會損失三分之一的容量);而且每公斤電池所儲存的電量,也比現行的鋰電池多了50%。Seeo正在建造一座先導工廠來製造大型的電池組,以便克服在電網供需上的障礙,預計2011年完工。—Kate Greene

◎生物科技
謝國基(Samuel Sia),34歲
較廉價的微流體診斷晶片
哥倫比亞大學


哥倫比亞大學助理教授謝國基,利用廉價的元件和極少的零件,創造出一種可以測試多種血液樣本的微流體晶片,這對開發中國家非常實用。這種晶片成本只要幾美分,而檢測數據可以用一個僅需微小電量的儀器來顯示。

創造這項科技只有簡單的一步:謝國基強調這項技術是需要被應用的。他和他的夥伴想要發展出可以在開發中國家使用的微流體晶片,但他們了解這種東西很難募得資金,因此2004年他們創辦了Claros Diagnostics公司,製造一種用來監測前列腺癌的晶片,賣到美國和歐洲;2007年他們募得了780萬美元的創投資金,並在2010年6月獲得歐洲市場核准上市。就在謝國基的夥伴們全職投入研發該項晶片時,謝國基則試圖修正這項技術,以便用來檢測性行為傳播的疾病包括愛滋病、梅毒或是肝炎。

為了在非洲進行測試,謝國基和哥倫比亞大學公共衛生學院,以及盧安達政府合作,進行許多實際的試驗。雖然他的努力讓這種技術的進展,勝過許多在開發中國家進行部署的醫療科技,但他仍然缺乏讓這種晶片商品化的資金。「有很多方法取得發展新科技的資金,」謝國基說,「但是要找到錢去大規模發展就很困難。」—Emily Singer

◎網際網路
倫頓(Kati London),34歲
透過遊戲傳授真實生活的技能
Area/Code公司


倫頓正嘗試用娛樂的方式,將真實和虛擬世界結合,然後磨練玩家在真實世界的行為。倫頓是紐約遊戲公司Area/Code的副總裁兼資深製作人,她創造的遊戲蒐集了許多真實世界的資訊,範圍包羅萬象,自玩家所在地一直延伸到世界各地,甚至有來自裝在太平洋鯊魚身上的追蹤器。許多遊戲只是純娛樂,但也有許多具備實用性。

舉例來說,英國交通部就委託Area/Code公司,針對9到13歲的兒童製作一款線上遊戲,這個年紀的族群最大的風險是在過馬路時,會遭受嚴重的傷害甚至死亡。當玩家在這個虛擬遊戲中遇到馬路時,他們必須從指定的安全點穿越,而且必須注意左右兩邊的怪獸,怪獸的行為就反映出車輛的動作,在某些路口,怪獸的速度和數量,都是真實取自英國十字路口的交通資訊。經由複製這些車輛不可預知的出現、速度和數量等變數,倫頓相信,此遊戲可以教導孩子在面對真實交通狀況時所需的技能。這套遊戲自2009年發表以來,已經有超過16萬人註冊,而2011年春天就可以看到獨立的成績評價。—Kristina Grifantini

◎材料
波文納莉(Michelle Povinelli),34歲
預測較佳效率的光子儀器
南加州大學


利用一些儀器,像是太陽能電池,或是光學晶片精確地理解光移動時的狀態,將可以創造更有效率的儀器,也可以揭露新的物理學現象,讓工程師們研究。為了這個目的,理論物理學家波文納莉,就正在創造一些光子與複雜的材料互動的模式。

在一次意外的發現中,波文納莉正確地預測了一個現象:被長條矽板所引導的光線,將會在相鄰的矽板上產生機制性的力量。如果由光所驅動的移動式元件,被整合進光束,而且被用來設定光的路徑時,這個光就不會在處理過程產生電力,而會再度回到光源當中。

要製造較佳的太陽能電池,似乎與光學傳播並不相關,但是理解到光與一些材料的互動,在此一領域中也是同等重要。波文納莉正在研究一些模式,可以預測太陽能電池在不同奈米結構下的效率。找出太陽能電池最終可能產生的效率,可以設定一個界限,讓研究人員可以定出預期的目標,以便引導他們在太陽光電領域中,產出更便宜但效能更佳的電池。—Katherine Bourzac

◎軟體
孫劍(Jian Sun),33歲
更好的圖片搜尋
微軟亞洲研究中心


問題:圖片對搜尋軟體來說是難以分類的,因為電腦很難辨識圖片的內容。被稱做「分類器」(classifiers)的演算法則,利用統計學上的技巧來分類圖片,但這也產生了雞生蛋或是蛋生雞的問題:「在理想的狀況下,最好有幾百萬(分類好的)圖片,用來訓練分類器,」孫劍說,他是位於北京的微軟亞洲研究中心的研究員。

解決之道:孫劍發展出一個方法,讓人們很容易訓練電腦分類圖片。在這套剛被整合進微軟搜尋引擎Bing的圖片搜尋功能系統中,使用者鍵入一個詞,像是「多雲的天空」,Bing會運用現行的分類演算法,嘗試挑出數張最符合搜尋需求的圖片,使用者可以挑選其中一張他認為最接近的圖片,並要求根據此張圖片,再搜尋類似的圖片,重覆這樣的過程,直到找出使用者要的圖片。當使用者要求再次搜尋時,這樣的需求都會回饋到分類器當中,這意味著下次再有人要搜尋「多雲的天空」,Bing就會立刻顯示出較以往搜尋結果更為相關的一組圖片。這套系統以及Bing的使用結果,也被用來協助其他研究人員發展圖片的搜尋演算法,孫劍已經釋出一套包含了十萬張分類圖片的訓練資料庫。—David Cohen

