『您的瀏覽器不支援JavaScript功能,若網頁功能無法正常使用時,請開啟瀏覽器JavaScript狀態』

跳到主要內容區塊

工業技術研究院

:::

工業技術與資訊月刊

305期2017年03月號

出版日期:2017/03/15

正方形 Icon 觀念探索Trend

10大突破性科技(上)

撰文/奈特(Will Knight)、沃伊克(Elizabeth Woyke)、穆林(Emily Mullin)、天普(James Temple) 翻譯/ Aurore Liang

強化學習

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

透過不斷試驗,電腦已能自己摸索出程式設計師教不來的能力。

在簡單的電腦模擬中,一隊自駕車正在四線虛擬高速公路上執行一項瘋狂的任務,其中半數試圖從右側車道切進,另一半則伺機要自左側插入,乍看只是故意要讓自動駕駛車亂套的把戲,這些車卻執行得精準到位。

去年 12 月,我在巴塞隆納年度人工智慧盛會上看到這場模擬駕駛,最驚人的是,這套汽車駕駛程式並非用一般的方法編寫而成,而是單憑自己練習,就能學會順暢安全地切換車道。在訓練期間,駕駛程式一遍遍執行動作,每次試駕後都微調指令,雖常因為切入太慢造成車子間彼此干擾,但只要一成功,系統便學會執行切換順暢時的行為。

由 Alphabet 子公司DeepMind所開發的 AlphaGo 電腦,便是透過這種稱為強化學習的方法精進棋藝,在去年一場眾所矚目的對奕中,擊敗世界頂尖棋士。智力更高的強化學習現在已能應用在下棋外更廣泛的用途,除改良自駕車外,這項技術還可以讓機器人抓握從未見過的物件,並算出最佳的數據中心機房設備配置。

強化學習模仿一條很簡單的大自然原則:心理學家桑戴克(EdwardThorndike)一百多年前已記載,把貓放進只能靠按壓槓桿脫逃的箱子裡,貓在喵喵叫團團轉好一陣子後,最後一定會湊巧踩到槓桿,但只要學會這個行為與期望的結果有所關聯後,貓咪就能更快脫困。

早期有些人工智慧研究人員認為,或許用機器重現這個過程會有用處,1951 年,就讀哈佛大學的明斯基(Marvin Minsky)打造出隨機神經模擬強化電腦(StochasticNeural Analogy Reinforcement Computer;SNARC),以簡易版的強化學習模仿大鼠學走迷宮,這架機器由數十個管子、發動機、離合器組成,模擬 40 個神經元和突觸的行為,在模擬大鼠走出虛擬迷宮時,其中一些突觸間的連結也隨之增強,從而加強對應的行為,明斯基日後於麻省理工學院任教時成為人工智慧之父。

接下來幾十年間,成功的研究寥寥無幾,1992 年,IBM 研究員帖梭羅(Gerald Tesauro)公開一支用這個技巧下雙陸棋的程式,這支程式的棋藝足與頂尖棋士互別苗頭,樹立人工智慧新的里程碑,但強化學習很難進一步處理更複雜的問題,DeepMind 在 英 國 的 研 究 員 史 維(David Silver)是鼓吹強化學習的要角,他說:「以前的人覺得這個概念雖然很酷,但卻不見得可行。」

然而,這種看法在2016年3月大為改觀,當時,經由強化學習學下圍棋的程式AlphaGo,擊敗了南韓頂尖棋士李世,這項成就非常驚人,因為傳統程式寫法絕對無法設計出厲害的圍棋程式,除了圍棋很複雜外,另一個原因是,即使是圍棋高手也很難說明白每步棋好在哪裡,所以遊戲規則很難寫進程式,研究人工智慧的各界原先幾乎都預期,電腦會需要10年的時間才能達到圍棋高手的程度。

