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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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10大突破性科技(下)

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

本期我們將接續自上期的內容,續刊6大突破技術,這些技術的進展不一而足,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。

Project Loon 氣球計畫

Google 即將在無手機訊號地區施放的氦氣球,能讓幾十億民眾首次有機會上網。


 


撰文/西門奈 (Tom Simonite)
攝影/李維拉(RC Rivera)


 


爬過170階塵封的木梯,登上位於加州山景城附近的莫菲特聯邦航空站(Moffett Federal Airfield)2 號機庫(Hangar Two)棚頂,修建於1942年的這座飛艇機棚,陰暗寛敞,經歷過讓美國躍升為科技超級強國的一仗。Google正在這裡打造的奇妙玩意(再次展現美國科技優勢地位), 從木椽上俯瞰,一覽無遺。


 


遠觀下方的地面樓層,身影渺小的Google員工正在張羅兩個直徑15公尺,酷似巨型白南瓜的氣球,這樣的氦氣球Google已施放升空數百顆,此時此刻,南半球海拔20,000公尺的平流層中,正飄著2顆,這個高度是民航飛行範圍的2倍高。懸吊在每顆氣球下方的方盒裡都裝滿太陽能供電的電子產品,透過無線電與地面電信網路連線,提供智慧型手機及其他行動裝置高速網路訊號。因為這項計畫用到氣球(ballon)又很瘋狂 (crazy as loon),所以命名為「Project Loon 計畫」。


 


Google表示,這些氣球可望提供6成全球目前未上網人口網路連結,進而帶來廣泛的社經效益。這43億人多數住在偏鄉,電信公司認為設基地臺等基礎設施不划算的地區。經過3年總飛行里程逾300萬公里的測試,Google表示,Loon計畫差不多準備好登場了。


 


由大型上市企業建設造福全球赤貧人口的基礎設施,很不尋常,除了自稱希望對世界有所貢獻外,網路業務可從廣告獲得的利益是Google心胸遠大的另一原因。在美國這種市場,網際網路已經很難拓展客源,新增幾十億上網人口,等於為廣告帶來更多目光和更多個人資料供分析鎖定。這也是 Loon 計畫不乏競爭對手的原因之一:臉書為展開自己的空中網路計劃,已在2014年收購一家太陽能動力無人飛機製造商。


 


不過,遙遙領先的Google全球性社會工程計劃,早已與大型行動通訊商攜手,在巴西和紐澳的偏鄉提供高速網路測試服務。Loon計畫負責人卡西迪(Mike Cassidy)表示,對 Google而言,這項技術的價格及穩定度都已達可開始策劃大規模推行的標準。到 2015 年年底前,他希望南半球空中有足夠數目的氣球,能著手測試接近連續的服務,下一步則是業務推展:Google 預期行動通訊業者會租用氣球的網路服務進行拓展,屆時世界上無法上網的人數應該會開始急遽減少。


氣球革命


「HARMLESS SCIENCE EXPERIMENT.(無害科學實驗。)」2012 年,神祕的 Google X 實驗室在加州中央谷地施放氣球時,升空的盒子上標示這些字外,還附上一支電話號碼,並承諾氣球安全返航會提供獎賞。當時盒子裡裝著一個改良過的辦公室無線網路路由器,氣球用的材料則是從五金用品店買來後,由兩位時尚業聘請來的裁縫師製作。


 


時至今日,Loon已不只是科學計畫。2013年,Google開始與氣球製造商雷文(Raven Aerostar)合作,雷文並因此擴充舊廠並另增新廠以生產Loon氣球用的充氣球皮。同年6月,Google公開這項計畫,並就 Loon 在紐西蘭荒野的首次小規模網路服務實測提出說明。2014年,Loon 計畫著重將功能性為主的笨重原型,轉變為隨時可用來擴大全球通訊網路的技術。


 


Loon 計畫領導人打算購買專屬無線電頻段,讓氣球可以在現行無線網路外獨立運作,但這想法被 Google 總裁否決,佩吉(Larry Page)表示這些氣球應該租給行動電信業者,讓他們繼續用現有分配到的波段,自行蓋基地臺將氣球訊號接上各自的電信網。如此一來,Google 不但省下頻段使用執照的數十億美元,而且能化敵為友。卡西迪說:「幾乎每一家我們談過的電信業者都躍躍欲試。」


 


