以光控制光：放大訊號的光機械裝置

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

隨機性，在許多領域都扮演了不可或缺的角色。例如電腦信息的加密，還有模擬複雜物理系統等技術，都需要用到巨量的亂數資料。不過，這些隨機是怎麼來的呢？

當電腦計算 1+1 是多少時，它可以遵從既定的程序算出正確答案；但如果叫電腦隨便給你一個數字，它肯定不知道該怎麼辦。畢竟電腦不像人，可以隨便「想到」一個數字。電腦只能根據你的命令，算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。當我們到廟裡擲筊，或是玩桌遊時丟骰子，得到的結果看似沒有規律，但其實不然。它們可以用簡單的電腦計算來預測，像是丟硬幣的結果，便早已被研究透徹。只要對初始條件有足夠良好的掌握（像是丟出的速度與角度等等），這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測，因此稱不上是「真正」的隨機；另外一個缺點在於，這類方法產生隨機結果的速度實在太慢，跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

至於使用電腦計算的結果呢？常見像是串流平台的隨機播放功能，以及粉專抽獎會用的亂數產生器，它們所呈現的隨機是演算法算出來的。隨機播放功能利用特殊的演算法，排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單；一般的電腦亂數，只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式，算出成串毫無規律的數字。這些方法雖然快速又實用，但終究是可以預期的。當亂數數量夠多時，往往可以發現某些規律；而可被預期的亂數若是用於加密或認證，便會成為駭客眼中的肥羊。

由量子世界尋求真正的隨機！

既然手邊的物品和電腦都不管用，科學家於是轉向微觀的量子世界。量子物理對世界的描述本身就是機率性的，因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊，都是常見的選項。這類過程雖然可以確保隨機性，但效率還是稍嫌太差，相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月，研究人員利用半導體雷射技術，打造出有史以來最快的亂數產生器：每秒 250 TB 的隨機位元，比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。在一般狀態下，大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列，這種排列方式稱為「基態」，代表原子中的所有電子，都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後，會有部分電子跳入高能量的軌域中，變成「激發態」，這時原子內的電子組態不穩定，電子會跳回低能量軌域中回到「基態」，並以光（輻射）的形式放出能量。

而這些跳回的電子，如果都從同一個激發態回到基態，就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光，以愛因斯坦的說法，從相同的激發態回到基態，會得到固定的「光子」，這是舊量子論的重要發現之一。提供原子特定的能量，讓原子放出光子，就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性

但這件事情跟隨機性有什麼關係呢？電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射，其實事情並沒有那麼簡單，需要克服這個機率性。讓我們回頭看上面的敘述，「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後，『有部分』電子跳入高能量的軌域中」，這些「大部分」、「有部分」，使得我們就算給原子固定能量，也未必能平穩釋放出特定光子，讓雷射光的強弱不穩定，也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一，就是「光學共振腔」，將激發光子的物質放在共振腔中，放出的光子會在共振腔中來回游走，再次激發原子放出更多的光子，來增強雷射強度，並讓雷射光往特定方向射出。

但是，「光學共振腔」強化雷射強度以及方向，但實際上雷射光的強度，仍然是由量子力學的隨機性所決定！如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度，再轉換為數位訊號，就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」

這種想法雖有十幾年的歷史，不過由於技術上的限制，產率一直相當有限。而且一般方形共振腔產生的雷射，容易讓光強度陷入特定的規律，產生的隨機性也較低。為了解決這個問題，研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。如此一來，在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性，且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被 254 像素的高速攝影機拍下，每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立，因此成就了 254 條同步生產線，一同產出隨機亂數，使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法，創下每秒 250 TB 的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾 GHz，因此這次的 250 THz 創舉難以發揮全部的實力。如果犧牲一些效率，用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機，可以讓整個裝置變得更加輕巧，提升實用性。在不久的將來，史上最速的亂數產生機制，或許可以直接容納於單一晶片之上。

參考資料：

• Kim, K., Bittner, S., Zeng, Y., Guazzotti, S., Hess, O., Wang, Q. J., & Cao, H. (2021). Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser. Science, 371(6532), 948-952.
• https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6
• https://cointelegraph.com/news/lack-of-randomness-why-hackers-love-it

