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線上分享、線下製造的「數位自造」時代:來自製仿生獸和自己的聲紋首飾吧

活躍星系核_96
・2018/04/10 ・5028字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 作者/曾靖越
    臺北市立大學視覺藝術學系助理教授,熱愛閱讀、電影、跑步與科技藝術。每天不喝咖啡就無法將大腦開機,期許自己的文字能對社會產生些許功能性。

數位時代,製造仿生獸只需要搜尋關鍵字

荷蘭藝術家泰奧.揚森(Theo Jansen)製作的仿生獸(Strandbeest),多次來臺展出,它那奇妙的結構與不可思議的運作模式,總是能在展場吸引大家駐足欣賞。但是如果自己有強烈的慾望想要擁有一臺(隻?)仿生獸,那該怎辦?作者的官方網站就有販售模型的引導頁面,這個可動的自組模型似乎和「大人的科學」所附贈的是一樣的。

可是數位時代,或說自造時代,光買個模型回來自己組合,好像對愛好自找麻煩的人,實在挑戰性甚低。幸好,知名 DIY 網站教學 Instructables,總是提供了各種解決之道。只要登上網站搜尋關鍵字「Strandbeest」,將發現數量多到可以做到手軟的各種教學;這些教學都是世界各地的創作同好,將自己的創意付諸實現之後,把心得整理後進行分享、發布平台。

Maker 文化風起:製造知識分享+數位機工具

隨著「數位製造機工具的普及」(諸如 3D列印機、雷射切割機、CNC三軸雕刻機等等),以及「製造知識的交換與分享」,讓個人製造的文化在當代大行其道1。人類在深層內心中對於親身實踐的渴望,我們可以從被譽為自造者領袖,也是美國首間自造者空間 TechShop 創辦人之一的馬克.哈奇(Mark Hatch),所提出一段自造者運動宣言2中深刻體會:

「製造」是我們之所以為「人類」不可或缺的要素,我們必須經由製造、創造、表達,才能感受到完整。製造實體物品是獨特的,我們產出的物品就像是自己的一部分,彷彿能體現出我們內在靈魂的某一區塊。

Photo Credit: AaltoFablab via https://www.flickr.com/photos/aaltofablab/

前面小節提到的「製造知識的交換與分享」、「數位機工具的普及」,是讓創客(Maker)文化迅速流行的關鍵,若再深究這兩個元素的相同之處,那就是「數位化」讓製作資訊的傳遞與分享,更為快速與簡易。再進一步思考,創客運動是透過數位化及社群分享的力量,將數位檔案(虛擬),於機工具進行實體輸出(現實),因此,數位製造的機工具可以看作打破虛擬與現實的關鍵,這是一種「位元」與「原子」互為表裡,雙向交流的一種體現3

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現代自造新風貌:混合在線與離線

這裡我們再回頭來談談仿生獸,來印證上面講的一些概念:若我想打造一隻自己的仿生獸,可以先 Google 廣大網友的製作心得,像是「打造仿生獸的六個常見問題4,去習得一些製作的脈絡與心得,也可透過了解別人失敗的經驗,並進而避免問題重複發生。當我充滿信心,又找到雷切機或 3D列印機可以使用後,便想要用數位工具自己製造零件出來。這個步驟需要將零件數位化,並運用機器製造出來,許多 Maker 會選擇前面提到的 Instructables 等網站,搜尋看看有沒有相關案例,並下載原始檔案,依喜好自行修正或直接輸出使用。

STRANDBEEST INSPIRED 3D PRINTABLE WALKING MACHINE, By danowall1, 摘自:http://www.instructables.com/id/Strandbeest-Inspired-3D-Printable-Walking-Machine/

這裡有一個很特別的現象:

即便我自己沒有真實具備工匠的手藝與技能,但我卻能透過網路分享平台,得知世界上某個角落創作者的自身心路歷程,並透過使用他的數位檔案,如實複製與實現真實的物件。

深度數位化的今日的社會,我們早已習慣於數位檔案無限複製與分享的生活型態,若再加上 3D列印機等數位機工具的出現,我們將發現「原子的作用越來越像位元」,原子儼然已經成為了新位元,換句話說,而數位檔案可以編修與輸出型態,間接讓電腦程式以處理位元的方式處理原子,促成了「混搭」(remix)文化5