Google也在平流層飛行器製造上取得大幅改善,最長足的進步是研發出不靠任何推進器,仍能精確操控飛行數千公里的技術。雖然平流層位於雲層、不穩定氣流及民航飛行高度上方,通常只供氣象氣球和偵察機使用,因而相對安全,但仍偶有時速超過300公里的強風,要維持穩定可靠的無線網路,必須確保方圓40公里內隨時有氣球提供服務。


 


Google 用解計算機習題的方式解決了這個飛航上的難題。平流層中,不同高度的風向和風速不同,Loon 氣球利用這點,靠改變高度化解:將主氣球中的副氣囊充放氣,在不同高度間尋找能將他們送往Google指定位置的風。Google根據美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)的風向風速預報,在數據中心以軟體模擬平流層氣流,控制氣球升降。參與 Loon 導航系統的軟體工程師馬特(Johan Mathe)說明:「我們的構想是在氣流迷宮中摸索前進。」以這樣的方式指揮氣球艦隊,能確保任何特定地區上空隨時有氣球。


 


這套系統最早的版本每天傳送一次指令給Loon氣球,例如:程式會設計路線,讓氣球施放到紐西蘭上空後,先在陸地上方徘徊,等待盛行西風起,再順風橫越太平洋。這麼一來,氣球可以乘著這股地表最高速強風,東飄到9,000公里外的智利,不過當時只能把氣球送到預訂地點的幾百公里範圍內。在紐西蘭或其他地方進行網路服務測試時,為確保上方有Loon氣球,Google必須做弊,就近施放。2014年年底,Google的氣球導航系統升級,指令更新頻率最高可達每15分鐘一次,現在即使洲際飄移,準確度也很高,2015年初,氣球可在1萬公里航行後,抵達目標基地臺的500公尺範圍內。


 


Google 還得想辦法讓氣球更耐用,在平流層待更久,氣球在上面撐愈久,網路運作的成本愈低。然而,出於重量考量,球皮必須輕巧,但摸起來像厚垃圾袋的聚乙烯塑膠材質,指甲一劃就破,氣球可能升空不到兩週,就會因為出廠前被砂礫勾出的針孔般小洞,被迫返回。


 


Loon計畫裡有專門小組,負責仔細追查任何可能造成洩氣的原因,嚴加防範。小組成員研究從平流層收回的氣球,又反覆觀看在地面將氣球充到爆裂的影像,並開發藉檢測氦氣找出微小裂縫的「洩氣偵測儀」。根據小組的報告,氣球球皮經過重新設計,工廠工人必須換穿更柔軟的襪子才能踩上球衣,而且更換機器將部分製程自動化。負責Loon計畫硬體製造,曾在蘋果生產部門任職的克里許納斯米(Mahesh Krishnaswamy)表示,種種努力下,Google 為氣球業帶來幾十年來最重大的變革,而且這些調整已見成效。他說,2013 年夏天,Loon氣球施放後短短8天就必須收回地面,目前氣球平均可維持100天,其中大部分飛行天數更長;甚至有少數可空飄長達130天。


 


Google 也多方改進 Loon 氣球的負載能力和電子裝備規畫,不過仍有其他問題待克服,例如,Google 需要以無線電或雷射確保氣球間連結,才能在遠離任何地面基地臺時,空中彼此傳遞訊號。


 


但卡西迪說,Loon 計畫技術已達到可進行全球平流層網際網路服務測試的階段,2015年,他預計在繞南半球一周的狹窄環狀地帶,展開「幾乎不中斷」服務評估,這一地帶主要涵蓋範圍為海洋,繞地球一周總計需要100顆 Loon 氣球的陣容。卡西迪說:「大約9成的時間中,那個地帶的居民頭頂上至少會有1顆氣球可用。」


 


 


訊號良好


巴西東北部一所偏鄉學校的校長佩雷拉(Silvana Pereira) 說:「雖然只有短短幾分鐘,但太美妙了。」她回憶起去年夏天,一節特別的地理課,利諾佳蓋又索白堡學校(Linoca Gayoso Castelo Branco School) 的學生利用頭上雲深不知處飄過的Loon氣球上網,當地沒有網路,但那天教到葡萄牙地理,卻能用維基百科跟網路地圖補充。佩雷拉說:「學生反應熱烈,45 分鐘的課時間太短,無法滿足他們的求知慾。」


 