投入人工智慧的卡位戰

史維是位溫文儒雅的英國人,他從就讀劍橋時開始對人工智慧著迷,他認為強化學習最近變得如此強大的原因,關鍵在於與深度學習這項技術的結合,深度學習使用龐大的模擬神經網路找出數據的規律。

強化學習之所以能行得通,在於研究人員想出如何讓電腦自行算出某些數值,而不必靠人工一一輸入,例如,大鼠要走出迷宮會遇到的每一個對或錯的轉彎處,每項數值都存在一個大表中,電腦會在學習過程中隨時更新這些數值,遇到龐大複雜的任務,這種作法在運算上太不切實際,然而,近年來深度學習已能極有效率地找出數據的規律,包括迷宮中轉彎處的數據,圍棋棋盤上的位置數據,或在電腦遊戲時螢幕上顯示的像素數據。

事實上,DeepMind起初便是從遊戲界打出名號,2013年,DeepMind將一支能學會打各種Atari電玩飆到超人等級的程式細節公開,吸引Google在2014年以超過五億美元的價錢入主,受到以上及其他種種性能的啟發,其他研究員和公司也紛紛投入強化學習,許多工業機器人製造商正測試這種方法是否能用來訓練他們的機器,讓機器不需人工編寫程式就能展開新的任務。Google的研究人員與DeepMind合作,使用深層強化學習,進一步節約數據中心的耗能,儘管數據中心各元素與能源用量間的關係很難釐清,但強化學習運算法可從統計數據及模擬實驗中,學會冷卻系統應該如何運作及運作的時間。

但是,自駕車的環境中最容易看出這支軟體對人類行為的仿效,現在的無人駕駛車在遇到圓環或無號誌十字路口等與人類駕駛互動的複 雜情況下,往往猶豫不決,我們若不希望自駕車承擔不必要的風險,或因過分猶豫而造成塞車,就需要 讓他們學會更精進的駕駛技能,例如在車陣中搶位子。在巴塞隆納展示高速公路切入車道軟體的是以色列車商 Mobileye,包括特斯拉汽車公司在內,有幾十家車廠配備 Mobileye 的車輛安全系統。播放完切進車道的短片後,Mobileye 的技術副總裁夏列西瓦(Shai Shalev-Shwartz) 向來賓展示自駕車將面臨的一些挑戰:耶路撒冷一處繁忙的圓環、巴黎一個 瘋狂的路口或印度一條地獄般混亂的道路,夏列西瓦說:「如果自動 駕駛車完全依法行事,尖峰時段可 能得花上一個小時才有辦法切換車道。」

Mobileye計劃於今年與 BMW 和 Intel 合作,在一批車輛上實測這套軟體,Google 和 Uber 都表示他們也在各自的自駕車上測試強化學習。史丹佛大學助 理教授布倫斯基(Emma Brunskill)指出,強化學習的應用領域愈來愈廣,但也表示,強化學習因為能將「決策順序排列」,所以非常適合自動駕駛,要是軟體工程師必須事先將這樣決策順序一一編寫進程式,進度會慢得多。

但也有挑戰要克服,百度首席科學家吳恩達便警告,這種方法需要大量數據,且往往需要電腦不斷進行模擬才有可能成功,事實上,研究人員仍在思考如何讓強化學習在 需要達到多重目標等複雜情況下運作。Mobileye曾被迫調整通訊協議,讓善於避免事故的自駕車不會反而引起其他車輛發生事故。

從那支令人瞠目結舌的車道切換展示片看來,這家公司好像已經開發成功,至少到目前為止,但也許接下來,在你家附近的高速公路上,自駕車實測上路才是至今最戲劇性也最重要的測試。

