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千絲萬縷,縱橫而織:神祇寄宿的造紙工藝--《樹之歌》

商周出版_96
・2017/10/29 ・3887字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

ミツマタ(三椏),別名黃瑞香。圖/Gentiana@WikimediaCommons

我的朝聖之旅因為語言不通而耽擱了。在火車站的計程車候車處,我雖然出示了地圖,也秀出了我練了許久的幾句日本話,但還是無濟於事。我想去的那座神社並不遠,但當我說出 kami(神)這個字時,司機卻皺起了眉頭,神情頗為迷惑。直到我後退一步、拍了兩次手,並且做出在神社裡頂禮的樣子時,他的眉頭才舒展開來,並且露出了笑容。

我們的車子疾馳過一座座稻田,朝著山丘前進,他在山坡底下的紙神神社門口把我放下來。這趟車程的代價是三張由碾碎的三椏樹皮和馬尼拉麻葉的纖維所做成的紙鈔,紙鈔上印著一位細菌學家的肖像,以及富士山和櫻花的圖案。這些紙鈔和印有美國前總統安德魯.傑克森(Andrew Jackson)肖像的美鈔不同,後者是由棉、麻纖維所製成,堅韌而富有彈性。這些紙鈔則色澤明亮,即便經過多次使用,質地依然爽脆。

日幣1000元面額上的人為細菌學家野口英世。

紙神.川上御前

我穿過鳥居,走上了一條遍地金色落葉的石板路,那些乾枯的銀杏葉使得我的腳步聲聽起來較為輕盈。在抵達神龕之前,我經過了一個裝滿山泉水的洗手池,便停下來把手清洗乾淨。製紙的程序也是如此:必須先用冷水洗手,才能開始製紙。每一座神社都有水供人淨手,但在此地──紙神川上御前的故鄉──從山上流下來的冷冽泉水,也代表著紙神的精神和她的承傳。當年,川上御前被問到她來自何方時,她僅答以:「來自川上。」此處的鳥居上蝕刻著越前市這兩座供奉紙神的神社之名:「大瀧」和「岡太」。「大瀧」是大瀑布的意思,「岡」則代表「山」。

這兩座神社在她到來之前就已經存在了。因此,川上御前是在歷史的匯流處出現的一個人物,她的造紙知識也由來已久,最初是源自中國,在第七世紀時隨著佛教東傳,經由韓國傳到日本。

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把楮樹(又稱構樹)或三椏的內層樹皮打爛並泡在水中時,植物細胞裡的絲狀物會分離出來,浮在水面上。這些纖維素是由葡萄糖組成,最高可含一萬五千個葡萄糖基。它們懸浮在加了木槿黏液質(hibiscus mucilage)的水中時,會相互交錯纏繞,同時由於浸泡在冷水中,它們並不會發酵,只會形成一層黏稠的懸浮體,可以用來造成最精良的紙。因此,越前市的山丘雖然種不出很多糧食,卻非常適合發展川上御前所帶來的造紙工藝。比起那些氣候較溫暖的山谷地區,此地所生長的樹木纖維更長,造出來的紙更加堅韌而有光澤。因此,越前市遂成為日本造紙業的中心,專門供應貴族、幕府將軍和各地政府所用的紙張。同時,它也是日本書寫文化的誕生地。

其後,當日本開始與西方國家進行貿易,這些紙張便傳到了歐洲。當時,歐洲的造紙技術比亞洲落後了一千年。據說當時的荷蘭名畫家林布蘭(Rembrandt)就很喜歡用日本紙來做蝕刻畫,而這些日本紙很可能就來自越前市。

如果你拿一個孔目很細的篩網往泡著樹皮糊的水中一舀,就可以撈起一些糾結的植物細絲(纖維素)。它們攤在篩網上時,就定了型。反覆舀個幾次,讓紙漿層層堆疊後,紙張就成形了。水的毛細現象,就是讓水能留在植物的活細胞裡的一種現象,會使那些細絲吸附在篩網上,形成薄薄的一層,再經過機器壓榨後,水便會滲出,紙糊內的纖維素也會更加緊密的纏繞在一起。水消失後,纖維素裡的分子就牢牢的結合在一起了。