本文由台灣康寧贊助，泛科學策畫執行

在上篇文章「可撓式玻璃能怎麼玩？來看看教你穿衣服的智能行李箱和透明停車場樑柱」中，泛科學介紹了兩組指定示範組團隊將 Willow 可撓式玻璃分別應用於行李箱和交通情境，來改善使用者體驗的概念作品，分享他們如何從生活問題中發想、設計與實踐。這些創作皆來自康寧創星家 ─  創新應用競賽，它規定「使用材料」而未限制主題的獨特遊戲規則，催生了許多意想不到的創意。

這次我們訪問到臺灣科技大學設計團隊，他們所選用的特殊材料為「康寧 Fibrance 玻璃光纖」，透過其纖細、可彎曲、高彩度、高明度的特性，把場景延伸進「水」裡，提出兩種創新應用。

幫忙把關魚缸的水質狀態，給魚兒健康的家

大家應該看過河川或海口出現不同顏色的水流吧？一般人通常會很直覺地想，這水有特殊物質，可能不乾淨。但是無色無味的水就是乾淨的嗎？如果之中有我們看不見的汙染呢？「如同空氣品質對於人類健康的影響，對住在水族箱裡的魚來說，水的品質一旦超出範圍便會對魚的健康造成衝擊、甚至死亡。因此，水的溫度和 pH 值必須嚴加控管。」臺科大團隊的施同學與我們分享此想法的動機。

著眼於 Fibrance 玻璃纖維的特性：防水、明度彩度皆高，而且對雷射的顯色效果比一般塑膠光纖好，因此臺科大團隊決定利用這樣的特殊材料來做水質指示功能，進而達到水質控管，於是第一項作品「水底空調」誕生了。

水底空調的測量儀器旁邊裝有一塊光纖板，並於側邊接出雷射頭，在充飽電、水質正常的狀況下會持續發光，而當魚缸中水的 pH 值、溫度超過或低於正常範圍時，則會開始閃爍。談到產品設計過程的挑戰，他們表示，「當然也沒有整個設計過程都很順利，我們碰到最大的問題是『太熱』。平常大家用雷射筆用得很習慣，大概不會發現雷射發亮時其實會產生極高的熱能，讓整個測量監控系統變得很燙。起先想用盒子把它包起來，但發現行不通；後來經過設計，我們將雷射頭部分掛在外面，並用長尾夾夾住方便散熱。」。

除了應用於水質檢測，Fibrance光纖的纖細和可彎曲的特性讓使用者能隨個人喜好設計出不同的形狀，裝飾自己的水族箱，展現出更趣味、客製化的產品樣貌。

你的光劍哪裡來的？不，這是我的釣竿！

第二種概念發想則出現在釣竿上，光纖釣竿感應器 ─ Night Flash 夜漁玩家。

「釣魚是一件很花時間的事，夜釣尤其有趣。一般專業釣客通常會有兩三支釣竿，以竿架固定同時使用，那麼夜釣時，要怎麼知道魚有沒有上鉤？是哪一支釣竿中獎？除了仰賴釣客的感官經驗外，就是用釣竿警報器。在這種既有產品的基礎上，我們想設計出更炫、更便利的應用。」臺科大團隊的林同學如是說。

他們將警報器別在釣竿竿頭上，並串聯至 Fibrance 玻璃光纖、再掛上釣線，魚一旦吃餌，拉動了感應器，光纖就會發亮。Night Flash 夜漁玩家在配色設計採用現有的雷射模組 RGB 三種基礎色（紅、綠、藍），搭配基本的黑色，讓釣竿在黑夜中像光劍一般搶眼，或許也能讓夜釣過程更有趣。套句臺科大設計團隊的話，就是「很炫、很好玩啊！」

設計講求實踐，可行性是成功關鍵

特別的是，兩款產品的負責同學都不是電子背景。林同學表示，「過去我只要碰到電子領域就會選擇放棄，這次算是突破了以前的障礙。雖然我們的作品是買現成晶片板來修改程式，一開始還是什麼都不懂，甚至只能土法煉鋼地一個個戳電路板，觀察反應。但後來慢慢摸索、學習，實際去做之後，才發覺好像也沒有想像的那麼難。」而這次經驗也讓他們想了解更多不同的領域，接觸更多設計的可能性。