360度全景自拍

消費型全景相機正在改變我們分享故事的方式,開啟攝影新時代。

在哈佛研究生態的胡夫肯(Koen Hufkens)醉心於植物在不同季節的變化,他去年設計出一套系統,在VirtualForest.io的網站上,24小時直播麻州某座森林的即時影像,因為他使用的是360度全景相機,所以網友不只可以觀賞上傳的影像,也可以(在電腦上)用滑鼠或(在智慧型手機或平板電腦上)用手指操控畫面左右環顧一周,或往上動仰望林梢,向下移俯視地表,若透過虛擬實境頭戴裝置觀看,還可以藉擺頭的動作旋轉照片,加深置身林中的錯覺。

胡夫肯說,這項計畫讓他得以記錄氣候變遷對新英格蘭境內葉片發育的影響,總成本550美元左右,其中350美元花在那台拍攝用的理光Theta S相機。

我們對世界的感受來自四面八方的聲音景象,但不久前,要捕捉360度的影像或影音還只有兩種選擇:不是把幾台朝不同角度取景範 圍交疊的錄影機,固定在同一個架 上,就是買一台一萬美元起跳的特 殊機器,製作過程也很繁瑣,一般得花上幾天才能完成,影片拍攝完 成後,必須將檔案轉到電腦上,跟 所費不貲的複雜軟體纏鬥一番,將影像天衣無縫地拼接後,再轉檔存 成其他人能輕鬆瀏覽的格式。

現在,基本功能的360度全景相機不到500美元,每個人都買得起,花幾分鐘就能拍一段影片,上傳Facebook或YouTube,這種業餘玩家拍出來的360度影像往往畫面模糊,有些只有水平360度,沒有垂直360度,而且大部分乏善可陳。(在全景模式看陌生人出遊的 影片,幾乎跟在普通模式看一樣無聊。)然而,若是虛擬森林這種出 色的 360 度全景攝影或錄影作品, 卻可以讓人對一個地方或事件更深入的欣賞。

紐約時報和路透社記者群用350美元的三星Gear 360相機拍攝全景 照片和影片,紀錄從海地颶風災情 到加薩難民營的任何事件,紐約時 報一支呈現尼日民眾逃離武裝團體 博科聖地(Boko Haram)的影片,讓觀者彷彿置身接受援助組織發放
糧食的人群中,先看見一個男人吃力地接住卡車上傳下來的沈重袋子,聽見袋子落地的聲響,轉過頭,會看見已聚攏上來等著領糧食的人群,以及他們打算用來載運物資的克難推車,效果逼真的360度全景,未來可能成為新聞攝影素材的標準格式,Twitter的Periscope應用程式支援全景直播影片,正是為了推波助瀾。

全景影片也被洛杉磯新創公司Giblib用來紀錄手術過程,這些全景教學影片是將一台500美元,棒球大小的360fly 4K相機,固定在患者上方的手術燈上進行拍攝,360度全景影像讓學生不僅能看清楚醫生和手術部位,還能觀察手術室內的配置及人員間的搭配。

同時,職業球隊和大學校隊練習期間,籃球籃板、足球場、曲棍球球門上開始看見平價的360度全景相機(如:450美元的柯達Pixpro SP360 4K),教練表示,不同於以往從邊線和底線拍的影片,全景影片能幫助球員縱觀全場,以不同方式為比賽充分準備。

技術創新

智慧型手機的普及和各種技術創新,讓這些組合不同鏡頭和感測器所拍得影像的應用得以成真,例如,360度全景相機的耗能比普通相機高,產熱更多,但可靠供智慧型手機用的節能晶片解決,360fly和499美元的ALLie相機都配備與三星高端手機相仿的高通驍龍處理器。

相機廠商也受惠於智慧型手機商近年來對手機影像品質的不斷提升,激烈的競爭使Sony這樣的組件製造商不得不將影像感測器縮小,並確保在昏暗的光線下,仍能 提供高解析度及良好性能,智慧型手機的龐大市場規模,有助於拉低零組件價格,廠商發現可將 360 度 全景錄影機的價格訂得較親民,通常到五百美元以下。360 度全景相機新創公司 Sphericam 的執行長馬丁(Jeffrey Martin)說明:「有些現在賣一美元的感測器,要不是用在智慧型手機上,原本要 1,000 美元。智慧型手機的規模經濟超乎想像。」