這所學校離最近的百萬人口大城只有100公里左右,但學區人口又窮又少,巴西無線網路業者不願在此投資網路基礎設施。Google Loon計畫的目標是為改寫網路服務經濟學,卡西迪表示,一顆 Loon 氣球每天營運成本只要數百美元,而且每一顆應該隨時能提供幾千個連結點,但Google 不願透露這項計畫的投入金額,連團隊成員人數都保密。


 


同時,卡西迪有信心,這些氣球能與用來提供網路服務的無人機(Google 和臉書都在研發中)或衛星(SpaceX 總裁馬斯克(Elon Musk)的概念) 相抗衡,其他計畫不但遠遠落後 Loon,而且無人機建置及動力成本高,衛星發射也很貴。卡西迪表示:「氣球能維持很長一段時間的成本優勢。」(可能為了分散風險,Google 除開發無人機外,另與富達合資挹注 SpaceX 10 億美元。)


 


然而,43 億人無法上網不只是因為技術問題。位於印度班加羅爾的智庫「網路與社會中心」,執行總監亞伯拉罕 (Sunil Abraham) 表示,例如印度在政策上要求電信公司,不論區域的貧富都必須提供訊號,但政府從未執法。考慮到 Google 和其他西方網路服務商在發展中國家的操作模式,他對 Loon 計畫也持保留態度,Google為了讓自己的網站可以開放使用,而與印度和其他國家的電信公司達成交易,置當地競爭者於不利地位。他說:「任何人帶著滿滿的荷包跟新科技要來,我都歡迎。」但他也說,政府應該先處理不周全的監管制度,確保大家都能(而不是只有 Google 和他們合作夥伴)獲益。


 


Loon計畫成員自信這項計畫對大眾有利,他們似乎不只因 Loon技術超群而鬥志高昂,也想要改善大家的生活。回想起佩雷拉校長的學生上地理課時,獲得網路輔助學習的歡欣,卡西迪感動得語帶顫抖,說:「這可以改變世界。」

大規模海水淡化

全世界最大最便宜的逆滲透海水淡化廠即將在以色列投入運轉。


 


撰文/塔博特 (David Talbot)


 


以色列臺拉維夫南方16公里的地中海岸邊,一座巨大的新工業設施日夜不停嗡嗡響。這座提供全國20 % 家戶用水的世界最大現代海水淡化廠,是以色列海水淡化公司(Israel Desalination Enterprises; IDE Technologies),以約5億美元成本為以色列政府打造,使用稱為傳統逆滲透(reverse osmosis; RO)海水淡化技術。然而,由於工程及材料的種種進步,卻能以前所未見的低價與規模將海水轉化為乾淨用水。


 


目前全球約 7 億人無足夠淨水可用,10年後更預計爆增至 18 億,許多地方,可能唯有從海洋擠出淡水才有辦法增加供水量。


 


2013年底完工的這座新廠索列克(Sorek),日前才剛達產能滿載,每日出水627,000立方公尺,可見大型海水淡化設施具實用性,事實上,淡化海水占目前以色列供水大宗。2004年時,以色列還完全仰賴地下水和雨水,現在已有4座海水淡化廠運轉供水,其中索列克為最大廠,這4座水廠供水量占全國40%。更多廠房陸續加入運轉後,淡化海水預料將在2016年供應全國約50 % 用水。


 


以往對逆滲透技術的非難在於淡化成本過高,以毛孔微小到只容水分子通過的聚合物薄膜加壓過濾離子的過程,須耗大量能源。不過,索列克以每立方公尺 (換算為1,000公升,即以色列每人每週用水量)58美分的價錢,將水賣給以色列水務局,售價不僅低於傳統淡化廠且仍有利潤,而且,索列克耗能量極低,在全世界大型海水淡化廠中名列前茅。


 


索列克經許多技術改良,比傳統逆滲透設備效能更高,該廠為率先採用16吋的大型海水淡化廠,因而只需8吋管的4分之1管線及其他設備,大幅降低成本,並設有高效泵浦和能量回收裝置。海法以色列理工學院 (Israel Institute of Technology)化工及海水淡化專家瑟米拉教授(Raphael Semiat)說:「這肯定是全世界最便宜的淡化海水,我們再也不必為了水,你爭我奪。」


 


