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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

295期2016年05月號

出版日期:2016/05/15

正方形 Icon 觀念探索 Trend

2016 10大突破性科技(下)

譯/梁豫婷

互相學習的機器人

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

要是機器人能夠獨立學會更多事情,並彼此分享所學,會是什麼情形?


突破性科技
能學習技能,並將獲得的知識上傳雲端,供其他機器人學習的機器人。

重要性
如果不用為不同機器設計不同程式,機器人科技將突飛猛進。

主要研發團隊或人員
- Brain of Things的薩克塞納(Ashutosh Saxena)
- 布朗大學的泰勒斯(Stefanie Tellex)
- 加州大學柏克萊分校的艾畢爾(Pieter Abbeel)等三人
- 德國達姆施塔特工業大學的彼得斯(Jan Peters)

許多人類希望交由機器人代勞的工作,如:包裝倉庫中的物品、輔助臥床病人、救援前線士兵等,仍未能如願,因為機器人還認不得常見物體,抓握也無法如人手一樣靈活。布朗大學電腦科學系教授泰勒絲(Stefanie Tellex)表示,一般人能輕鬆折襪子或端起水杯,是由於我們經歷了童年這個「收集龐大資料的過程」,機器人要執行相同的例行公事,也需要取得大量關於如何抓握操縱的資料。但資料哪裡來呢?以往,通常要辛苦設計程式去跑出來,但若機器人能取得彼此的資訊就更理想了。

一名研究員預期「機器人的能力將會大爆發」。

以上是泰勒絲籌畫「百萬物品挑戰(Million Object Challenge)」的理論根據,她的目標是讓世界各地的研究用機器人,學會如何辨識並拿取從碗到香蕉不等的簡單物品,且將資料上傳雲端,讓別的機器人能夠分析使用這些資訊。

泰勒絲位於羅得島普羅維登斯(Providence)的實驗室,有著幼稚園般的玩耍氣氛,採訪當天,由Rethink Robotics公司生產的工業機器人巴斯特(Baxter),站在超大區塊間,對一把小梳子進行掃描,機器人的右臂在物體上方來回移動,發出很大的聲響,同時拿相機拍了多張照片,並用紅外線量測物體的厚度,接著伸出兩指機械爪嘗試以不同方法抓取梳子,好把梳子拿起來,東西一拿起來,機器人就會開始甩動爪子,好確認有抓牢,待確認完成,表示機器人已經又學會拿取一種新東西了。

這個機器人能不眠不休日以繼夜地工作,且經常兩手各處理一件不同的東西,從童鞋、塑膠船、橡皮艇、壓蒜器、各種廚房用品,包括泰勒絲三歲兒子原本在用的學習杯等物品開始,泰勒絲和她的研究生奧伯林(John Oberlin)已經收集並發表約200件物品的資料,其他科學家也可以分享相關的資料,她希望能眾志成城,建立起機器人如何拿取100萬種不同物品的資料庫。泰勒絲期望機器人能從琳瑯滿目的架子上,「找出放在面前的筆,並且拿起來」為止。

這類計畫之所以可行,是因為許多研究用機器人的程式編寫都遵循相同的「機械人作業系統(ROS)」標準架構,一旦一台機器學會一項指定任務,便可將資料傳給其他機器人,接收到的機器人也可上傳回饋,用以修正接下來要傳授給其他機器人的知識。泰勒絲表示,每樣物品辨識及抓握方式的數據量可壓縮成5~10MB,跟音樂庫裡一首歌的檔案大小差不多。

泰勒絲在初期就參與了RoboBrain計畫,這項計畫證實機器人能汲取其他機器人的經驗,她當時在康乃爾大學的計畫搭擋薩克塞納(Ashutosh Saxena),教會機器人PR2將小杯子端起後放在桌上,接著,泰勒絲在布朗大學將資料從雲端下載,用來訓練他自己的巴斯特,讓構造相異的機器人在不同環境中執行相同的工作。

