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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

出版日期:

正方形 Icon 觀念探索 Trend

10大突破性科技(上)

譯/梁豫婷

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

各項突破的進展不一而足,有些已或多或少達可應用階段,有些則主要為未來的創新奠基,實際可供應用的時間有待估算。但這10個里程碑,每項都值得大家在未來幾年持續關注。本期將先刊出4個里程碑,為讀者詳細介紹。

Magic Leap

這家新創公司投入超過 5 億美元,要用全新 3D 影像技術讓你目眩神迷。




雖然說理智上很清楚,自己面前沒有一隻頭上長角的四臂藍色大怪物在跺著步繞圈圈,但逼真的程度著實嚇人。


 


我當時在佛羅里達州達尼亞灘 (Dania Beach) ,神祕新創公司 Magic Leap 4面白牆的辦公室裡。端坐辦公桌前,頭上戴著搭載許多電子裝置跟鏡頭的巨大金屬框架。透過鏡頭向外望見的畫面,讓我瞠目結舌。Magic Leap 將這項還在開發原型階段的技術稱為「電影級實境 (cinematic-reality)」。也就是這項技術讓我恍如與那頭猙獰的巨獸同處一室,看著他在我眼前約2公尺揮舞兩雙手臂重重踏步。


 


這頭怪獸不只在固定距離外可見。我手裡握著連接到展示工作站的影音遊戲操縱器,按一個按鍵,就可以讓怪獸放大縮小,左右移動,拉近或推遠。


 


我當然把他拉到最近為止,好仔細端詳看起來多逼真。這時,怪獸在我眼前 30英寸 (76 公分) 左右,即使被我縮到口袋般大小,仍然栩栩如生--皮膚粗糙,手腳肌肉發達,眼睛凹陷,面目猙獰。我伸出手讓他踏上來,不騙人,眼看他小小的腳快踩上來時,我掌心有股刺痛。直到一瞬間,回神想起這只不過是幾可亂真的3D 影像,投射在我前方真實空間中,不由得會心一笑。


 


電影、智慧型手機應用程式、影音裝置所使用的虛擬和擴增實境技術,往往言過其實,影像看起來很弱。這是因為目前常見的立體眼鏡 3D 立體顯示,基本上是用誤導視覺的方法,跟我們平時看東西的方式不同。遠近的感覺來自兩眼分別看到同一個物體不同角度的畫面。不過,如此一來,由於不得不同時盯著一定距離外的螢幕平面,和感覺比較貼近的動態畫面,可能讓你頭暈目眩,進而頭痛噁心。


 


當然,眼鏡式 3D 立體顯示技術最近已開始有所進步。目前市面上買得到最好的系統,出自去年春天臉書以 20 億美元收購的 Oculus VR。售價 199美元 (約新臺幣 6,000元) 的 Gear VR,是由 Oculus VR 與三星共同針對軟體開發商打造的頭戴式裝置,只要插入三星智慧型手機,就可以玩遊戲和欣賞影音。


 


不同的是,Oculus 想把你送到虛擬世界裡娛樂和遊戲,Magic Leap 卻是要把娛樂和遊戲帶進你所處的世界。而為了讓這些想像出來的怪物跟你辦公桌上擺的鉛筆同時存在,必須以有別於眼鏡式 3D 顯示又不違反平常看東西原理的方式,創造 3D 立體影像。Magic Leap 基本上已經開發出一種小小的投影機,把光線打進你的眼睛 ­­—這種光會跟你從現實世界接收到的光緊密融合。


 


在 Magic Leap 的辦公室裡,目睹清晰的怪物、機器人、死屍頭顱影像後,我可以想像,未來某天,能和遠方的家人視訊聊天,對方看起來像人就坐在我家客廳,而另一頭,我看來就像坐在他家客廳。或者,能跟著虛擬導遊走訪紐約市,建築物側面會顯現建物的往日風貌。又或是,看電影時,隨劇情進展,尾隨在劇中人物身後張望。


 


不過,沒有人真正知道這技術用在哪裡最好,要是在酷炫外,Magic Leap 還能提升操作的簡易度及使用的舒適度,想必大家會想出夢幻級運用。


 