從另一個角度來看,這種數位檔案編修的混搭文化,讓線上的創客社群成為製造參與、消費與產製的新空間形態,社群中的個體在創造屬於自己的作品外,還能在平台中交換知識與資源,使當代的創新設計與製造實踐,已逐漸呈現一種「混合在線與離線製造」的新風貌6

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將聲紋轉化為首飾

於此,我們再來談談一個創作型態:Soundwave Jewellery,這是家由加拿大的金工創作者 Danielle Crampsie 所創建的公司。提供服務,將顧客的聲波視覺化、轉刻在各種首飾之上,形塑一種個人化的穿戴式配件。

Soundwave Jewellery 的作品非常特別,除了美觀之外,顧客對於首飾上的紋路(也就是聲波)會產生高度認同感,因為這些圖形不是別的,是自己或可能是與自己關係密切的人(事、物)所說的話(或發出的聲音)。Soundwave Jewellery 提供給顧客一個非常寶貴的價值,這種價值是如同旅人與紀念品,是以保存回憶,而提高物件的珍貴度所產生的,這種物件與回憶的微妙連結,使人與物件,人與回憶的關係長久持續7

Soundwave Jewelry作品,摘自soundwavejewellery.com

Soundwave Jewellery 的工藝品表現精緻,若自己也想擁有,但買不下去,可以買一塊 3mm 至 5mm 的壓克力板,找一台筆電、一台雷射切割機來試看看接下來的步驟:

  1. 將聲音數位化
    我們所看到聲音的波形,是一種將無形化為有形的視覺表現;若要將創作的本體:「聲音」,進行型態的捕捉,在今日非常容易執行,只要運用手邊的行動電話,以各種錄製聲音的App進行錄音即可。這種類型的App往往都可以儲存wav, mp3等格式之音訊檔案,聲音錄製好之後,可用自己熟悉的方式,將聲音檔案從手機傳到電腦(雲端硬碟、藍芽、儲存卡等等均可)。
摘自作者SAMSUNG S7行動電話內建之錄音App截圖
  1. 將聲音數位檔視覺化
    前一個步驟所得到的數位聲音檔,並非視覺化的聲音波形圖,因此,若要進行聲波形態的編輯與輸出,則要將其視覺化。在網路上搜尋了許多方法後,可發現由設計師 MishaHeesakkers 所開發的線上服務:Waveformer ,是最理想的方案。Waveformer是一個可提供使用者上傳聲音檔案(諸如mp3與wav檔均可上傳),並將其聲音波形轉為向量檔案(svg格式)的網站,下載之後的向量檔案將可供繪圖軟體進行編輯。
Waveformer網站截圖,摘自https://www.misha.studio/waveformer/
  1. 檔案編修與運用數位自造機工具輸出實體
    下載後的 svg 檔案可以透過向量圖行編輯軟體(像是Adobe Illustrator)進行編輯,修改成為自己喜愛的個人特色聲波圖後,就可以運用雷射切割機進行輸出。
雷射切割完成之壓克力吊牌,作者拍攝

用類比型態詮釋數位非線性剪輯特性

日本產品設計師與電子藝術家 Yuri Suzuki,擅長運用不同媒材探討聲音與人的關係。Yuri Suzuki 跟許多人一樣,在數位洪流中對類比時代聲音形式的消逝感到困惑,因此,他透過作品 The Physical Value of Sound ,針對數位時代中「聲音的型態」進行提問8。The Physical Value of Sound 運用黑膠唱片與唱機的重新衍繹,像是拆解黑膠唱盤軌道重新連接,或是多個唱臂同時讀取不同音軌且同時播放,都是一種用類比型態詮釋非線性剪輯的一種方式,讓類比音樂模式也能有數位化的編輯特性,十分有趣。

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日本慶應義塾大學環境情報學部教授田中浩也,曾提到的數位製造中的概念循環:在進行數位製造的過程當中,「物品」(Prototype),「事件(或故事)」(Story),「體驗」(Experience)三個內涵元素彼此會進行循環,而這樣的過程當中,建構了 FabLab(Fabrication Laboratory)運作的主要概念。

