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曾經有50億鳥口的「旅鴿」,遺傳多樣性卻低得嚇死人?

寒波_96
・2018/01/09 ・4207字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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旅鴿:曾與智人一樣多的鳥類

住在北美洲的旅鴿(passenger pigeon,學名 Ectopistes migratorius)是種非常獨特的鳥,最特殊的是牠們的數量,毫無疑問排名美洲第一,或許也是世界冠軍——全盛時期估計有30到50億。然而,不久前仍如此龐大的族群,竟然已經步向滅亡的命運,1914年以後,世界上就再也沒有旅鴿了。

被獵人們追捕的旅鴿們。source:wikimedia

古代 DNA 近來成為研究滅絕生物的利器,而消失不久、目前仍有不少標本保存在博物館的旅鴿,它的基因組也在其滅絕的一百週年,也就是2014年時被定序發表。這項由台灣學者主導的研究,最驚人的發現是:旅鴿的遺傳多樣性與牠們龐大的鳥口數目,完全不相稱。[1]

通常我們會直覺地認為,某種生物的數目愈多,其遺傳多樣性應該也會愈大;旅鴿可能一度是世界上最多的鳥類,有如此多個體能累積遺傳差異,DNA 多樣性應該會大的嚇死人。可是由基因組看來,旅鴿的遺傳變異反而低的驚人,如果不考量旅鴿的個體數量、單純從他們的DNA序列來估計鳥口的話,估計值只有大約 33 萬左右……對,單位沒有寫錯,但旅鴿實際上至少有 30 億個體啊!

旅鴿的標本。source:wikimedia

為什麼旅鴿的族群很大,遺傳多樣性卻很低?

為什麼旅鴿數量的理論估計與實際情況的落差會這麼巨大呢?影響遺傳多樣性的因素除了個體數目以外,還有何方神秘力量?在2017年發表的論文,提出相當具有啓發性的解釋,讓旅鴿無法累積 DNA 變異的主要因素是:天擇!?[2]

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讓我們來從頭說起:新發表的論文獲得了更多旅鴿的 DNA 序列,包括 2 個新的基因組(加上之前發表的一共有 4 個),以及 41 個粒線體 DNA。除此之外,還定序了旅鴿的近親班尾鴿(band-tailed pigeon,學名 Patagioenas fasciata)的 2 個基因組,一同用於研究旅鴿的遺傳史。

左圖,紅色是旅鴿歷史上分佈的範圍,紫色是班尾鴿分佈的範圍。右圖,旅鴿樣本的取樣位置。圖/取自 ref 2

用 DNA 差異計算出的族群大小稱為「有效族群量(effective population size)」,採用粒線體 DNA 估計的結果是 1300 萬,比之前計算的 33 萬高出不少,不過仍遠遠低於實際上的 30 到 50 億。和班尾鴿比較,更能看出旅鴿反差的驚嚇程度,旅鴿的鳥口遠遠超過這種親戚,基因組的 DNA 多樣性卻只有班尾鴿 2 倍;假如以「有效族群量除以實際族群量」換算,也就是反差愈大、數值愈小,班尾鴿是 0.2,亦即實際鳥口是遺傳估計值的 5 倍,而旅鴿約為 0.0002,足足有 5000 倍之多!

與天擇利害糾葛,沒有中立空間

為何旅鴿的個體變多,卻無法累積相應的遺傳多樣性?我們常常聽到「多樣性大便是好的」,這背後的潛台詞是:多樣性小,代表個體數少,容易近親交配,導致不良後果。但是回頭思考,憑什麼族群個體變多,多樣性也要跟著變大?這是有前提的,那就是新的遺傳變異是中性的,亦即對個體沒有利、也沒有害;在沒有利害關係之下,新突變造成的 DNA 差異能保留在基因組中,因為每隻鳥的突變機率一樣,所以族群中有愈多個體、就會有愈多差異,使得族群整體的遺傳多樣性愈大。