光學技術的進步也是推手之一,和傳統相機相比,360 度全景相機 配備的誇張魚眼鏡頭需要特殊光學,才能將多點影像對齊聚焦。 因為大多數360度全景相機 沒有顯示器和取景器,所以相機廠商 會開發手機應用程式,供用戶下載後編輯影像和檢視成果,這些應用程式可與相機無線通訊外,往往支援手機直接上傳照片和影片到Facebook和YouTube,另一方面,去年起,這些網站已可支援使用者發表360度全景影音,甚至進行360度全景串流直播。

由於360度全景效果是由多張 影像拼接而成,因此能串流直播反 映出技術上的驚人成就,表示電腦視覺演算法已將過程簡化,能在相機上完成影像合成,才得以在極短的延遲時間內串流影音。(一方面也由於消費型相機通常僅有兩顆鏡頭,只要拼一條接縫,而專業相機會有多達6到24顆鏡頭。)ALLie相機支援快速合成和即時串流傳輸,理光即將推出的Ricoh R開發套件相機和柯達的Orbit360 4K 也能做到,且今年內都可用500美元買到。

研究公司Futuresource Consulting的調查顯示,全景相機佔2016年全球消費級相機出貨量的1%,2017年預計達到4%,虛擬實境產業及相機製造商將受惠於全景相機的普及。雖然看全景影片不需要特殊的虛擬實境設備,但ouTube表示,許多人把智慧型手機插入虛擬實境頭戴裝置上觀看,如Google的Cardboard紙盒和Daydream白日夢裝置,而且愈來愈多人玩360度全景相機,表示會有愈來愈多影片可供其他人在虛擬實境上觀賞。

事實上,臉書的虛擬實境子公司Oculus 技術長卡馬克(John Carmack)預測,未來一般人使用虛擬實境,只有不到50%的時間花在玩遊戲,大部分時候則是透過戴上虛擬實境頭戴裝置出席婚禮之類的場合。

研究顯示,一旦接觸過全景影片,觀看行為很快會出現改變。Humaneyes公司正在開發一款可生成3D全景影像的相機,訂價800美元。這家公司表示,只要看360度全景影音約10小時後,一般人就會開始看到任何影音都本能地想進行互動,一旦體驗過讓人猶如置身異地的360度全景影像後,將從此難以自拔。

基因療法 2.0

科學界已解開罕見遺傳性疾病無法根治的癥結,接下來,我們將觀察同樣的方法是否可以用在癌症、心臟病等常見疾病的治療。

卡拉(Kala Looks) 於 2015 年 1 月生下一對雙胞胎男孩,當 時他和丈夫菲利普(Philip Looks) 不曉得其中一個孩子帶有致命性基 因突變。

他們的兒子勒維(Levi)三個月大時,診斷出患有嚴重的重度聯合免疫缺陷症(Severe Combined Immune Deficiency;SCID),身體對感染沒有抵抗力,勒維的血液中只有少數對抗疾病所必要的免疫細胞,而且即將流失殆盡,徹底喪失免疫系統。

為了維持勒維的性命,卡拉和菲利普開始瘋狂消毒居家環境,他們把家裡養的貓送走,在所有表面噴上除菌清潔劑,把兩個孩子的玩具放進熱水煮沸,菲利普下班進門時會戴上外科口罩。

卡拉和菲利普原以為他們唯一的 選擇是讓勒維接受骨髓移植,卻又苦於比對不到吻合的捐贈者,他們後來聽說波士頓兒童醫院正進行一項基因治療實驗,試圖透過置換破 壞免疫系統的基因,來治療和勒維一樣的病童。