◎能源
萊夫(Lyndon Rive),33歲
出租太陽能
太陽城市(SolarCity)公司


太陽城市的首席銷售員萊夫,很想知道人們會基於什麼原因將太陽能板裝設在自家屋頂,而在眾多太陽能板的促銷手段中,一項創新的租借計畫成效卓著,也讓太陽城市成為美國最大的住宅區太陽能板裝設公司。這家總部位於加州福斯特市(Foster City)的公司,自2006年起,已經裝設超過8,000套的太陽能系統。這家公司今年已經成長了3倍,而同時身為執行長、共同創辦人的萊夫,還期許明年再成長2倍。

為了降低裝設太陽能板的高昂成本,萊夫依據太陽能板的尺寸計價,將之租借給家庭用戶。當太陽能板發電時,多餘的電力可回售給當地的電力公司,萊夫認為,回售電力公司的所得,再加上因為不使用電力公司所售電力而減少的電費帳單金額,就差不多可以抵消租借太陽能板的費用。萊夫已經雇請了一個團隊,專門設計相關軟體,用來管理該公司一千個管轄區域當中,數千個太陽能計畫當中的數百個,因為每個計畫都有不同的需求。「這邊省個幾分錢,那邊省個幾分錢,」萊夫說。藉著推升裝置量,萊夫正在推動太陽能成本的下降,他希望在6到8年內,太陽能即使沒有政府補貼,也能夠繼續發展。—Kevin Bullis

◎通訊
查列特(Gabriel Charlet),34歲
破紀錄的全球通訊光纖電纜
阿爾卡特-朗訊公司(Alcatel-Lucent)


查列特位在法國Nozay市的阿爾卡特-朗訊貝爾實驗室中,堆放了2,000公里長的光纖纜線,這是一項破紀錄成就的紀念:2009年時查列特打破了光纖電纜高速長距離傳輸的紀錄,他以單一電纜達成的速度是每秒7.2兆位元(terabits),傳輸距離是7,040公里,這個速度是現行商業系統的5倍,相當於一分鐘可以傳送6,000部DVD畫質的電影。

查列特的成就再度振興了這個研究領域。形成全球通訊骨幹的光纖網路資訊傳輸量,近年來已少有進展,其他的研究者嘗試增加傳輸速度,但是在纜線中極微小的缺陷造成無法補償的失真。因為原本的技術是藉著改變光脈衝的強度來將數位資訊編碼,舉例來說,高強度表示1,低強度則表示0。但在高速長距離的傳輸時,纜線中的缺陷會造成光脈衝強度不易分辨,意味在超過7,000公里的傳輸時,大約每秒1.2兆位元的傳輸速度,是可靠傳輸的極限。

為了解決這個問題,查列特捨棄光脈衝的強度,改為利用光偏振(polarization)和分段式的光脈衝來改善。光纖纜線中的缺陷所造成的錯誤,由於新的接收器而大幅改善,這種新的接收器可以偵測整個電場的訊號,而不只是強度;而另一項意外的收獲是,每一道光脈衝可以進行四位元資訊的編碼,而不是只有一位元,因為不同的光偏振可以用來顯示不同位元的數值。

在查列特的研究基礎上,阿爾卡特-朗訊最近發表了新一代的商用設備,傳輸速度可達每秒3.2兆位元,距離長達7,000公里(這個速度比查列特的紀錄慢,是因為現行晶片設計的限制,下一代的設備將會使用特製的晶片)。下次你在YouTube上看影片時,影片傳輸可能就是透過查列特的技術協助。—David Cohen

◎生物科技
羅爾(Philip Low),31歲
讓患者自睡眠診所重獲自由
神經監控公司(NeuroVigil)


關於睡眠的研究已經變成一件麻煩事,需要進行睡眠測試的患者,必須整夜躺在實驗室的床上,在身上貼一大堆電線連結到機器上;直到隔天再由人工紀錄機器所顯示的數據,並以每30秒為一個睡眠週期加以分類。

羅爾試圖尋找一個更好的方法,他創造了一套演算法,只要用一條LED的連結線,就可以把取得的資訊加以分類。2007年時,羅爾創辦神經監控公司,這家位於加州的新創公司,專門利用這項技術製造睡眠監控的儀器。

這個儀器小到可以當做頭帶綁在頭上,所以患者可以在家裡睡覺而不用去診所。為了不干擾使用者的生活,這家公司還發展出另一個版本的儀器,可以蒐集數據後發送到使用者的手機,再傳輸到神經監控公司來分析。

藥廠在測試中樞神經的治療藥物時,使用這套儀器來監控與腦部相關的副作用。神經監控公司使用這些得自病患的數據,來累積特定疾病的相關資料庫,羅爾希望藉著研究這些數據,可以發現一些腦電波的特徵,在某些像是阿茲海默氏症、精神分裂症、帕金森氏症等疾病發作前,預先提出警告。—Jocelyn Rice

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