也難怪 Google 會在去年10月率先挹注令人咋舌的 5.42 億美元巨額資金入股,不論 Magic leap 在做的是什麼,都很有可能成為資訊科技的下一個新里程,所以 Google 不會傻到不參一腳。1月時,微軟透露計畫今年推一款嶄新的頭戴式裝置時,Google 這筆投資格外顯得有先見之明。可以與全息影像互動的微軟 HoloLens,聽起來像極了 Magic Leap 正在研發的產品。




Magic 的背後


Magic Lead 不肯透露產品實際上市時間或造價,只表示售價不會超出目前一般行動裝置的範圍。Magic Lead 創辦人兼總裁亞伯維玆 (Rony Abovitz) 在我強力要求後,只笑著答:「快了。」


 


亞伯維玆的辦公室跟勞德岱堡好萊塢國際機場在同一條路上。他坐在辦公桌前,整個櫃子上整齊排列著玩具和塑膠立體幻燈鏡 View-Master。現年 44 歲的他,體格像頭熊,笑容親切,我們見面時,他穿著黑色的 Nike 球鞋,長袖襯衫,休閒褲,花白的捲髮上戴著圓頂小帽。我其實沒料到他為人這麼體貼穩重,畢竟之前我只在 2012 年佛羅里達州薩拉索塔的 TEDx 演講影片裡見過這人一次。那段影片裡有兩個人扮成叫做 Shaggle 的長毛怪,亞伯維玆打扮成太空人,背景則冒出不知所云的搖滾樂。雖然這場題為「想像合成」的演講,以表演藝術(甚至是模仿 TED 演講的嘲諷劇)的方式呈現,他卻保證當中其實有一個貫穿的訊息。他說,想得出來就送你一個溜溜球。


 


白天,亞伯維玆是具有生醫工程背景的科技企業家。他之前曾在勞德岱堡創辦 Mako Surgical,製造配備觸覺技術的機械手臂,骨科醫師在操作時更具有親自在骨頭上手術的真實感。2013 年,醫療技術公司 Stryker 以近 17 億美元的價格,併購 Mako 。到了晚上,亞伯維玆喜歡搖滾一下。他是流行搖滾樂團 「閃亮狗和他的朋友 (Sparkydog & Friends)」的主唱兼吉他手與貝斯手。照他本人的說法,Magic Leap 同時源自他的手術用機械手臂前公司與樂手生涯。


 


亞伯維玆在 Mako 時期就有將虛擬實境與真實世界結合的念頭。雖然機械手臂技術可以讓醫師有器械碰到骨頭的觸感,但他也希望讓醫師在手術時能看到虛擬的骨骼影像。他說,自己試了一遍又一遍不同廠牌生產的頭戴式顯示器,卻沒有一個令他滿意。 他表示:「那些全都爛透了。你戴上去只會頭痛,超級糟。我不由得納悶:『為什麼爛成這樣?』」


 


與此同時,亞伯維玆也想辦「閃亮狗和他的朋友」虛擬巡迴演唱會。U2 樂團在 1987 年的《Where the streets have no name》音樂錄影帶中,向披頭四致敬,到一家洛杉磯酒舖屋頂上即興演出。亞伯維玆也很想讓自己的樂團來場這樣的演出,不過是以虛擬的方式,一口氣同時把1,000個屋頂當作舞臺。


 


大約4年前,他跟從加州理工學院理論物理系輟學的高中同學麥克納馬拉 (John Graham Macnamara) 開始醞釀這項計畫。他們兩人著迷於星際大戰裡的那種行動式全息顯示。全息影像是可從不同角度檢視的 3D 立體顯示,成影原理是利用由物體所反射的光線參數精確重建光場。但亞伯維玆曉得用這樣方式投影,即使畫素很低的全息影像,也要花費很多時間和金錢。有一天,他記得自己呢喃自語:「不可能有顯示器辦得到。」


 


不過,隔天早晨他醒來時,想到一個主意:何必這麼麻煩,把全息影像投影出來讓好幾個人一起看呢?幹嘛不放棄以立體眼鏡製造 3D 立體效果,乾脆用眼睛和大腦原本的感知方式,做出只給單獨一個人看的全息影像呢?維玆說:「我們花了超過5億美元在讓你沒反應,生理上的。」