日本的造紙師傅。圖/Shoko Muraguchi@Flickr

枝枒裡的千絲萬縷

紙神存在於有水的川上,也存在於無水的紙張中。她的形體雖然已經消逝,但她的精神卻存在於紙張內部數十億個原子之間的電化學鍵結中。在日語中,「神」字和「紙」字的發音同樣都是 kami,而我的計程車司機生活在這個造紙坊雲集的小鎮,難怪他聽到我說 kami 這個字時,臉上會露出迷惑的神情。紙神川上御前的神性,展現在我們的舌尖和耳畔。這世間的每一張紙都蘊含著她那些神聖的殿堂中所隱藏的能量。

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越前市供奉紙神的神社共有兩座。一座位於山頂,非常小巧,一年當中大多數時候都罩著防水布,只有節日時才會掀開。節慶期間,川上御前的神像會乘坐黃金轎子在鎮上遊行,拜訪各家造紙工坊。另一座神社則位於當地村莊與林蔭山坡的交界處,紙神的神像則位於賽錢箱和拜殿後方的本殿中。神社四周有牆,庭院內苔蘚遍地,有一道石砌階梯通往鳥居,階梯兩旁沿路都掛著燈籠。神社的四周有許多古老的日本柳杉,高度可以媲美雨林中的吉貝樹。據說在川上御前到來之前的數百年間,曾有一些手使長矛、能夠飛身上樹的勇猛武僧住在這裡。

岡太神社・大瀧神社的春例祭。source:越前市觀光局

山下的神社四壁都是木雕,題材包括築巢的鳥兒、龍、花草樹葉和橡實等等,畫面就如同一座森林,令我駐足觀賞了好幾個小時。這座神社共有三座屋頂,從賽錢箱到本殿後方依序呈波浪狀排列。這些屋頂是以木板和樹皮製的屋瓦組合而成,頗具森林氣息。然而,這種工藝建立在一個很矛盾的現象上:這座神社之所以能夠屹立不墜,靠的是木材中某種物質的支撐,但這種物質恰恰是紙匠造紙時所必須破壞的東西--木質素。

木質素是一種很硬的分子,木材之所以堅硬,就是因為裡面有木質素;如果沒有它,樹枝就會像棉線一樣柔軟,樹幹也將無法承受重量。但木質素不吸水,而且會使得纖維素無法交織在一起。傳統工匠是使用木灰和苛性鈉,將紙漿裡的木質素去除;現代紙廠則是使用氣味刺鼻的硫。在全世界各地,木頭在被製成紙張之前都必須經過這樣的淨化程序。

具有次級細胞壁的植物細胞卡通示意圖,圖中紅點為木質素(lignin)。圖/Caroline Dahl@WikimediaCommons

諦聽紙的低語

木雕是樹木的質地和雕刻家的巧思兩者交會的產物;紙張則是分子與分子交會的結果。紙匠必須懂得纖維和水的特性,並加以運用。樹木的材質和紙匠的手藝,都會在紙張上留下微妙的痕跡。有些紙張中嵌有花飾,例如樹葉、植物纖維和浮水印,藉以顯示它們的材質,但大多數紙都需要透過手指和耳朵才能識別:

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假鈔和真鈔的音質不同。偽造假鈔的罪犯絕大部分都不知道鈔票中所使用的植物種類以及水的比例。銀行業者和印鈔人員則會用手指摩娑鈔票,再根據它們所發出的聲音來判斷紙鈔的年分和材質。真正的行家能聽出紙張的產地。

我把一張文具紙湊近耳朵,並且輕輕的撫摸它的表面,這時我聽到那硬挺的紙面就像一片長著絨毛的葉子一般,發出一種柔和的聲音,彷彿用一根耙子劃過細沙似的。我的手指加快速度時,那聲音聽起來就像金屬製的溜冰鞋滑過冰上。

「雁皮」是日本人用野生的蕘花屬灌木的纖維所製成的紙,是「高貴」的手工紙,專門用來印製最精緻的刊物,或製作最昂貴的窗紙。這種紙表面光滑,我用手指撫摸時,幾乎沒有聲音,只有微微的尖細而平穩的聲響。

兩張楮紙,製法不同,就產生了不同的聲音。第一張紙是用未經搥打的纖維製成,在我的撫觸之下,發出了細碎的爆裂聲和窸窣聲響。由於紙張內涵有成千上百條捲曲的白色纖維,因此我的手指碰觸的角度決定了它所發出聲音的質地。第二張紙是用充分搥打過的纖維做成的,紙質細緻強韌,在我的手底下發出了低沉的震顫聲,有點像是細微的粉末互相摩擦的聲音。