目前擔任新創公司Brain of Things(物腦)執行長的薩克塞納表示,這樣的進展現在看來似乎微不足道,但接下來的五到十年間,將會見到「機器人的能力大爆發」,他認為,隨著愈來愈多研究人員不斷提供並改進雲端上的知識,「應該要讓機器人能在彈指之間存取一切他們需要的資訊。」

DNA應用程式商店

有了提供個人基因資訊的網路商店,了解個人健康風險和遺傳傾向將更便利且更便宜。


有一天,高文治(Justin Kao)在開車途中,從美國全國公用廣播電台(NPR)聽到,讓人嗜吃甜食的「螞蟻基因」找到了。一向愛吃餅乾的他心想:「哇,天哪,我願意花五美元驗驗看我有沒有這個基因。」

他現在指望會有幾百萬人也一樣,迫不及待想花幾美元一窺自己DNA中的端倪。高文治參與創辦了Helix(螺旋),這家位於舊金山的公司,以推出第一家遺傳資訊應用程式商店(app store)為目標,去年夏天獲得超過一億美元的挹資。

我們的基因組中存有個人的健康風險、身體特徵、血緣關係等資訊,然而,目前除了能提供少數個人遺傳概況的溯源檢測外,DNA資料還沒有大眾市場。看準市場欠缺的只是對的商業模式,高文治曾任職的私募股權投資機構華平投資(Warburg Pincus),與先進的超速核酸定序儀製造商Illumina,攜手成立Helix。

Helix打算收集每個DNA應用程式付費用戶的唾液樣本,加以定序和分析後,再將結果數位化,供計畫出售其他程式的軟體開發商存取。Helix把這個構想稱為「一次定序,來回查詢」(sequence once, query often)。(Helix表示,用戶可上網站、Android和蘋果應用程式商店找到這些應用程式。)

透過與Illumina的合作,Helix自認能以其他公司成本的五分之一,即100美元左右,將人類基因組中最重要的部分,即總數兩萬個遺傳因子和一些其他片段等,進行解碼。正因為如此,Helix 得以走下一步險棋:即使用戶一開始只是為了想知道自己是否攜帶螞蟻基因,或是否有可能罹患特定疾病,而來檢查一個特定基因,公司也會為所有用戶找出並儲存上述全部資料。搞不好哪天有兩個人在車庫裡寫出一個售價10美元的應用程式,讓你看自己10年後的樣子有多老,或讓你知道自己與哪位名人血緣最近。高文治表示,這項策略能讓用戶以「破天荒的超低入門價格」取得自己的遺傳資訊。

這個應用程式商店的引擎目前正在組裝中,今年一月,工人仍在距Illumina聖地牙哥總部一、兩公里的廠房內,鈑金跟舖地磚。沿天花板幾公里長的數據纜線與一大片定序儀連結後,每年可處理100萬份DNA樣本。Illumina執行長兼Helix董事長弗拉特利(Jay Flatley)曾說,這裡將成為全世界最大的定序中心。

Helix計畫在今年或明年推出應用程式商店,由用戶自行設定資料公開對象,甚至設有「核彈發射鈕」,可摧毀每一個A、G、C、T鹼基,但關鍵細節還在研礙中。至於用戶能不能下載自己的DNA資訊,改存到別處去呢?也許可以,不過可能需要加收費用。

Helix的合作商之一,是總部位於美國麻州劍橋市的新創公司Good Start Genetics (「好的開始」遺傳公司)。這家公司提供產前基因檢測,讓準爸媽提早知道子女是否有罹患囊腫性纖維化等嚴重遺傳性疾病的風險。Good Start Genetics 的業務經理盧伯爾(Jeffrey Luber)透露,他打算藉由可就幾項重大風險提出報告的應用程式,先吸引更多用戶上門,再等他們像上亞馬遜網站一樣,發現「那些他們原本不曉得自己需要,但若你設定以這些人為目標,就會讓他們想要的東西」。

美國食品藥物管理局是不可避免的變數,他們一向對基因測試密切留意,且有權核定Helix的應用程式能揭露多少資訊。美國梅奧診所個人化醫學中心(Center for Individualized Medicine at the Mayo Clinic)主任斯圖華特(Keith Stewart)說,目前提供罹癌機率等實際醫療資訊(而不只是你的DNA中有多少尼安德塔人基因)的應用程式,大多都需經主管機構核准,或過程中有至少一名醫師參與。