 


他、麥克納馬拉和 Magic Leap 整個團隊想出的解決之道,仍然相當機密,擔心競爭問題為由,對技術層面不是避而不談就是含糊其辭。但可以肯定的是,Magic Leap 用迷你投影機將光線打進透明鏡片後,再折射到視網膜上。這樣的光線組合跟真實世界感知的光線相當一致,因此對視覺皮層而言,物體影像和真實物體間幾乎難以區別。


 


研究計算成像及顯示的史丹佛大學電機工程系副教授威茲斯坦 (Gordon Wetzstein) 表示,Magic Leap 要是能讓頭戴式顯示器顯示眼睛周遭的影像,並透過即時對焦維持影像清晰度,欣賞 3D 影像會更舒適。他說:「他們做的事若真如我們所料,就太驚人了。」


 


Magic Leap 正在緊鑼密鼓地朝這個目標進行。自從 2011 年開發出第一個模型後,硬體體積持續縮小。


 


目前開發中的裝置就比我試戴的笨重頭架小巧多了。下一項試玩中所用的硬體只占推車大小。只要用手指戳一個復古風的迷你飛天機器人,他就會準確地隨我手指的操控,在 Magic Leap 辦公室的隔板之間穿梭行動。 這個角色出自第一人射擊遊戲《格勞伯特博士入侵 (Dr. Grordbort's Invaders)》,由製作《哈比人》大量電影特效的維特工作室(Weta Workshop)共同開發。


 


以我所見到的雛型(外型仿真但還不具實際功能的硬體) 看來,他們的目標顯然是做運動型大框太陽眼鏡外觀,連結大小放得進口袋的方型主機。Magic Leap 一月申請專利時所附的類似圖片也只看得出這麼多。不過他們仍閃爍其辭,亞伯維玆只證實會是像眼鏡的頭戴式裝置。連讓他同意我記下這麼含糊的字句,都得費盡九牛二虎之力。


 


要做到那麼小肯定很難。我在 Magic Leap 看過的最小型展示機,體驗起來還是比不上那些大型機組。小型機所用的投影機比一粒稻穀小,以黑線連結,可將光打入單透鏡。我往鏡頭裡瞧,窺見了綠色粗糙版四臂怪物,也就是之前在我手掌上跺著腳繞圈的那頭。除了提高解析度,Magic Leap 還必須把追蹤視線和手指的感測器及軟體塞進小型機,你才能操控並與虛擬角色互動,他們的動作還必須與真實物件融合。


 


去年那筆5億美元的資金就是這麼來的。Magic Leap 正瘋狂招人,除了要找視線追蹤、虹膜識別、人工智慧深度學習領域的工程師,還缺光學工程師、遊戲設計師,以及想得出可以虛擬顯示什麼內容的人。要了解他們的想法,提示是我在他們辦公室裡看到四散的雷射槍和魔杖。科幻作家史蒂芬森 (Neal Stephenson) 已獲 Magic Leap 聘為首席未來學家,他在 1992 年小說《潰雪 (Snow Crash)》中描述一個想像中的虛擬世界「魅他域 (metaverse)」。


 


Magic Leap 總部的明亮裝潢散發他們對急遽成長的興奮,穩重的辦公室布置穿插著紅色的高背情侶座和黃色的椅子。介紹起正在做的遊戲、感測器、雷射槍時,員工神采飛揚。


 


去年的巨額投資讓大家對這間公司更感興趣。亞伯維玆說:「我們經歷了『有人在乎這個嗎?』到『好吧,有人在乎。』」現在他和他的團隊感受到這些深切的期待。他說:「我們要給內心 11 歲的自己一點顏色瞧瞧。」




奈米結構工程

加州理工學院科學家開發出潛力無窮的細微晶格結構。


來到加州理工學院材料科學家葛瑞爾(Julia Greer)的實驗室,彷彿進入一個不守普通物理規則的世界。我們的日常經驗中,陶瓷鋼鐵之類的堅固材質往往很重,質量輕則較弱。葛瑞爾開發出的奈米材料,令人稱奇。她藉調整材料內部的細微結構,改變這種規則。