澳洲、新加坡,幾個波斯灣國家都已大量仰賴淡化海水,加州也逐漸開始採用,節能經濟的小型逆滲透設備可廣泛用於嚴重缺水地區,甚至在遠離海洋的內陸用來淡化含鹽地下水。


薄如原子的碳紙濾膜仍在開發初期,未來可望進一步降低海水淡化廠的耗能。


蘋果行動支付Apple Pay

巧妙結合各種科技,手機搖一搖,消費付款更快更安全。


 


撰文/霍夫 (Robert D. Hof)


 


Apple Pay去年9月公布時,貝迪耶(Osama Bedier)還不覺得有什麼了不起。目前經營支付新創公司Poynt的貝迪耶,以往長期擔任 PayPal 高階主管,並曾領導 Google 電子錢包服務2年多,供手機結帳使用的Google 電子錢包,與Apple Pay的技術相同,卻未能普及。因此,儘管Apple Pay宣稱按一下 iPhone 即可安全付款很誘人,仍不免讓人懷疑是否真能成功。


 


然而,Apple Pay推出不過短短數週,貝迪耶便已完全改觀,可供零售商接受Apple Pay的Poynt新型收銀裝置為公司帶來大量訂單。在Poynt的帕拉阿圖市 (Palo Alto)總公司大廳裡,放著一臺百年前的國際牌收銀機,見證支付史的演進,貝迪耶說:「現在客人上門會問店家:『我為何不能用 Apple Pay 付款?』」貝迪耶原本預估2015年會售出2萬臺Poynt支付終端設備,但在Apple Pay推出後,他必須臨時再找一家臺灣廠商合作,才能應付遽增的需求。他說:「Apple Pay 將引爆行動支付熱潮。」


 


Apple Pay 去年秋天出現前,行動支付即開始累積能量,根據美國聯邦儲備委員會調查,17%的智慧型手機用戶曾於 2013 年用手機在實體店面付款,比 2012 年成長 6%。佛瑞斯特市調公司 (Forrester) 報告指出,2014年,全美臨店行動交易金額達 37 億美元,成長率超過100%。同時,隨著 Uber等服務及星巴克等商店接收行動應用程式付款,以往掏錢包付帳的消費方式,正逐漸被更快並應該更安全的手機取代,消費者可延用原本的信用卡帳戶,卻不用拿出卡片。萬事達卡新支付科技經理麥克勞克林(Ed McLaughlin)說:「據我們了解,消費者一旦試過用手機結帳兩三次,就回不去了。」


 


即使行動支付不是蘋果所發明,也是靠蘋果增強,正如蘋果讓玩電腦、聽音樂、行動通訊更輕鬆,Apple Pay 也讓線上購物及實體店面消費支出更容易。從貨幣到信用卡,每項金融革新都讓交易更順暢,買賣更快速,Apple Pay 也一樣:從此揮別簽名付帳,出示身份證明文件,以及其他付款方式的種種麻煩,並且比之前推出的行動服務更順暢,只要將手機靠近支付終端設備,Apple Pay 就會自動連線,不必像 Google電子錢包或 PayPal 一樣先開啟程式,用拇指按手機,不需輸入密碼,交易更快速,不管在Airbnb訂房或在Subway 買潛艇堡都行。Apple Pay有別於其他支付系統,首度成功融合虛擬和實體世界的交易。


 


但這並不表示大多人在 2015就會拋開錢包,到任何店面都搖手機結帳。美國去年 37 億美元的臨店行動支付總額,只佔 4 兆美元年度零售消費總額的極小部分,這還不包含 12兆美元的服務消費總額。除面臨 Google、PayPal、零售商、無線通訊業者的電子錢包競爭,Apple Pay本身也面臨許多挑戰,目前只有新的 iPhone 6才能在店面用Apple Pay,而且僅限美國境內可用,但全美卻有98%的店家都未配置適用的收銀終端設備。最後,Apple Pay仍無法取代實際錢包的許多好處,尤其是受歡迎的優惠卡,星巴克的App既可搜尋店家位置,又能集點和付款,仍占所有零售店面行動支付的大宗。


 


即使如此,蘋果已做對很多事,Apple Pay將豎立重要里程碑。這項蘋果的初步成就,可望帶動行動支付的整體潮流,儘管沒用到任何新技術,蘋果卻善用 iPhone 的軟硬體,超越Google 將 Android 手機與電子錢包搭配的程度,將他們結合成前所未見的簡便服務。


 