可是實際上,個體間許多遺傳差異並非中性,而是會影響生存與繁殖。這又有兩個可能,一種是有利的,亦即有此變異與沒有此變異的個體相比,會比較有優勢;另一種是有害的,分配到這類變異的鳥比較倒霉,傳承後代的機率較低。以上是路邊過馬路的老爺爺老太太和扶他過馬路的我們都知道的天擇。

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以 DNA 差異來看,牽涉利害關係的天擇多半會降低多樣性:舉例來說,如果單一品牌的市占率上升、或是一個牌子長保穩定優勢,會讓新品牌不易進入,「品牌多樣性」便會下降;相對的,如果大家都不挑品牌、買東西都碼是隨機選擇,那麼當有新品牌進入市場時,我們就多了一個牌子可以挑選、讓品牌多樣性變大,而之後影響其興衰的就只是機率而已了。

在演化上,隨機影響力的正式名詞叫作「遺傳漂變(genetic drift)」,它和非隨機的天擇都會影響 DNA。演化理論預測,比較大的族群中天擇的作用較強;比較小的族群遺傳漂變則較有影響力。旅鴿和班尾鴿相較,兩者多數特徵都差不多,旅鴿族群卻大了很多倍,應該會更強烈被天擇影響。那麼天擇的強大,與旅鴿遺傳多樣性不如預期之間,有關係嗎?

同一條染色體上不同區域,遺傳多樣性竟然不一樣?

分析基因組後觀察到的狀況非常奇妙,不過要解釋起來也很複雜,希望以下文字能正確傳達論文的概念。旅鴿染色體不同的位置,遺傳多樣性有明顯的差別。在同一條染色體的中間,遺傳多樣性普遍較低,而邊緣區域則顯著較高。相比之下,班尾鴿染色體不同區域間,遺傳多樣性的差異程度遠遠不如旅鴿劇烈。

旅鴿基因組上不同區域的 DNA 多樣性卻不一樣,靠近染色體邊緣的範圍較高,中央較低。圖/取自 ref 2

論文指出此一分佈模式,與染色體重組率(recombination rate)的高低一致,鳥類 DNA 重組率低的區域,也就是染色體中央的多樣性也低,重組率高的邊緣,多樣性也比較高 [3]。重組的影響是什麼?根據論文的說法,要與天擇的作用一起看。一個遺傳變異若是有利益糾葛,受到天擇作用時,影響的往往不是只有本身,還包括周圍的 DNA 序列,也就是遺傳學上說的「連鎖」。本身為中性的 DNA 片段,若是鄰居有利也會跟著受益,更容易傳遞下去,反之亦然。

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天擇會消滅差異,除非被重組拯救

在強大天擇力量的影響下,由於遺傳連鎖之故,整段 DNA 都不容易累積差異;就像買 A 牌手機,連帶也會買整套 A 牌週邊配備,壓縮他牌的空間;假如重組率低,連鎖的範圍較大,天擇能影響的範圍也會跟著變大,正是旅鴿染色體中央的狀況。相對的,在基因組中重組率高的區域,比較不受天擇與連鎖的影響,中性變異的生還率高,也就能觀察到族群個體很多之下,遺傳多樣性應有的上升。

旅鴿基因組研究,上了當期《Science》封面。圖/取自《Science》封面

論文還做了一些細緻的分析,對相關議題有興趣的讀者請自行欣賞。跳到結論,不論是有害變異的清除(淨化選汰,purifying selection),或是有利變異的增加(正向選汰,positive selection),旅鴿整個基因組受天擇的影響都更勝班尾鴿。可見族群較大,的確也會有較強的天擇力量。

天擇兩個方向中,吻合淨化選汰特徵的 DNA 變異,比較旅鴿基因組中,重組率不同的區域,不管高低皆有明顯差異,意謂掃蕩有害變異的能力都比較強;但是重組率高的區域內,儘管序列乍看之下符合正向選汰的特徵,論文卻警告,這可能只是染色體重組時 DNA 突變的傾向所致(AT 突變為 GC 的機率更高,影響序列判斷),而非讓有利變異更容易留下的演化力量作用。總之,旅鴿基因組受天擇作用時,顯然也受到重組機率影響。