卡拉說:「我當時心想,這不是真的,不可能行得通。」儘管如此,一家人仍在 2015年5月,從位於密西根州的家飛往波士頓,過沒幾天,勒維接受實驗藥物的靜脈注射,此後就恢復健康,甚至長得比他的雙胞胎哥哥高,天生患有重度聯合免疫缺陷症的嬰兒以往通常活不過兩歲,而現在,和勒維一樣的病童已有藥物可以根治。

過去幾十年,研究人員不斷追求基因治療的夢想,基因治療的構想很巧妙:利用經基因工程修改過的病毒,將健康的基因遺傳送進同一個基因上有缺陷的患者體內,但直到最近,失望的結果還是比成功多,1999 年,18歲的肝病患者基爾辛格 (Jesse Gelsinger)死於基因治療實驗後,整個基因治療領域的步調都慢了下來。

不過現在關鍵謎團已經解開,基因治療根治重大遺傳疾病即將成真,遺傳性疾病的兩種基因療法已在歐洲獲得主管機關核准,一種是針對某種重度聯合免疫缺陷症的藥物Strimvelis;另一種則是針對某種引起血脂堆積疾病的Glybera。在美國,Spark Therapeutics的一款藥物可望成為率先上市的基因療法,這種藥物用於治療某種會逐漸導致失明的疾病,研發中的其他基因治療包括血友病的根治法,和表皮分解性水疱症的緩解用藥。表皮分解性水疱症(Epidermolysis Bullosa,中文俗稱「泡泡龍」)是一種影響生活能力的皮膚疾病。

根治罕見疾病本身已令人印象深刻,可能只是開端,史丹佛大學兒科醫生及研究員侖卡若羅(Maria-Grazia Roncarolo)在義大利所主持的早期基因治療實驗,為Strimvelis奠定基礎。他表示,研究人員正在針對大約40到50種不同疾病的基因治療進行臨床試驗,十年前進入類似研究階段的疾病仍屈指可數,除了治療由單個基因上的缺陷所引起的疾病外,研究人員正想辦法以這些療法為基礎,開發適應阿茲海默症、糖尿病、心臟衰竭和癌症等較常見疾病的藥物,哈佛遺傳學者邱契(George Church)曾說,或許有一天,人人都可藉基因治療抵抗老化帶來的影響。

早期基因治療失敗的部分原因在於導入的機制,1990年,美國國家衛生研究院的科學家收治了一名罹患某種重度聯合免疫缺陷症的四歲女孩,取出他體內的白血球後,插入錯誤基因的正常版,再將修正過的白血球重新注入患者體內,但罹患其他種重度聯合免疫缺陷症的患者接受同樣治療後,卻發展成白血病,新的遺傳物質和用來將他們導入白血球的病毒,由於被送到基因組上錯的位置,反而啟動了某些患者的致癌基因,以基爾辛格為例,用於載送正確基因進入細胞的病毒,造成免疫系統過度活躍,進而導致多重器官衰竭和腦死。

基因治療的研究人員改用能更有效將新遺傳物質送進細胞的病毒,克服了許多早期面臨的問題。

但仍有幾個挑戰待克服。雖然已有幾種罕見疾病開發出基因療法,但遺傳成因較復雜的常見疾病仍難以透過基因治療,科學家確切知道重度聯合免疫缺陷症和血友病等疾病的致病基因突變,但像阿茲海默症、糖尿病、心臟衰竭這些疾病不但牽涉多個基因,且罹患同一種疾病的病患出現問題的基因不見得相同。

