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【極光片語】地球角落的物聯網

只要觀察現在全世界最值錢的企業——Apple、Google、Facebook、阿里巴巴等,就可以發現這企業有個重要的共通點,就是網路。無論提供的服務是O2OM2M、行動電商還是雲端,所仰賴的基礎建設都是「物聯網(Internet of Thing, IoT)」,有了物聯網的平台,企業才能收集、處理資料並且形成獨特的商業模式。另一個有趣的例子是異軍突起的Netflix,「Netflix取代了百視達,但不只讓大家在網路上租影片看,它真正開風氣之先且因此賺錢的,是做出『看這部影片的人也看這些影片』這項服務。現在看主動推薦相關產品的功能已經司空見慣,但當初Netflix實現這個想法時發現,他們有75%的生意是來自這個新功能!」李世光老師覺得厲害。

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接受專訪侃侃而談的李世光老師。攝影:林梳雲

新能源加通訊,尬出工業革命

「大家都在找新的應用和商業模式,像是小米跟江蕙演唱會成功的飢餓行銷,IoT就是其中重要的平台。」物聯網不僅是人類所使用工具的進步,《物聯網革命》這本書甚至大膽預測,物聯網將會造成下一次的工業革命,因為我們回頭分析人類歷史,可以發現每一次工業革命都是能源與通訊科技創新的結果,而物聯網也有這樣的特性。

第一次工業革命是因為瓦特(James Watt)改良了蒸汽機,由煤炭為動力所驅動的現代蒸汽機取代了水力/風力,大大提升了棉花等產業的生產力,蒸汽印刷機和蒸汽火車增加資訊產生的速度和傳播的距離,也成為一個全新的通訊/能源組合,由於業務高度倚重印刷跟鐵道,所以當時新的商業模式一定出現在運輸、資訊、能源的中心地段,「其實鐵道就是平台,報紙加速生產就像是網路頻寬增加,這個角度的想法還真有意思!」

從19世紀末期開始,電話和石油驅動的能源成為全新的通訊/能源組合,提供第二次工業革命的通用巨型平台。電話讓通訊更加便利,家家戶戶裝有電話後,通訊的節點從火車站變成家庭;石油與電這兩種能源的生產需要很耗費高昂成本,此時的新興交通工具——汽車及相關的公路建設也需要巨大的資源,這樣的特性都進一步造就更強大的中央集權化經營模式。

過去數十年間,網際網路迅速改變了資訊產生與流通的方法,科學家也積極地開發新型能源和再生能源,由於社群網路的成型、雲端運算的快速發展、數位技術的演進(如3D列印)以及對巨量資料的重視與需求增加,因而興起了最新的通訊/能源組合式基礎架構(如物聯網),在這個架構下,資訊及能源不再以中央集權的方式生產,反而將以「智慧」為概念,經由共享、橫向網路整合推動新的經濟體系。

位於東非的坦噶尼喀湖,劇烈的日夜溫差產生頻繁的翻騰作用,加大湖泊的生產力而形成豐富的漁場。來源:維基百科

台灣湖泊中的物聯網,超科學的~

台灣是座科技島,也是擁有高度生物多樣性的美麗島,雖然有豐富的生態卻缺乏天然能源,偏重軟體的物聯網等科技產業最適合台灣發展。但是今天我們不談物聯網相關產業如何在台灣起飛,而是回顧物聯網以前如何幫助科學家發現台灣高山湖泊新陳代謝的秘密!湖泊代謝,也就是湖泊中光合作用和呼吸作用過程中物質、能量、養分間的動態平衡關係,會受到「翻騰作用」的影響,李老師強調:「如果這樣的結構不夠完整,美麗的湖泊就會變成臭水溝。」