奕真生物(Veritas Genomics)執行長齊孚伊(Mirza Cifric)說:「我們的底線會是:法令對確實有用的資訊有哪些規範?」奕真生物自去年秋天開始提供人體基因組完整定序,現在正開發能解讀這些資料的應用程式,程式內建與遺傳諮詢醫師約診的FaceTime按鈕。齊孚伊還沒決定是否要與Helix聯合開發應用程式,但他認同Helix的核心理念:「基因組是畢生的資產,你以後一直會用得上。」


突破性技術
新的核酸定序商業模式讓更多遺傳資訊可以上網取得。

重要性
許多個人特徵是由基因組決定,包括罹患特定疾病的可能性。

主要研發團隊或人員
- Helix
- Illumina
- 奕真生物

SolarCity的超級工廠

一座7.5億美元的太陽能廠,每年將在水牛城出廠10億瓦特的高效太陽能電板,使住宅用電板對屋主更具吸引力。


突破性技術
以便宜簡單的製程生產出轉換效率高的太陽能電板。

重要性
太陽能產業的技術需要更便宜更有效率,面對化石燃料才能更有競爭力。

主要研發團隊或人員
- SolarCity
- 中聖集團
- 松下

太陽能產業的未來,正在伊利湖附近水牛河畔的一個工業園區內逐漸成形,由紐約州出資興建的SolarCity水牛城廠,工程已進入尾聲,即將投入生產市面上轉換效率最高的各種太陽能電板。這個占地遼闊的廠區每日可出廠一萬片太陽能電板,相當於每年10億瓦的太陽能電容量,不但將成為北美最大的太陽能製造廠,規模亦傲視全球。

早已在美國住宅用太陽能電板安裝居領先地位的SolarCity,在這座超級工廠正式運轉後,將成為垂直整合的製造商兼供應商,包辦從製造太陽能電池到屋頂安裝的每個環節。中國製傳統矽晶電板價格屢創新低的此時,投資新型太陽能技術的風險很高,然而,潛在利益也很可觀。SolarCity公司技術長瑞夫(Peter Rive)認為,這座新廠或許可同時帶領持續虧損的SolarCity及住宅用太陽能業成功蛻變。

SolarCity安裝太陽能電板的成本從2012年的每瓦4.73美元,降到目前的每瓦2.84美元(含銷售、行銷、間接費用及硬體成本)。新電板轉換效率提高、新廠產量增加、製程簡化,都是推估住宅型太陽能可望在水牛城廠2017年底前全面投入生產後,成本降到每瓦2.50美元以下的重要因素。

得力於美國聯邦政府的太陽能補助金,以及許多州允許用戶將餘電躉售給電網的「淨用電量計費」規定,SolarCity已經率先使住宅用系統對很多家庭產生經濟上的吸引力,進而掀起屋頂電板的熱潮,安裝成本下降後,或許會使住宅型太陽能受到更多青睬。

瑞夫說,「我們此時此刻就有能力,在14個州,以低於一般電費的售價賣出能源」,他還說,水牛城廠讓我們為「太陽能加蓄電池比化石燃料更便宜的未來」做好準備。
SolarCity發下豪語的關鍵,在於2014年收購太陽能小廠Silevo所取得的一項技術,這項技術的起源可追溯到澳洲籍太陽能先驅格林(Martin Green)在1970年代後期的發明,能提高電板將太陽光轉換為電能的效率。作法是將標準矽晶太陽能電池與薄膜電池組件組裝後,鍍上一層半導體氧化物。去年10月,SolarCity宣布加州佛利蒙市(Fremont)一家小廠所生產的測試用電板,轉換效率經檢驗超過22%。目前市面上的矽晶太陽能電板,轉換效率只有16%~18%,SolarCity的競爭對手中聖集團,之前以21.5%的轉換效率稱霸市場。