各項業界支付標準因此正由蘋果制定中,舉例而言,對於終端設備從手機接收資訊時,該用條碼或無線近場通訊技術 (NFC),店家一向爭論不休,但在蘋果選擇於 iPhone 內建近場通訊科技後,為了迎合數百萬 iPhone用戶,許多店家勢必面臨添購支援近場通訊收銀設備的壓力。


 


此外,Apple Pay 也在支付安全上占領導地位,比信用卡提供更多道防護,不但卡號不存進手機,商家看不見,更不會儲放在常遭駭客入侵的資料庫,每筆交易會透過 Touch ID 指紋辨識系統判讀用戶指紋後進行加密,產生一組只限單次使用的特定代碼。摩根大通新一代支付產品部門主管亞魯姆甘 (Avin Arumugam) 表示,如此嚴密的防護,正是總計占美國消費支出9成的各家銀行支持 Apple Pay 的原因之一。


 


最重要的是,蘋果推出的時機無懈可擊,信用卡系統將讀卡機升級到可刷嵌入式安全晶片卡的期限,訂在2015年10月,仍未完成的商家,之後必須自負盜刷損失,更新後的收銀終端設備,大多內建近場通訊技術。曾擔任PayPal、Square主管,並投資許多支付新創公司的拉波斯 (Keith Rabois) 指出,雖然多數商家全面升級將需時幾年,但Apple Pay可以讓週期加速完成。他說:「Apple Pay 為行動支付弭平了大半的阻礙。」


 


Apple Pay目前已超越 Google電子錢包及任何其它最新行動支付系統。全食超市(Whole Foods Market)資訊長布夏(Jason Buechel)說:「蘋果的時機成熟了。」截至1月中,2%的全食超市店面銷售額透過 Apple Pay支付。麥當勞表示,店內手機付款有一半用Apple Pay。沃爾格林藥局(Walgreens's) 的行動支付在Apple Pay推出後,躍升為原來的2倍。根據證券經紀商投資科技集團(Investment Technology Group) 研究,約60%的Apple Pay 用戶在去年11月使用天數超過1天,為PayPal新用戶同期使用頻率的3倍。


 


Apple Pay 若能持續看漲,蘋果勢將大發利市,重點不是向發卡銀行收取每筆交易金額0.15% 的手續費,投資人伊坎(Carl Icahn)推估,就算意外攀升到全美國信用卡和簽帳卡支出總額的 30%,截至2017年,手續費收入也不過區區25億美元,與蘋果2014 會計年度年收入1,830 億美元相比,微不足道。更主要的影響在於維持iPhone的吸引力,一旦你每天都用Apple Pay,及iCloud、iTunes等其他蘋果服務,要換到Android前恐怕會慎重考慮再三。


 


零售店對 Apple Pay 高度關注,未來幾年最大的商機是無數應用程式和服務的付費可能更順暢,搭乘 Uber 幾乎看不到付車資的過程,輕鬆簡單。拉波斯認為,Apple Pay 可為千千萬萬的交通運輸、餐飲外送等訂單服務,提供同樣容易的付款方式,一旦養成觸控式行動支付的習慣,大家就會開始預期隨處都能使用。


 


 


更嚴密的安全防護


在櫃檯刷卡或線上購物用信用卡結帳時,我們會提供卡號給商家,讓他們向發卡機構請求授權,這些商家往往把卡號儲存在自己的伺服器中,因而常遭歹徒輕易侵入盜取卡號。


Apple Pay消除了這種會讓卡號暴露的風險,申請註冊時,會要求用戶以手機拍下卡片影像,經蘋果向發卡銀行核對無誤,隨即刪除卡片影像的電子檔,手機和蘋果也不儲存卡號。Apple Pay 會設定一組做為裝置帳號的加密數據,取代信用卡,存進手機的安全元件晶片,除 Apple Pay 外,手機上任何其他程式都無法存取這組裝置帳號。購物時,安全元件晶片會釋出裝置帳號,結合交易資料,產生一組僅限該筆交易有效的代碼,Visa 和 MasterCard之類的刷卡機能判讀裝置帳號和交易代碼,進而批准或拒絕交易,實際卡號絕不會被商家看見。


這項技術並非蘋果發明,其他使用無線近場通訊標準的支付服務也透過安全元件晶片,但 Apple Pay 卻進一步結合 iPhone 原本用在手機解鎖的 Touch ID 指紋辨識技術。如此一來,不但不必費心輸入密碼確認交易,手機被偷也不怕盜刷。


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