陶瓷通常又硬又重,同時(掉過盤子的人都知道)又脆又易碎。去年葛瑞爾開發出的陶瓷,卻堪稱史上最強最輕的材料之一。而且還不易破碎。在她拍攝的一段影片中,以實驗室儀器用力下壓這種材料做成的立方體,壓一下就扁了。壓力移除後,又會「像傷兵似的」重新站起來。她說:「很不真實,對吧?」葛瑞爾常在校園裡溜直排輪趕開會,說話像連珠砲似的,必須全神貫注聽她講。細看自己電腦螢幕上美麗奇妙的奈米晶格結構時,才暫時緩了緩。


葛瑞爾研發出的這種輕質材料若能量產,將可廣泛應用在取代強度相當,卻重好幾倍的複合物和其它材料。另一種可能是用在大幅提升電池的電能密度。為增加同體積電池可容納的電量,研究人員一直試圖研發比現有電池,更輕卻能儲存更多電力的電極。矽之類的電極材料雖然具有潛力,卻易因外力而破裂。若將矽電極表面覆上晶格狀奈米金屬,結構就能具有韌性,不易碎裂。


製造這種奇妙材料的關鍵,在於要有專門的儀器配備(其中有些被葛瑞爾依需求改造過),才能在不小的區域精密控制奈米大小的結構。葛瑞爾小跑步下了兩層樓到地下室,精密儀器都放在這個不受振動干擾的實驗室。兩重厚重黑簾後有一臺類似立體列印機的機器,用雷射閃光緩慢地打造複雜的聚合物框架。葛瑞爾的一名學生在聚合物表面塗覆金屬、陶瓷等材料,兩側開口後,把裡面的聚合物蝕空。最後這種材料形成交錯縱橫的桁架,像巴黎鐵塔的柱架一樣,只不過每根都只有10 奈米粗。


不用她的方法,不可能辦得到。葛瑞爾給我看她之前與製作較大微型桁架的加州馬里布 HRL 實驗室合作時,所開發出的成果。她把這個看來有點像鋼絲球的鎳製樣本放到我掌心,卻幾乎感覺不到預期中的重量,讓我有點錯亂。用「輕如鴻毛」來形容這個金屬體絕不誇張,特性是超輕而且隔熱,這正是她和HRL實驗室同事努力的應用方向。


從這個輕如鴻毛的鎳看來,藉改變結構做出性質奇異的材料,很有希望。不過也同時提醒我們,葛瑞爾需要努力做大:她所有做出的奈米材料還不到手掌大小。


葛瑞爾打算用這種奈米結構法處理各式各樣的材料,很多合作對象對這些反常特性很有興趣。她能在發光或隔熱材料中插入奈米大小的隔板,從而精確控制光或熱的傳導。她目前和兩家電池製造商合作,用她的奈米結構研究電化學。另外並和生物學家聯手研究是否可用奈米結構陶瓷來做骨骼生長支架,例如損壞會導致失聰的聽小骨。


具備相信能夠達成應用的信念,她正在加速高解析度雷射印刷的過程。葛瑞爾取出去年做的6平方毫米大小奈米結構陶瓷。做出薄得像紙的這張材料,要耗時一週。她說:「我們做科學實驗,不需要很大的量。但現在的問題是:怎麼大量製造?」


 

車間通訊

可望提高行車安全的簡單無線技術。


克里希南 (Hariharan Krishnan) 看起來不像街頭賽車手。細框眼鏡,整潔的小鬍子,讓我想起以前一個數學老師。然而,去年9月一個豔陽日,他駕著凱迪拉克 DTS ,在密西根州沃倫市的通用汽車研發中心停車場,不要命似地飆車。


克里希南加速過彎時,我正坐在副駕駛座。儀表板瞬間亮燈外,警示音響起,椅子也開始拼命嗡嗡叫。克里希南緊急剎車,我們猛然停住,只見左方視線被樹籬遮蔽處,竄出一輛來車從面前呼嘯而過。他鎮定地說:「你看我剛才根本看不到他。」