紙張的纖維相互交錯,在紫外光照射下發出螢光。圖/Richard Wheeler (Zephyris)@WikimediaCommons

衛生紙。撕時無聲。它的纖維扁平稀少,很容易撕開。

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新聞紙,天氣乾燥時會啪啪作響。吸了溼氣,纖維變得鬆弛之後,被弄皺時,聲音就顯得有氣無力。在亞熱帶潮溼的氣候裡放了一個星期之後,它就完全沒有聲音了。

影印紙(印表紙)是紙中的軍訓教官,會發出有節奏的、類似扣扳機般的聲音。被揉捏時,聲音很大,無論你往那個方向拉扯,都不容易破,因為它表面有一層均勻的塗料,讓內部的纖維素變得穩定。

我行經空蕩蕩的街道走回車站,途中看到兩、三個老人正在屋後的架子上掛蘿蔔,另有一名男子用獨輪車推著一車楮樹皮從一旁經過。我一直走到山丘已經遠得看不清楚時,街上的車馬行人才多了起來,購物中心和高速公路也才相繼出現。十九世紀時,日本有將近七萬家造紙工坊,如今只剩下不到三百家。儘管我們現在每年使用的紙張多達四億公噸,比一九八○年代多了兩倍以上,卻愈來愈無視於紙的存在。這是因為在這個工業時代,紙張只不過是承載著印刷訊息的物品,是個配角,所以人們已經對它們視而不見了。

所幸,一些藝術家、印刷業者和造紙工匠仍舊能夠聽到紙的聲音。我們在結婚請柬、紀念冊和出生公告等各種儀式性的文件中,也仍舊可以感受到一些紙的精神,了解紙張的意義與重要性。

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和紙折成的蝴蝶。圖/pixabay

我曾聽蘇丹和波士尼亞的難民描述他們在逃難期間如何珍惜他們所剩不多的紙張,並實施限量供應的做法,以期充分利用每一公分的紙片。在紙上書寫的行為讓他們享受到自我表達的喜悅,但也讓他們擔心紙張會不敷使用。

萬一有一天,造紙工廠和電子螢幕(兩者都必須耗用大量的能源)都崩壞時,我們這個時代所留存的一切,將會被記錄在用三椏、雁皮、棉或楮樹製成的手工和紙上。那是川上御前的水和纖維所形成的產物。

本文摘自《樹之歌:生物學家對宇宙萬物的哲學思索》商周出版

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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液晶溫控纖維:捲窗簾、撐乳房、擁抱狗、掀燈罩
胡中行_96
・2023/11/20 ・2772字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「教授」趴在辦公室的地板上,百無聊賴。材料科學家、互動設計師、工匠與工藝研究人員,整日於麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab),忙進忙出,沒空搭理。作為論文第一作者Jack Forman的愛犬,身兼創作謬思,「教授」可能從沒想過,自己終將獲邀貢獻學術,並且榮登致謝名單。[1]

第一作者的愛犬「教授」。圖/參考資料1,Figure 15a(CC BY 4.0

FibeRobo

「教授」備受冷落的這段時日,研究團隊一直忙於開發織物纖維:穿戴手套、實驗袍和護目鏡,隔著通風櫃,以液晶元(mesogen)為主要原料,適量加入能感光、增加黏性、降低驅動溫度,以及延長有效期限等的各種化學物質。然後,將調製好的液晶彈性體(liquid crystal elastomer;LCE),灌進精心設計的機器。利用液晶分子在常溫下整齊排列,遇熱就亂了陣腳,導致收縮的特性,生產出來的FibeRobo纖維,長度能為溫度所控制。製作步驟及機器各部位的功能,大致如下:[1]