此圖原出自FabLife:衍生自數位製造的「製作技術的未來」(FabLife:デジタルファブリケーションから生まれる「つくりかたの未来」,作者:田中浩也 ,譯者:許郁文,出版社:馥林文化)一書,其中Experience原譯為「詞彙」,作者閱讀前後文,認為修正Experience譯為「體驗」較佳。

換句話說,這呼應到了本文最前面所談及的自造者的創作型態:數位自造概念起始於製造者有了需求與想像,接著便開始動手進行製造(將意念轉為位元,將位元(資訊)轉化為原子(物質)),最後,將成品進行公開交流討論與分享。如此一來,新的成品將不斷被製造出來(透過成品與數位檔案的再次分享),而成品的使用又產生經驗,而這種經驗在使用、分享甚至進化改良的過程中,又形成故事,如此一來,整個數位自造的過程便如同循環一樣,一直反覆下去9

藝術家動手將思想與創意,無中生有地產出實體作品,其實也是一種古老的創客。當代的許多新媒體藝術家,亦早已運用數位機工具進行創作,臺灣年度自造者盛會 Maker Faire Taipei,去年(2017年)甚至首次出現以「創客藝術」為主題的展覽特區,綻放出自造運動的當代新美學。

數位時代,創作者的意念已可透過技術的標準化,無縫傳達給他人,這種虛實整合提供了一種新的思維模式,讓創作者的「製造者身份」被概念化為一種數位媒介下的製造實踐主義(maktivism)、DIY公民10。總體而言,數位時代中,由於技術的標準化,創作的概念形變為線上技術服務、電子原始檔案、多媒體教學文件、並於線上群組進行分享(如下圖),這都已是當代的一種創作生態,這是一種不斷運用「眾人的智慧」的共生形式。

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創客創作的分享型態,摘自:曾靖越.(2017)。位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

註:本文結構與內容延伸自 – 曾靖越(2017)。 位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

  1. 田中浩也(2013)。 FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 20-21). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業。
  2. Hatch, M. (2015). 全世界在瘋什麼自造者運動? 解放創新思維,動手打造未來新世界 (張嚴心, Trans.) ( 21): 臉譜出版;家庭傳媒城邦分公司發行.
  3. 田中浩也. (2013). FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 16). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業.
  4. 原文作者: Jeremy S Cook, 6 Common Problems to Avoid When Building a Strandbeest, 譯: 劉允中, 摘自:
  5. Anderson, C. (2013). 自造者時代 啟動人人製造的第三次工業革命 (連育德, Trans.) ( 107-110): 天下遠見出版公司.
  6. 邱誌勇(2016). 實體與虛擬的並置參與:當代自造者運動的社群集結與想像. 考古人類學刊(85), 83-107. doi:6152/jaa.2016.12.0004
  7. 賴彥均(2007). 紀念品:旅遊回憶的保存與觸發. (碩士論文), 國立交通大學, 新竹市.
  8. 該作品創作理念請見:
  9. 田中浩也(2013)。FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 60)。 臺北市: 泰電電業。
  10. 邱誌勇(2016-07-26)。創客運動 實踐科技空間的虛擬性.

本文轉自 nmlab《如何運用大眾的智慧打造仿生獸與聲紋吊飾

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
linjunJR_96
・2020/11/11 ・1866字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

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等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

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當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

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固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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想成為狩獵高手?學學狐狸來利用磁場吧!──《變身野獸》
PanSci_96
・2017/08/26 ・2744字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

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  • 【科科愛看書】天天都覺得心好累、人生好難?那就讓我們放棄當人,跟著搞笑諾貝爾生物獎得主一起《變身野獸》吧!作者為了對動物的日常生活感同身受,不惜親身迎接各種挑戰,吃貓罐頭、用牙齒捕魚、隨地排泄(?)如果你想擁有「不當人的勇氣」,絕不可錯過這份獨一無二的動物生活札記!