儘管如此,對卡拉和菲利普而言,基因治療的成功已經成真,這種他們以往聞所未聞的療法,治好了兩人重疾纏身的孩子。

太陽能熱光伏電池

藉由將熱量轉換為聚焦光束的新型太陽能裝置,可持續產生便宜的電力。

儘管愈來愈多的屋頂上架設太陽能電池板,但面世至今幾十年,矽片仍然既重又貴,且效率不佳,一些根本上的限制,造成這些傳統光伏板只能從太陽光中吸收部分能量。

不過,麻省理工學院的科學團隊已打造出一種不同類型的太陽能裝置,運用創新工程和先進的材料科學,大幅提高太陽能捕獲率。訣竅是先將陽光轉成熱,再將熱轉成光,但在轉回光的階段,只集中轉成太陽能電池可用光譜範圍內的光,雖然有不同研究人員在所謂的太陽能熱光伏技術上深耕多年,但麻省理工學院的發明卻是第一個能量吸收總合高於單靠光伏電池本身的裝置,證明這個方法能顯著提高效率。

標準矽晶太陽能電池捕捉的主要是從紫色到紅色的可見光,這一點加上其他因素,意謂著這種電池頂多只能把陽光中32%的能量轉化為電能,麻省理工學院的裝置即使仍只是粗糙的原型,但搭配各種輔助,以目前僅6.8%的運轉效率,效率大約即可達傳統光伏電池的兩倍。

發明這項裝置的關鍵步驟,是開發出稱為吸收發射體的物件,這個組件的作用基本上如同放在電池上方的陽光漏斗,吸收層由實心奈米黑碳管組成,捕捉太陽光中的所有能量,並將大部分轉化為熱,一旦溫度達到約攝氏1,000度時,旁邊的發射層會將吸收的能量轉為光輻射出來,但重新發出的光範圍縮小,主要集中在光伏電池可吸收的範圍,發射層由光子晶體製成,這種結構體可以設計到奈米大小,控制哪些波長範圍的光能夠透過。另一個關鍵的先進技術是添加高度專業的光學濾波器,能傳輸特定範圍的光,同時將幾乎所有不可用的光子反射回去,這種「光子回收利用」產生更多的熱量,進一步生成更多太陽能電池可以吸收的光,從而提高這套系統的效率。

麻省理工學院團隊的方法有一些缺點,包括某些組件的成本相對較高,而且目前只在真空中作用,但隨著效率提升,經濟效益應該也會改善,研究人員已有明確的道路可循,計畫主持人之一的王寧怡(Evelyn Wang)副教授說:「我們現在既然已經知道提高效率需要什麼,就可以進一步調整組件。」

研究人員也在思索如何利用太陽能熱光伏電池的另一個優勢,由於熱比電容易儲存,因此把裝置產出的多餘能量轉移到熱能儲存系統,再利用即使沒有陽光也能作用的熱能儲存系統發電,應該是可行的,研究人員若能在系統中加進儲存裝置以提高效率,有朝一日,這套系統將能提供潔淨便宜且持續運轉的太陽能發電。

下載全文PDF Icon下載全文PDF


[{"text":"企業網","weight":13.0},{"text":"材化所","weight":11.5},{"text":"機械所","weight":10.0},{"text":"綠能所","weight":9.4},{"text":"生醫所","weight":8.0},{"text":"半導體","weight":6.2},{"text":"南分院","weight":5.0},{"text":"太陽能","weight":5.0},{"text":"課程","weight":5.0},{"text":"遠紅外線","weight":5.0},{"text":"雷射","weight":4.0},{"text":"LED","weight":4.0},{"text":"LED可見光","weight":3.0},{"text":"5G","weight":3.0},{"text":"工研人","weight":3.0},{"text":"電光所","weight":3.0},{"text":"綠能與環境研究所","weight":3.0},{"text":"機械","weight":3.0},{"text":"資通所","weight":2.0},{"text":"面板","weight":2.0},{"text":"文字轉語音","weight":2.0},{"text":"實習","weight":2.0},{"text":"無人機","weight":2.0},{"text":"生醫","weight":2.0},{"text":"3D","weight":2.0},{"text":"v2x","weight":2.0},{"text":"員工","weight":2.0},{"text":"地圖","weight":2.0},{"text":"太陽光電","weight":2.0},{"text":"材料與化工研究所","weight":1.0}]