左二為FibeRobo機器示意圖,最右是實體。圖/參考資料1,Figure 3(CC BY 4.0
  1. 可調控溫度的針筒幫浦,將原料加溫至約莫34°C,降低其黏性後,推擠出來。(圖片:Step 1的上半段。)[1]
  2. 紫外線照射,使纖維稍微硬化,避免蜷曲。(圖片:Step 1的下半段。)機器外圍的黃色壓克力板,能隔絕99%的紫外線,保護使用者。透過調光器,則可依需求適度調整光線強度。避免光線太弱,使纖維斷掉;或者是光線太強,而結塊並堵塞針筒的開口。[1]
  3. 鑷子夾住纖維兩端,把它拉得又直又細,再沾點礦物油,比較容易舒展。(圖片:Step 2。)[1]
  4. 經過滑輪的纖維,於緊拉的張力下,再照一次紫外線,加強硬化。(圖片:Step 3。)滑輪轉動的速度愈快,纖維就愈細。[1]
  5. 纖維被捲到機器最頂端的線軸上。(圖片:Step 4。)[1]
  6. 從線軸上取下纖維,撒點滑石粉,降低摩擦力,方便以後用機器紡織。等布料完成,再以溫熱的肥皂水,洗去滑石粉。[1]

通電與收縮

FibeRobo纖維搭配別種材料,可以創造不同的效果。然而傳統多股對絞的作法,會扭曲FibeRobo,使它收縮的特質變得難以預測。於是,研究團隊改將FibeRobo置於中央,在外面纏繞其他材料。比方說,拿以蠶絲包覆銅芯的利茲線(litz wire)來捆它。銅的電阻低,升溫快,能迅速使FibeRobo遇熱收縮。FibeRobo與利茲線合體後,接上2.5安培、8.5伏特的電,8秒即縮短37%;斷電30秒,則又恢復原狀。不過,這種混合纖維傾向堆成一團,不適用於針織、紡織與刺繡。研究團隊建議,最好分開製作,再搭配使用。[1]

a. & b. 不同材質的線,纏在一起。FibeRobo纖維與利茲線合體:c. 沒通電;d. 通電收縮。圖/參考資料1,Figure 5(CC BY 4.0

另外,他們也嘗試用導電塗料浸染纖維。如同調製LCE原料時,身穿防護衣著,隔著通風櫃,先將FibeRobo泡入含有重量百分濃度7%碳黑(carbon black)的甲苯(toluene)溶液裡。8小時後取出,置於80°C的烤箱中,烘烤1個鐘頭。如此一來,FibeRobo纖維就能通電,其電阻會跟著長度的伸縮變化。拉長變細的時候,電阻較高。[1]

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成品展示

研究團隊用FibeRobo纖維跟其他材料,做了些模型和成品,來展示實際用途。以下是其中幾個例子:[1]

  • FibeRoBra運動胸罩:當體溫隨運動逐漸上升,FibeRoBra便開始收縮,給予乳房無鋼圈、零負擔的支持。體溫下降後,布料又回到放鬆的狀態。[1]
圖/參考資料1,Figure 8(Edited;CC BY 4.0
  • FibeRoGlow燈具:開燈後升高的溫度,令燈罩緩緩上捲,彷彿打開花瓣。全程費時,大約5分鐘。[1]
圖/參考資料1,Figure 9(CC BY 4.0
  • ShadeRobo窗簾:窗簾不該因為陽光強烈,氣溫上升,就自動捲起來。因此,驅動此窗簾所需的溫度,被設計得比較高。布料只有在上面的利茲線通電時,才會有反應。4伏特、2.5安培的電,得花2分鐘,才能將這個5 x 5公分的小窗簾捲好。冷卻1分鐘後,又會完全攤平。[1]
圖/參考資料1,Figure 12CC BY 4.0
  • FurbeRobo遙控狗背心:論文的第一作者Jack Forman,為他的愛犬「教授」,織了一件小背心。本文開頭的那張照片,即是牠的定裝照。如果寵物在辦公室悲鳴,於實驗室忙碌的主人,就可以透過藍芽,啟動背心上的控制器。此時,連接12伏特、2.5安培電池利茲線,會通電並發熱,造成驅動溫度不高的布料,輕微收縮。就像給狗溫暖的擁抱,減輕牠的分離焦慮(separation anxiety)。不過,基於動物實驗倫理等因素,後來示範布料收縮的照片,都是穿在布偶上拍攝,「教授」再次被晾在一旁。[1]
圖/參考資料1,Figure 15(CC BY 4.0