打獵也要很科學,用基本三角征服田鼠

時光旅行不只存在詩歌裡,狐狸會利用時光旅行狩獵。如果田鼠從狐狸身體中線任一側的不同角度發出吱吱聲,聲波抵達耳膜的時間點和強度就會有所差異。

一點基本三角學、豐富的經驗加上超多次撲空,狐狸的大腦就會一點一滴慢慢修正。雖然難度比較高(演化已經利用純音[pure-toned]獵物的物種表明這一點),但是狐狸也能找出連續純音的低吟來源:聲波的不同部位會在特定時間點撞進左右耳,如果波鋒震動右耳,波谷就會震動左耳,只要利用中間的差異就能找出聲音來源。

不過這個方法並非萬能。如果狐狸的頭靜止不動,聲波的定位就會從一個點變成美麗的曲面,從聲波來源一路延展到狐狸的頭部。狐狸沒辦法不斷跳躍,試圖從平面上無限個點找出獵物的位置。所以牠們換成兩種更聰明的方法。

狐狸利用聲波定位獵物的位置。圖/Holyrood Magazine

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掌握地球磁場,完美出擊不是問題

首先,狐狸會先動動頭或是耳朵。聲音來源和狐狸之間的曲面會變動,但是來源本身是靜止的。只要比對前後兩種曲面,狐狸就可以縮小可能範圍。轉幾次耳朵、搖幾回頭,狐狸就有足夠自信跳出那一步。不過,牠們還有另一種驚人的細微修正法。

為了了解這個方法有多驚人,建議你先去附近最髒亂的公園觀察正在排便的狗。如果天氣晴朗,牠們喜歡把身體對準南北向排便,那時候地球的磁場很穩定。但是磁場並不總是平靜的:當熔岩核心翻攪,地球表面就會捲起暴風和颮風。不過,只要牛鬼蛇神不作亂,狗的腸胃就會緊緊拴在世界的中心。

目前還不知道狐狸是否也受地球磁場影響,但是答案很可能是肯定的。狐狸絕對有順著地球磁場運轉。牠們很常向著東北方朝小型哺乳類撲去,而且這種方向的成功率更高。東北向攻擊的成功機率是 73%,西南向(跟東北向差 180°)是 60%,其他方向則只有 18%。

這種行為(目前僅知狐狸有此行為)是利用磁場計算攻擊距離,而不是位置或方向。距離比起其他兩者重要。狐狸的棲息地有各種因素會干擾距離計算。例如氣溫和濕度會改變聲波的速度,使得三角學計算出現誤差。聲波也會在草莖之間迂迴蛇行,在枝枒之間彈跳,一會兒巧妙鑽地,一會兒乘風嬉戲。田鼠常走的路徑幾乎長不出青草,沒有窸窣聲替狐狸通風報信。就算有草,徐風也會替田鼠遮掩行蹤。如果距離掌握不佳,狐狸可能再無機會重振旗鼓,發動攻擊。

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地球磁場影響了狐狸的狩獵行為。圖/phys.org

所以狐狸習慣對著磁場的固定角度(偏離北邊 20° 最佳)跳躍,牠們很熟悉這個角度發出的聲音。磁力線和聲線交會之處,獵物就在那裡。還記得英國空軍精準投下彈跳炸彈,轟炸德國魯爾水壩(Ruhr dams)的事嗎?當兩道聚光燈在水面交會,飛行員就曉得他們來到正確的距離,是時候該按下投放鈕。狐狸的狩獵也是同樣道理,只不過牠們的聚光燈是聲波和磁場,炸藥則是爆發的延伸腿筋以及其他約一百條充滿血液、淋巴和飢餓的肌肉纖維。

用磁場跟地球來場親密接觸吧!

真實感受到地球方位是什麼感覺?我也會向狐狸一樣轉頭試圖對準聲音來源,但是假如能靠體液判斷西北方位呢?那表示我的每一步從此都有憑有據,我將和世界萬物建立起緊密聯繫。以前我只是挑個地點製造各種髒亂,如今我將是真正的地球居民。

有一次,我在酒吧聽到幾位老婦抱怨世道衰微。當然,問題都出在年輕人身上,現在的年輕人跟以前不同了。換個有趣的角度,別把她們想成閒閒沒事做、淫蕩、不懂尊敬或爛醉的低下階層老嫗(就算是實情),她們只是對地球磁場過於敏感罷了。

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「妳知道嗎,那些傢伙說教會什麼的全都沿著磁力線連成一條,一路連到古老山丘之類的。」