轉換效率至關緊要,因為電板本身只占整體安裝成本的15%~20%,其餘大部分為與市電併聯的逆變器、電池陣列支撐架的材料、將電板固定在屋頂的螺母和螺栓、安裝人力等周邊光電平衡系統的成本。SolarCity表示,他們只要採用傳統安裝量三分之二的電板,便能產生相同的電量。麻省理工學院能源研究計畫(MIT Energy Initiative)的研究分析主任歐蘇利文(Francis O’Sullivan)說:「電板更少,表示需要的組件、管線、屋頂施工天數也更少。」

SolarCity使用沉積法製造電池,將製程從20幾個甚至更多,減少為六個步驟,並用比較便宜的銅,來取代傳統太陽能電池中數一數二昂貴的原料:銀。

但是,SolarCity佛利蒙廠這種小廠與水牛城廠這種大廠製造的太陽電板之間,效能可能也有很大出入,同時,擴大生產對缺乏製造經驗的SolarCity,可能特別棘手。瑞夫承認,水牛城廠製造的產品要達到小廠出品的轉換效率,恐怕在「實際時程上有一些小小風險」。SolarCity已經將水牛城廠全面投入生產的目標日期,從2017年第一季延至同年較晚時間。

但真正的風險在於太陽能技術日新月異:目前刷新記錄的電板轉換效率,可能三至五年後,就顯得很低。SolarCity於去年10月展示高效電板不久後,松下就宣布超越對手,新型電板轉換效率可達到22.5%,同時,實驗室內的轉換效率會更高:研究人員已經製造出轉換效率高達40%的特殊太陽能電池材料。格林說:「我認為10年內,製造商大多都能生產轉換效率超過20%的太陽能電板,市面最好的電板,轉換效率將達到23%以上。」

歐蘇利文補充道:「大致來說,SolarCity正極盡當代科技所能,向前航行,但我們快到矽晶技術經濟效益的臨界點了。」SolarCity即將上線的新型電池也不例外,他認為,未來的技術發展將使電板更輕盈靈活,轉換效率更高,安裝甚至更便宜,發電成本進而更低。

到那時,這座超級工廠生產的太陽能電板,或許就像現今中國製電板商品一樣普通,然而,水牛城廠之所以不凡,正是因為SolarCity願意承擔這樣的風險。過去10年間,這家矽谷公司運用巧妙的行銷手段和吸引人的財務規畫,成功使住宅型太陽能成為許多消費者的熱門選擇,現在,SolarCity想要帶領太陽能製造轉型。無論成功與否,都將再次拓展太陽能發電的格局。

Slack通訊軟體

為手機和簡訊時代所打造的服務正在改變我們的工作環境。


突破性技術
使用容易的通訊軟體正取代電子郵件成為新的辦公方式。

重要性
在各種工作地點,能側耳聽同事閒聊的「茶水間效應」有助提升生產力。

主要研發團隊或人員
- Slack
- Quip
- Hipchat
- 微軟

常有人說,企業內部通訊系統Slack是有史以來成長速度最快的工作用軟體,自2003年發布後,不到三年時間,已超過200萬人每天使用。
但到底為什麼Slack這麼受歡迎呢?

Slack透過即時通訊和聊天室功能,讓團隊集中在同一個平台溝通,減少花在電子郵件上的時間,無論是用行動裝置或桌上型電腦,都可以上傳檔案,抓取並修改儲存在試算表或其他辦公軟體中的資料,還可輕鬆搜尋對話記錄。Slack的很多核心功能早在1990年代就存在,以往也不乏其他與Slack相似的「工作版臉書」套裝軟體,受青睞程度卻不可同日而語。

Slack的崛起一部分是大勢所趨:現在愈來愈多人通過行動裝置,與不一定都在同一個時間進同一間辦公室的團隊一起工作,但Slack的特殊設計也功不可沒。美國波士頓學院卡洛爾管理學院(Carroll School of Management)資訊系統系副教授凱恩(Gerald C. Kane)指出,Slack將資訊串流,讓同一個頻道的工作團隊成員都能看到當中的所有訊息。他說,「如此一來,就能『在旁邊聽到』公司正在發生的事;研究證明這對營運可能會產生影響,當中有種電子郵件感覺不到的『環境意識(ambient awareness)』。」