典型溫帶湖泊發生的翻騰效應主要受到季節影響,春季時湖泊在湖面風的吹拂下,上層含氧高的水會往下流,底層富含營養物的水也會翻到上層。但到了夏天,上層的水受到太陽加熱升溫而滯留在表層,整個湖水因溫度和密度而分層無法垂直流動;秋天氣溫下降後,上層水升溫而下沉,形成垂直的水流而產生秋季翻騰作用;冬季時湖面結冰,冰層抵禦了風的作用,湖水是一片平靜。湖泊翻騰時補充了底層水的含氧量,同時也為上層水注入新的營養鹽,因此通常湖泊在翻騰後會有較高的初級生產力。位於熱帶的高海拔湖泊有劇烈的日夜溫差,每天至少可以加熱、分層一次,例如東非的坦噶尼喀湖(Lake Tanganyika),在如此頻繁的翻騰作用下成為非常豐富的漁場。

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典型溫帶湖泊在春季和秋季會產生翻騰作用,交換上層水的氧氣和下層水的營養鹽。來源:維基百科

那麼台灣的湖泊呢?「台灣有很大的海拔範圍,我們不完全處於熱帶,但我們的漂亮程度跟多元程度卻跟熱帶有得比,為什麼呢?這個不正常~」李老師笑著說。為了瞭解台灣高山湖泊的生態系代謝過程及影響機制,林業試驗所的前所長金恆鑣博士與研究團隊以保存良好的鴛鴦湖為研究對象。在國科會(現在的科技部)的支持下,他們將裝有感應子的浮筒放在湖面上,每十分鐘測量並記錄湖面上風速、風向、水中溶氧量及不同深度水溫等數據隨著日夜和氣候變換的改變,李老師說:

「這些就是IoT的原型,所有的數據都是持續的測量並且以無線傳輸到計算中心,因為他們不可能在湖邊以人力24小時監測。」

經過一年多的研究,結果顯示鴛鴦湖的淨生產力在初夏及仲秋最高,在颱風季節則有顯著下降,因為颱風豪雨會對湖泊造成強烈的沖洗作用,湖泊中的菌相和營養鹽更新而暫時降低淨生產力,但是颱風的降雨同時也擾動了原本分層無法翻騰的夏季湖水,反而使生態系接著活潑了起來。

「他們的結論是:颱風是台灣中小湖泊生態系重要的動力來源。」

溫帶湖泊有季節性的變化,熱帶湖泊因每日翻騰作用有很高的生產力,「而研究發現鴛鴦湖的動力來源除了這兩項以外,還有『颱風』這個額外的因子。這個重要的生態研究,是在台灣早期IoT輔助下才能做到的。」李老師說。

小林村紀念公園 來源:維基百科

小林村紀念公園,建於小林村遺址附近,為了紀念莫拉克風災被土石淹沒的462位小林村居民。 來源:維基百科

如果我們為地球穿上各種感應子……

台灣科學家在鴛鴦湖的研究中說明了物聯網對地球的重要性,在另一個悲傷的事件中,科學家則是期望物聯網能避免遺憾發生。2009年莫拉克颱風在台灣南部造成極大的災情,其中最嚴重的災情在高雄市山區的小林村,小林村東北角的獻肚山因颱風帶來的大量降雨而崩塌,滾滾黃沙瞬間淹沒小林村,造成數百人死亡。

「其實過去的研究認為小林村西北角的山頭是比較危險,所以大型的通訊設備恐怕因此建設在東北角,」但八八風災時東北角的獻肚山反而是災難的中心。如果能在環境中安裝各種感應子,以物聯網長期佈局監控降水量、河流流速、雨水滲進地層的情況、山的深層結構等等,或許可以協助科學家計算土石流發生的機率,藉由種種徵兆預測事件的發展,避免憾事重演。「當我們加入物聯網、智慧化的思維,就會看到各式各樣、全面性的樣貌,這是跟以前完全不一樣的事情。」李老師說。

人手一顆感應子總共消耗幾座核電廠的能量?