幾年內,車輛就會開始配置這種碰撞預警系統。這項稱為車間通訊或車對車通訊,可以讓車輛將位置、車速、方向盤狀態、剎車狀態等資訊,傳送給方圓幾百公尺內的其他車輛。其他車接受到訊息後,便能隨時清楚掌握周遭路況,即使最謹慎或機警的駕駛或最優良的感測系統意料之外的突發狀況,也能即時預警。


雖然目前已有很多車輛使用雷達或超音波偵測路障或來車,但這些感測器的感應範圍只有幾個車身的距離,而且只能偵測到最近的障礙物為止。


車間通訊也應該會比已愈來愈廣泛的先進車輛自動化技術,有更大的影響。雖然自駕車安全性一定會再提升,但目前仍不夠完善可靠,惡劣氣候、無預期障礙、突發情況,及複雜的城市路況下,感測器跟軟體仍易受干擾。車輛間的無線資訊網路,對確保道路安全的成效恐怕更大更快。


打造車聯網仍是複雜的任務。各車的車載電腦每秒讀取10次附近車輛傳來的資訊,計算當下即將發生碰撞的機率。透過專用無線頻道以及新的無線標準 (802.11p) 傳送,以確認資訊真偽。


克里希南在通用的停車場,又載我體驗了幾種其他路況。慢慢開始停進已經有車的停車位時,會有警示音響起。準備進行危險超車時,則有警示燈閃爍,並傳來語音警示:「對向有車!」


光美國每年就有超過 500 萬起道路碰撞事故,其中 3 萬起為死亡車禍。開發車聯網技術的重要動力,正是希望未來能藉此大幅減少道路事故的發生。


在密西根州安娜堡這短短1小時試車期間,已經大大展現車間通訊的珍貴價值。2012 到 2014 年間,美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 與美國密西根大學合作,在這座沃倫市西邊的城市近 3,000 輛車上試設發射器。美國國家公路交通安全管理局研究員取得這些車上的通訊紀錄,研究得出結論:這項技術每年可以在全美預防超過50萬起事故,挽救1,000條人命。在密西根大學交通運輸研究所擔任課程主任的馬杜克斯 (John Maddox) 表示,車間通訊技術足以徹底改變我們的駕駛行為。


安娜堡那趟試車後不久,美國交通運輸部宣布將開始草擬法規,未來將全面強制新車安裝車間通訊裝置。歐洲和日本也進入這項技術的測試階段。


當然,前路還是會面臨一些障礙。通用汽車努力要在 2017 年版凱迪拉克安裝車間通訊系統,不過第一批凱迪拉克大概很難找到通訊的對象,這項技術的價值將因此大打折扣。車間通訊要達到普及,恐怕還得等個十幾年。


 

血液檢測法

DNA 快速定序儀將可用在以血液做簡易癌症檢驗。


中國什麼都大,連癌症問題也大。在北京等富裕城市,癌症據信是當前最常見死因。空氣汙染、吸煙率高,及遭工業汙染荼毒而惡名昭著的「癌症村」也都不斷推高中國各地的死亡率。尤其盛行率高達西方國家4倍的肝癌,部分原因是中國人口中每 14 人就有1人為肝癌高風險的 B 型肝炎帶原者。每年全球因癌症死亡人數中,27% 是中國人。


去年 12 月,我從深圳搭地鐵到香港,與盧煜明教授會面。盧教授多年來致力鑽研「血液檢測法(liquid biopsy)」,以透過 DNA 定序法驗血,及早發現肝癌等癌症(甚至出現症狀前)。


盧教授如往常般西裝筆挺地現身,這習慣讓人聯想到英國牛津大學的正式晚宴裝。1980 年代於牛津求學的盧教授,因在 1997 年率先證明孕婦血液中帶有胎兒釋放出的 DNA 而聞名。他的這項發現促使唐氏症篩檢能夠更安全簡便,至今已有超過100萬名孕婦受惠。


盧教授現在正與世界各地實驗室競相研發以血液檢測為基礎的癌症篩檢法,追求科學與商業卓越成就。這方法可行的原因在於死掉的癌細胞也會進入人體血液 DNA。然而初期的數量微乎其微,並且藏身在循環中的健康 DNA 間,因此難以測量。但盧教授說他的目標很單純:每年定期驗血就能及早發現癌症,及早治療。