美國南加州大學資訊科學研究中心(Information Sciences Institute)社群運算專家萊爾曼(Kristina Lerman)指出,Slack訊息內容大多輕鬆簡短,比較像手機簡訊(在個人生活中捨棄電子郵件,改發文字簡訊的人愈來愈多),跟同事保持聯繫感覺起來比較沒有負擔。萊爾曼說:「會有種自己對周遭動靜應對迅速的感覺。」

事實上,訊息發布太容易,就算介面有時尚感又操作簡單,或許最後反而會導致Slack像傳統用電子郵件一樣,占去個人大量時間。萊爾曼說:「每個人能用於互動的時間有限,這一點Slack並沒有真正克服。」軟體或許能減少工作上的一些阻力,但溝通的內容畢竟還是工作。

特斯拉自動駕駛系統

電動車製造商將車用軟體升級後,自駕模式一夜成真。


突破性技術
汽車可以在各種環境下安全自駕。

重要性
全球每天都有數千人死於人為疏失引發的車禍。

主要研發團隊或人員
- 福特汽車
- 通用汽車
- Google
- 日產汽車
- 賓士汽車
- 特斯拉
- 豐田汽車
- Uber
- Volvo

2014年10月,馬斯克(Elon Musk)的公司開賣前後保險桿及車身兩側暗藏12支超音波感測器的電動車,車主可花4,250美元,加購一組能操縱這些感測器,以及行車紀錄器、前置雷達、數位剎車的防碰撞「科技包」,基本上,就是可切換到自駕模式,在碰撞前把車剎住,但多數時間,這些硬體只是枯坐著等上陣,同時不停收集大量資料。裝有感測器的電動車上市一年後,去年10月14日,特斯拉(Tesla)對當時已售出的六萬輛車推送軟體更新,更新後的這套軟體正式名稱是特斯拉7.0版,但比較廣人所知的卻是他的外號:Autopilot (自動駕駛系統)。

事實上,這套車用系統的確與飛行員用的客機自動飛航模式很相似,車子可自行控制快慢,沿車道甚至切換車道行駛,還會自動停車。雖然賓士、BMW、通用等其他汽車公司也已推出自動路邊停車等某些功能,但是,透過軟體更新一夜之間實現自動駕駛,不啻為向全自動駕駛躍進的一大步。

特斯拉的車主很開心地上傳自己在高速公路上,空著手、讀報、喝咖啡,甚至一度爬上車頂的影片,不得不說,其中有些是違法行為。自駕系統存在於法律灰色地帶,卻是對不久的將來進行大動作致意,屆時自駕不僅會革新車輛設計及人車關係,還會改變道路及整個交通基礎設施。

這就是我為何緊抓住這次機會,將一輛裝有自駕系統的車借回來,開著它,或者說,讓它載著我在洛杉磯繞了幾天。

由於車子太不尋常,每個人都想知道是什麼感覺,其實只有自動停車或切換車道時,才會覺得神奇,主要是因為看著方向盤自己轉動很詭異,像活見鬼。此外,我很驚訝自己那麼快就習以為常,而且覺得少不了它,如同一位不願具名(因為現在除馬斯克外,公司不允許任何人對外發言)的特斯拉工程師告訴我的,不久後覺得怪的反而是沒裝自駕系統的車。他說:「你會覺得車子沒做它該做的事。」

自駕車無法一開始就進入自駕模式,需要有一組環境參數(基本上就是要數據齊全)才能使用這個系統,依序大致包括:清楚的車道線,相對一致的速度,對周圍汽車的認識,及行經地區的地圖。高速公路很多的洛杉磯是對自駕系統最理想的狀況,不僅因為利用高頻聲波偵測方圓16英呎(約4.8公尺)內物體的超音波感測器有現成數據可用,也因為車一多,人類的駕駛行為就很糟。首先,我們不善估量距離;其次,當隔壁車道看起來比較快時,我們會不停地嘗試切換而導致交通事故。交給系統自駕時,我不再需要盯著前車的保險桿,因此能轉頭看看四周駕駛作的種種不良決定,停停走走,走走停停。反觀我這輛,加減速比我自己來開還平順得多。