早在1980年代,柏克萊大學提出「Sanddust(砂粒)」的概念,以微機電作出小型感應子,這麼一來可以降低感應子的價錢,就能在地球上廣布感應子,得到過去無法獲取的知識。IBM也曾經提出過「智慧地球」這個類似的計畫。但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。

「假設我們要丟出一百億個感應子,而一個感應子耗電率為1毫瓦(mW),全部加起來就要0.1吉瓦(GW),核四電廠一個反應爐的發電功率是1.35吉瓦,光是一百億顆的耗電就要十分之一個核電反應爐,一百億個感應子很多嗎?每個人身上裝一個就超過這數量的一半了。」

李老師概估感應子的能源消耗,奠基今日雲端思潮的資料中心(Data Center)所需要使用的能源,就已消耗全球6%的能源,而物聯網更加蓬勃的時代勢必會產生極大量的資訊,未來雲端儲存空間還會消耗更多能源。降低能源消耗是物聯網發展的重要環節,因為要在資訊跟能源這兩個工業革命的對應元素同時進步之下,才能催化成物聯網革命。

美軍很久以前就開始設法解決行動裝置的能源問題。通訊科技在軍事的重要性可想而知,戰士們身上大概要準備6~8顆鋰電池,才能確保衛星電話、紅外線夜視鏡、通訊、防護等等配備在沙場上能隨時使用。為了維持這種行動裝置的能量來源,許多科學家探討各種人體動能擷取技術(human motion energy harvesting technology),將發電器放在耳朵、膝蓋、腳底,將溫度、震動、壓力、化學能等等轉換成電能,甚至還曾經考慮利用身體裡的血糖產生電能。

「energy harvesting (能量擷取)是個很大的領域,可以讓感應子不需要一直換電池,像是鴛鴦湖中的感應子就很需要這樣的研究,它不管是閒置、感測、傳輸,都需要用電,在野外不可能以人力更換電池或充電,所以很多人研究從風力、震動等等來源取得能量。」李老師說。

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但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。來源:維基百科

應用科學是基礎科學的聚焦

物聯網對產業、商業和科學研究帶來的好處已經有目共睹,在物聯網持續改變我們生活的未來,能量擷取是其中很大的結構,需要科學家持續研究,才能不斷的突破科技極限,「那麼,到底應用研究重要還是基礎研究重要?」李老師提出一個大哉問。其實應用或基礎導向的科學研究不應該有價值高低之分,「比較好的說法應該是中經院的陳信宏所長所說:應用研究是大平台,讓各種創新知識彙整、聚焦在這個平台上,而在這個過程中,跨領域的結構也更容易出現。」

以物聯網為例,作為一個科技的應用平台,它需要各種技術聚焦於此,像是感應子開發、高效的能源擷取、訊號傳輸、智慧的節能城市發展、通訊協定的需求……等,其中能源擷取也是一個各種科技的大聚焦平台,從震動擷取能量需要機械和機電子專業的聚焦,利用太陽能發電需要電子、光電專業的聚焦,用無線傳輸取電則需要傳輸技術和電力系統人才聚焦,這些都是基礎研究一路聚焦到產業端的例子,越接近產業端就收縮成更專注的主題。

物聯網現在已經對產業、科學研究帶來許多好處,未來的應用更無可限量,科學家一步步突破技術上的障礙,讓感應子如沙粒般撒在地球各個角落,我們就可以得到更多知識、更了解這顆星球,進一步理出人類、所有物種與地球間,更適合的共存共榮之道。

【下回預告】素番茄的科普難題

利用物聯網研究台灣湖泊生態系的金恆鑣博士不僅是位學者,同時也是一位作家,他曾在一篇探討基改食品的文章中寫道:「老闆,來杯『素』的純番茄汁!」,雖然這是文章中虛構的素食者點餐台詞,但還是相當令人好奇:番茄難道不是素的嗎?1990年代曾有生技公司嘗試在番茄中加入魚的抗凍基因來研發耐寒番茄品系,「這個番茄是葷的還是素的呢?大部份人會覺得:『有動物基因,嗯,是葷的。』但對我們學科學的人來說,番茄當然還是素的,因為基因並沒有動植物的差別。」李老師說,「差別在科普。我常以這個例子來說明,看似複雜而令人害怕的東西,其實只要從原理來看就能理解。」

轉入動物源基因的植物究竟素不素?每個人有著不同科學知識含量及對問題的認知,因而會有不同的解讀和答案,若補充大家的背景知識是否就能消弭認知差異?科學普及能如何改變人們思考和判斷呢?關於李世光老師這幾十年來推廣科學教育的精采故事,都在下一回的「極光片語」!

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。

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關於作者

雷漢欣

PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。