開始擴散時才發現的晚期癌症,基本上仍是不治之症。在美國,運用科技降低常見癌症死亡率的最重大醫學成就來自早期發現。大腸癌死亡人數急劇下降,半數應歸功於結腸鏡檢查等篩檢法。


盧教授任職的醫院目前參與兩項世界最大型研究,以證明 DNA 分析也可用於篩檢。研究人員追蹤1,000名 B 型肝癌病患,觀察 DNA 檢驗是否能比超音波更早發現肝腫瘤。另一項更大型研究則是關於鼻咽癌(鼻咽在鼻腔後方,軟顎上方)。鼻咽癌在世界其他地方很罕見,但華南地區男性的終生發生率卻高達 1/60。


長期食用鹹魚、華人遺傳特徵、EB 病毒感染(會引起單核細胞增生),似乎都與鼻咽癌有關。盧教授表示這種病毒會造成一種特殊情況,他開發中的檢測法就針對受病毒感染的DNA,這些DNA存在於死亡的癌細胞,再釋放到血漿中。


這項研究將招募2萬名香港健康中年男性受試,目前已進行一半。研究人員在首批1萬名受試男性中,篩檢出 17 名癌症個案,其中 13 人為第一期患者(最早期),在接受放射性治療後,幾乎已全數康復。若等頸部硬塊這種最晚期症狀出現時才就醫,存活率通常不到 70%。盧教授說:「這些人往往不曉得身上每天帶著1顆未爆的定時炸彈,還好我們提醒了他們。」在他看來,華南地區男性應該全面篩檢。香港一所私立醫院已開始提供檢驗。他說:「我們相信這方法能挽救患者生命。」


盧煜明教授的實驗室正與旗鼓相當的約翰霍普金斯大學等研究機構的科學家一較高下,研究如何以這種構想開發一種適用於大多數癌症的檢驗法,而不只是病毒相關的癌症。這種方法需靠基因定序儀,迅速分析散布血液中數以百萬計的小片段 DNA。研究人員將分析結果與人類基因圖譜的序列進行比對後,即可找出可做為腫瘤指標的異常 DNA 片段。


盧教授帶我參觀他在香港中文大學實驗室裡的幾臺舊定序儀。他表示,下一代 DNA 定序儀,有些跟手機一樣小,或許能讓定期癌症篩檢更便宜也更普及。但目前試用中的肝癌高危險群 DNA 檢測仍然太貴,無法用於一般篩檢。盧教授指出,胎兒測試剛開始也同樣貴,但價格已經降到 800 美元以下,因此可推廣使用。他說:「(癌症檢驗)應該也會一樣。」


以盧教授這樣的研究為基礎,血液檢驗的商業利益最近開始爆增。今年1月,美國史奎浦研究院(Scripps Research Institute)的托普爾 (Eric Topol)預言,將這項技術用於檢驗癌症及其他疾病,會成為「未來200年的聽診器」。開發出快速基因定序儀,位於美國聖地牙哥的 Illumina,公司總裁佛拉特利(Jay Flatley)今年告訴投資人,這種檢驗的市場至少值 400 億美元。他將這項技術稱做癌症診斷上「說不定最振奮人心的突破」,他表示 Illumina 將開始提供研究人員血液檢驗工具組,方便他們搜尋癌症跡象。


除了篩檢癌症,血液檢驗也可能對罹癌患者有所幫助。醫生可根據引發癌症的特定 DNA 變異用藥。判斷變異類別的方式之一是化驗腫瘤組織切片,但多數病例可採用非侵入式的血液檢驗。盧教授告訴我,中國 40 % 的肺癌患者都帶有 EGFR 基因突變,適合投用新的標靶藥物治療。


癌症類型很多種。盧煜明說,研究人員必須按步就班驗證每一種癌,都確實可靠體液檢驗挽救病患生命。他自認熟悉的是鼻咽癌。他說:「血液檢驗一旦能篩檢並正確診斷常見癌症類型,就會成為主流。」



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