臺科大團隊指出，「創星家競賽一定要做出實品這點也是有所成長的原因，我們必須考慮設計可否『實現』，以及產品有沒有市場。這很符合現況，現在設計領域很講求實踐，產品可行性是成功的關鍵。」接著他們補充，做使用者研究也很有趣，負責到釣具行買測試用釣竿的林同學回憶，他隨口向店裡一個五、六十歲的伯伯介紹團隊的新設計，伯伯竟然表示有意願購買，直接問一個要賣多少錢，讓他相當驚訝，「原來從舊有產品中做改良，因為消費者已經很熟悉了，所以會更有共鳴，更容易接受。」

「我們想透過 Fibrance 光纖，把看不到的東西視覺化。」

聊到產品理念，兩位同學說他們的發想起點同樣是材質本身。在魚缸和釣具之前，兩人考慮過很多主題，例如測量空氣品質和配電盤，最後決定從身邊的議題下手。「不過這些想法都圍繞著同一個概念，」他們說，「Fibrance 玻璃光纖明度、彩度高，在視覺上非常漂亮，希望能做出能充分凸顯這項特點的應用。Making the value / action visible 是我們的設計初衷，就好像蒲公英的種子讓人『看見』風的存在，我們想把看不到的東西視覺化，送到大家眼前。」

一個在 Minnesota 大學的科學家與工程師團隊發明一種獨特的微米級光學裝置，能大幅增加線上資訊的下載速度並減少網際網路傳輸的成本。

該裝置利用光所產生的力量，使一個機械性光開關以非常高的速度在 on 與 off 之間來回拍動（flop）。使用效能更高且耗能更低的光而非電流，這項發展能導致運算與訊號處理的進步。

研究結果發表在 Nature Communications 期刊上。

「此裝置類似電磁繼電器，但完全以光運作，」Mo Li 說，他是Minnesota 大學科學與工程學院電機與電腦工程系助理教授。

這項新研究是基於 Li 與同僚在 2008 年的先前發現，那時他們發現奈米級光導管（conduits）可用來產生夠強的光力（optical force），以機械性的方式移動光導波（optical waveguide，承載光的資訊通道）。在這項新裝置中，研究者發現，光的力量如此強烈，以至於該裝置的機械特性能完全由光效應而非其本身的機械結構所主宰。此效應經過放大，以非常高的力量層次（power level）來控制額外的色光訊號。

「這是首度利用這種新奇的光機械效應（optomechanical effect）來放大光訊號，而無須將之轉換成電訊號，」Li 表示。

利用分配給不同通道的不同色光，玻璃光纖能承載許多通訊通道。在光纜中，這些顏色不同的光通道並不會彼此干涉。這種非干涉特性確保單根光纖在非常長的距離下，傳輸更多資訊的效率。不過這項進展亦窩藏缺點。當考慮運算與訊號處理時，光裝置不允許不同的資訊通道輕易地控制彼此… 直到現在。

研究者的新裝置有二個光導波，每個都攜有一光訊號。形狀如微米級甜甜圈般的光學共振器（像一個迷你版強子對撞機）置於導波之間。在光學共振器中，光能夠循環數百次變得更強。

利用這種共振效應，在第一導波內的光訊號於共振器內被顯著強化，並在第二導波上產生非常強的光力。第二導波從支持材料鬆開，故當光力施加其上時，其如音叉般，以振盪方式移動。這種波導的機械性運動改變光訊號的傳輸。因為第二光訊號的功率可比控制訊號高出許多倍，故此裝置作用如同一個機械式繼電器，用來放大輸入訊號。

目前，這個新的光繼電（optical relay）裝置每秒運作一百萬次。研究者希望能將其改善至每秒數十億次。目前裝置的機械性運動速度夠快，可直接以光纖連接 RF 裝置進行寬頻通訊。

Li 在 Minnesota 大學的團隊包括畢業生 Huan Li、Yu Chen 以及 Semere Tadesse，還有前博士後研究員 Jong Noh。本計畫資金來自 Minnesota 大學科學與工程學院以及空軍科研辦公室。

資料來源：Using light to control light: Engineers invent new device that could increase Internet download speeds. Phys.org [October 2, 2012]

轉載自 only perception