比較具體的基因方面,旅鴿有 32 個基因疑似受到正向選汰影響,有些基因與免疫、壓力、吃飯消化有關。想來十分合理,鳥口多,大家住在一起也容易得到傳染病,需要較強的免疫力;另外,有人會因為人多而壓力大、感到恐懼,鳥也一樣。

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所以一度繁盛的旅鴿,為何會滅絕?

旅鴿標本。圖/取自本研究新聞稿〈 Passenger pigeon genome shows effects of natural selection in a huge population

個人答案是:不知道,不過應該不單純。已經發表的 2 個論文,對這問題的見解不同。2014 年論文的論點是,旅鴿並非一直這麼多,牠們經歷過多次劇烈的鳥口波動,是導致其滅絕的重要因素。然而新的論文分析指出,過去幾萬年來旅鴿的族群量不斷增加,到 2 萬年前達到高峰,之後就一直保持穩定,直到滅絕,所以波動不像是主因。

用旅鴿粒線體 DNA 推估的遺傳族群數目,近幾萬年來不斷上升,距今 2 萬年前達到高峰。圖/取自 ref 2

新論文的見解是,一度有利的天擇,讓旅鴿族群大增,卻也付出遺傳多樣性嚴重損失的代價,反倒使得環境轉變時,難以適應人類獵捕的壓力而短時間內徹底滅團。不過這個解釋……看起來也就只是另一個解釋,沒有進一步證據。

旅鴿的遺產

曾經能跟智人數目相提並論的旅鴿,消失一百多年。但是藉由研究牠們的 DNA 遺產,我們仍然能得到許多非常有價值的收獲。

一般認知中,族群大,遺傳多樣性也會跟著變高,然而旅鴿卻是極端的反例。對遺傳演化學家而言,即使都學過理論,知道大族群中天擇的作用力量也強,大概也難以想像現實世界中天擇的影響力,在極端龐大的鳥類族群中能如此驚人,強大到甚至會把正常累積的遺傳多樣性,大半排擠掉的境界。

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在論文的附錄中還有許多分析,附錄的圖 S25 修正一些參數後,重新計算 2014 年論文的歷年族群大小變化,與新的分析對照,兩者明顯有異。圖/取自 ref 2

重組率高低會導致基因組不同區域的 DNA 多樣性差異明顯,也告訴我們,探討抽象的演化力量作用時,不可忽略具體分子機制的影響。假如把旅鴿基因組視為一個整體,將無法釐清天擇的影響,而會把大部分區域錯誤地假設為中性演化,造成各種估計結果的偏差。

看完旅鴿的研究,雖然一些舊有認知受到挑戰,大家先別驚慌;也許旅鴿驚人的鳥口,讓牠們成為極端的特例,並非常態。可是回頭想想,遺傳學上大家研究最多,最在意的智人,不也是動物世界中,實際人口遠遠超過遺傳估計值的特例嗎?誰知道研究旅鴿獲得的知識,未來能有多少用於人類?

延伸閱讀:

參考文獻:

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1. Hung, C. M., Shaner, P. J. L., Zink, R. M., Liu, W. C., Chu, T. C., Huang, W. S., & Li, S. H. (2014). Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(29), 10636-10641.

2. Murray, G. G., Soares, A. E., Novak, B. J., Schaefer, N. K., Cahill, J. A., Baker, A. J., … & Gilbert, M. T. P. (2017). Natural selection shaped the rise and fall of passenger pigeon genomic diversity. Science, 358(6365), 951-954.

3. Ellegren, H. (2010). Evolutionary stasis: the stable chromosomes of birds. Trends in ecology & evolution, 25(5), 283-291.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

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顯微觀點_96
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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