特斯拉採用逐步累積的方式,完全不同於用少數測試車蒐集資訊,計畫有朝一日推出完全自動駕駛車的Google及其他公司。對特斯拉而言,車主和他們可部分自駕的車組成一支遍佈各地的測試車隊,完全自動化所需的硬體都已裝在車上,升級只需要更新軟體。馬斯克說,兩年內技術上應該已辦得到(雖然法律不一定已經開放)。

歸還特斯拉的隔天,我和未婚妻在洛杉磯一條高速公路上,眼看有人在三條車道間切來切去,還加速超了好幾輛車,車陣一停下來,那輛車從後方太快切進來,當場把我們的保險桿撞掉。於是我想,未來就在這裡,我等不及了。

空氣電源

由Wi-Fi 等電信訊號供電的網路裝置將讓小型電腦和感測器更普及。


突破性技術
能將附近的Wi-Fi等無線電訊號轉為電力,供應無線裝置並進行通訊。

重要性
不再受電池和電線束縛即可上網的裝置可開發許多新用途。

主要研發團隊或人員
- 華盛頓大學
- 德州儀器公司
- 麻州大學安默斯特分校

再怎麼小的裝置通常都需要電池或電線才能上網,但很快就不用了。讓裝置從附近電視機、 收音機、手機、Wi-Fi的訊號取得供電並通訊的技術即將商品化,開發這項技術的華盛頓大學研究人員示範了以這種方式供電給連上網路的溫度與動作感測器,甚至相機。

無線傳送電能不是新把戲,但要讓不用一般電源的裝置進行通訊卻很難,因為傳送無線電訊號很耗電,從收音機、電視機等通訊方式擷取的氣波,能量極弱。

哥拉科塔(Shyamnath Gollakota)和同事史密斯(Joshua Smith)已證明利用後散射原理,這種微弱的無線電訊號確實能提供網路裝置足夠的電能。他們的一個裝置會選擇性地反射接收到的無線電波,發出新訊號,而非反射原訊號,有點像登山客遇難時,用太陽和鏡子打求救訊號的辦法。採用這項技術的裝置能在改造訊號時,從訊號吸收部分能量,為本身的電路供電。

哥拉科塔說:「我們可以做到免費通訊。」感應式大眾運輸智慧卡用的無線射頻辨識(RFID)晶片,同樣靠依賴後散射,但需要專門的讀取裝置,而且由於反射出的訊號微弱,讀卡機又會產生干擾,因此只能在幾英吋(約15~25公分)範圍內通訊。

華盛頓大學的一項技術「被動式Wi-Fi(passive Wi-Fi)」,正由獨立出來的公司Jeeva Wireless商業化,被動式Wi-Fi經由後散射Wi-Fi訊號,讓不用電池的裝置與電腦和智慧型手機等傳統裝置連線。測試中,被動式Wi-Fi原型裝置最遠能把資料傳輸到100英呎(約30公尺)外,隔牆建立連線。這種作法需要改寫Wi-Fi存取點的軟體,多產生一個訊號供被動式Wi-Fi裝置使用,存取點本身的耗電量會略微增加。
史密斯表示,被動式Wi-Fi的耗電量只有常見Wi-Fi晶片組的萬分之一,是某些採用藍牙LE和ZigBee通訊標準的小型連線裝置的千分之一,但通訊範圍更遠。使用被動式Wi-Fi通訊的裝置(如:監視攝影機)可以從後散射中的Wi-Fi訊號獲得電力,或另外從電視機和收音機之類的訊號取得能源,供應內部其他電路用電。

研究人員相信,小型被動式Wi-Fi裝置製造成本極低,可能不到一美元,以後智慧住宅、監視錄影機、溫度感測器、煙霧警示器應該永遠不必換電池了。



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