成本與環保

2023年麻省理工學院的團隊,在美國計算機協會(Association of Computing Machinery)主辦的使用者介面軟體與技術(User Interface Software and Technology)研討會上,發表了這篇介紹FibeRobo的論文。研究團隊認為,他們的成果具有商業化的潛力。畢竟跟雷同的技術比起來,製作FibeRobo的成本相對低廉:機器的針筒幫浦約美金250元;裝滿5、10、20或30毫升原料的針筒,每個至多4元;而生產直徑0.5mm的纖維,每公尺約0.2元。[1]單人操作單機,一天或一個下午就能產出750公尺的纖維;[1, 2]亦有報導指稱是每日1公里。[3, 4]不過,FibeRobo不可回收,儘管某些新興LCE纖維可生物分解,有時搭配的導電材質,仍是廢料處理的阻礙。因此,在這方面還有改善的空間。[1]

麻省理工學院媒體實驗室的FibeRobo介紹影片。影/參考資料2

  

參考資料

  1. Forman J, Afsar OK, Nicita S, et al. (2023) ‘FibeRobo: Fabricating 4D Fiber Interfaces by Continuous Drawing of Temperature Tunable Liquid Crystal Elastomers’. UIST ’23: Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 9, pp. 1 – 17.
  2. MIT Media Lab. (27 OCT 2023) ‘FibeRobo: Powerful Body-Temperature Morphing Fibers’. YouTube.
  3. Paul A. (26 OCT 2023) ‘This liquid crystal fabric is ‘smart’ enough to adapt to the weather’. Popular Science.
  4. Global Update. (29 OCT 2023) ‘New Liquid Crystal Elastomer Fiber Makes Shape Shifting Fabrics a Reality – FibeRobo’. YouTube.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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【成語科學】洛陽紙貴:從絲綿到用樹皮,古代的造紙簡史
張之傑_96
・2023/06/21 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢以後就是三國和西晉。西晉文學家左思,親自走訪三國的國都——吳都建康(今南京)、魏都洛陽、蜀都成都,耗時 10 年,寫成 1 萬多字的《三都賦》。

這篇賦寫得好極了,大家紛紛買紙來抄,一時供不應求,把洛陽的紙價都哄抬貴了。

這就是成語「洛陽紙貴」的由來。讓我們試著造個句吧。

  • 張愛玲的第一本小說集《傳奇》推出後,同一個月就再版了,受歡迎的程度當真可以用洛陽紙貴來形容。
  • 英國推理小說作家克莉絲蒂,每部小說都洛陽紙貴,其著作已譯成 100 多種語文,總銷量超過 20 億冊。

西元 291 年,左思寫成《三都賦》。上推 186 年(西元 105 年),蔡倫改良造紙術成功。左思的《三都賦》造成洛陽紙貴,可見這時的上層社會,紙已取代了竹簡。

《天工開物》中記載古代造紙術的流程。圖/維基百科

紙是中國的四大發明之一。最早的紙是絲綿紙,是古人無意中發明的。原來我們的祖先早就會製造絲綿了,方法是將蠶繭煮過,攤在竹蓆上,浸在水中打爛。當製好的絲綿從竹蓆上取下來時,蓆子上往往還殘留著一層絲綿。等竹蓆乾了,這層絲綿就變成一張薄薄的絲綿片。

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這一無意中的發現,帶給人們莫大的啟發,於是有人從水中將一層薄薄的絲綿「抄」(撈出來)在竹蓆上,晾乾後就成為絲綿紙。

絲綿紙用蠶絲做原料,價格太高,不可能大量生產,但它的製法卻具有啟發作用:既然可以用蠶絲來製紙,那麼可不可以用廉價的植物纖維代替?到了西漢,人們開始用大麻和苧麻製紙,所用的方法和絲綿紙完全相同;但當時的麻紙又粗又厚,不適合寫字。到了東漢,經過蔡倫的改良,才算有了成效。

蔡倫從小就到皇宮當太監。他曾經管理過宮廷用品,發現當時的書寫材料都有缺點:竹簡過於笨重,帛(絲織的布)和絲綿紙又太貴;於是決心改進造紙方法,希望能找到一種又便宜又實用的書寫材料。

西元 105 年,蔡倫成功改良造紙術。圖/維基百科

蔡倫綜合前人造紙的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙了。用這種方法造出來的紙,又薄又平,很適合寫字。蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

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8 世紀時,中國人發明的造紙術傳到阿拉伯。12 世紀傳入歐洲。距離蔡倫改良紙術成功,已經有一千年了!

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。