「不會吧!」

「是真的。妳聽我說,他們說全國到處都是磁力的線,古代人知道這回事,所以把房子都蓋在線上。」

「才怪!」

「是真的啦,說不定我現在就坐在線上呢。屁股好像有點麻麻的。」

對話就這樣繼續下去:屁股麻、胸部麻,那條難看的長褲也跟著帶電了;從貝尼多爾姆(Benidorm)買來的二手壁爐找人看過風水了。老婦徹夜咯咯笑,我則點了一瓶原本以為不需要的啤酒試圖麻痺自己,埋首於《綠斗篷》(Greenmantle)中。

被老婦嫌棄的孫子說得對。隨便找一隻狐狸、叢林居民、正在半蹲撇條的狗,或是現代文明之前的任一人,他們都會點頭稱是。除了埋葬和直接踩進土裡之外,是磁力讓人類定錨在地球上。我們是吸在冰箱上的字母磁鐵,要拼出有條理的單字,唯一方法就是待在原地不動。如果像晚期舊石器時代那樣不帶磁性,人類就會盲目失根,不曉得身在何處,無法與土地親密相處,更不明白自己是誰,又為何出現在這裡。

是磁力讓人類定錨在地球上。圖/Public Domain, wikimedia commons

至少在滴到啤酒的筆記本上,我如此自以為是又幼稚地寫下這段話。我的磁力並不比老婦強。我的祖先和老婦的祖先,都在幾千年前砍斷自己的雙腿,挖出雙眼。但至少我很清楚,失去雙腿雙眼的人類確實弱化了。

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也許是我誇大其詞。狐狸對準磁北極二十度出擊,其實只是像乒乓球選手轉動手腕,以求擊出角度最大的上旋球。但無論如何,這個角度絕對是刻意對準的。於是斟酌之後,我認為自己並沒有誇大,因為世界級乒乓球選手和球桌的關係是如此奧妙。對我來說,那張球桌僅僅是一塊木材;對選手而言,那是展現奇蹟的舞台,也是繡出絕無僅有美景的刺繡架,這一切都是因為選手和球桌建立起關係。

所以說,沒有磁力的我,只能把這世界看成幾片木材,而不是國際桌球錦標賽的專用球桌。反觀狐狸,可是不分晝夜打著乒乓呢。


 

 

 

 

本文摘自《變身野獸:不當人類的生存練習》行人文化驗室出版。

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線上分享、線下製造的「數位自造」時代:來自製仿生獸和自己的聲紋首飾吧
活躍星系核_96
・2018/04/10 ・5028字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 作者/曾靖越
    臺北市立大學視覺藝術學系助理教授,熱愛閱讀、電影、跑步與科技藝術。每天不喝咖啡就無法將大腦開機,期許自己的文字能對社會產生些許功能性。

數位時代,製造仿生獸只需要搜尋關鍵字

荷蘭藝術家泰奧.揚森(Theo Jansen)製作的仿生獸(Strandbeest),多次來臺展出,它那奇妙的結構與不可思議的運作模式,總是能在展場吸引大家駐足欣賞。但是如果自己有強烈的慾望想要擁有一臺(隻?)仿生獸,那該怎辦?作者的官方網站就有販售模型的引導頁面,這個可動的自組模型似乎和「大人的科學」所附贈的是一樣的。

可是數位時代,或說自造時代,光買個模型回來自己組合,好像對愛好自找麻煩的人,實在挑戰性甚低。幸好,知名 DIY 網站教學 Instructables,總是提供了各種解決之道。只要登上網站搜尋關鍵字「Strandbeest」,將發現數量多到可以做到手軟的各種教學;這些教學都是世界各地的創作同好,將自己的創意付諸實現之後,把心得整理後進行分享、發布平台。

Maker 文化風起:製造知識分享+數位機工具

隨著「數位製造機工具的普及」(諸如 3D列印機、雷射切割機、CNC三軸雕刻機等等),以及「製造知識的交換與分享」,讓個人製造的文化在當代大行其道1。人類在深層內心中對於親身實踐的渴望,我們可以從被譽為自造者領袖,也是美國首間自造者空間 TechShop 創辦人之一的馬克.哈奇(Mark Hatch),所提出一段自造者運動宣言2中深刻體會:

「製造」是我們之所以為「人類」不可或缺的要素,我們必須經由製造、創造、表達,才能感受到完整。製造實體物品是獨特的,我們產出的物品就像是自己的一部分,彷彿能體現出我們內在靈魂的某一區塊。

Photo Credit: AaltoFablab via https://www.flickr.com/photos/aaltofablab/

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前面小節提到的「製造知識的交換與分享」、「數位機工具的普及」,是讓創客(Maker)文化迅速流行的關鍵,若再深究這兩個元素的相同之處,那就是「數位化」讓製作資訊的傳遞與分享,更為快速與簡易。再進一步思考,創客運動是透過數位化及社群分享的力量,將數位檔案(虛擬),於機工具進行實體輸出(現實),因此,數位製造的機工具可以看作打破虛擬與現實的關鍵,這是一種「位元」與「原子」互為表裡,雙向交流的一種體現3

現代自造新風貌:混合在線與離線

這裡我們再回頭來談談仿生獸,來印證上面講的一些概念:若我想打造一隻自己的仿生獸,可以先 Google 廣大網友的製作心得,像是「打造仿生獸的六個常見問題4,去習得一些製作的脈絡與心得,也可透過了解別人失敗的經驗,並進而避免問題重複發生。當我充滿信心,又找到雷切機或 3D列印機可以使用後,便想要用數位工具自己製造零件出來。這個步驟需要將零件數位化,並運用機器製造出來,許多 Maker 會選擇前面提到的 Instructables 等網站,搜尋看看有沒有相關案例,並下載原始檔案,依喜好自行修正或直接輸出使用。

STRANDBEEST INSPIRED 3D PRINTABLE WALKING MACHINE, By danowall1, 摘自:http://www.instructables.com/id/Strandbeest-Inspired-3D-Printable-Walking-Machine/

這裡有一個很特別的現象:

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即便我自己沒有真實具備工匠的手藝與技能,但我卻能透過網路分享平台,得知世界上某個角落創作者的自身心路歷程,並透過使用他的數位檔案,如實複製與實現真實的物件。

深度數位化的今日的社會,我們早已習慣於數位檔案無限複製與分享的生活型態,若再加上 3D列印機等數位機工具的出現,我們將發現「原子的作用越來越像位元」,原子儼然已經成為了新位元,換句話說,而數位檔案可以編修與輸出型態,間接讓電腦程式以處理位元的方式處理原子,促成了「混搭」(remix)文化5

從另一個角度來看,這種數位檔案編修的混搭文化,讓線上的創客社群成為製造參與、消費與產製的新空間形態,社群中的個體在創造屬於自己的作品外,還能在平台中交換知識與資源,使當代的創新設計與製造實踐,已逐漸呈現一種「混合在線與離線製造」的新風貌6

將聲紋轉化為首飾

於此,我們再來談談一個創作型態:Soundwave Jewellery,這是家由加拿大的金工創作者 Danielle Crampsie 所創建的公司。提供服務,將顧客的聲波視覺化、轉刻在各種首飾之上,形塑一種個人化的穿戴式配件。

Soundwave Jewellery 的作品非常特別,除了美觀之外,顧客對於首飾上的紋路(也就是聲波)會產生高度認同感,因為這些圖形不是別的,是自己或可能是與自己關係密切的人(事、物)所說的話(或發出的聲音)。Soundwave Jewellery 提供給顧客一個非常寶貴的價值,這種價值是如同旅人與紀念品,是以保存回憶,而提高物件的珍貴度所產生的,這種物件與回憶的微妙連結,使人與物件,人與回憶的關係長久持續7

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Soundwave Jewelry作品,摘自soundwavejewellery.com

Soundwave Jewellery 的工藝品表現精緻,若自己也想擁有,但買不下去,可以買一塊 3mm 至 5mm 的壓克力板,找一台筆電、一台雷射切割機來試看看接下來的步驟:

  1. 將聲音數位化
    我們所看到聲音的波形,是一種將無形化為有形的視覺表現;若要將創作的本體:「聲音」,進行型態的捕捉,在今日非常容易執行,只要運用手邊的行動電話,以各種錄製聲音的App進行錄音即可。這種類型的App往往都可以儲存wav, mp3等格式之音訊檔案,聲音錄製好之後,可用自己熟悉的方式,將聲音檔案從手機傳到電腦(雲端硬碟、藍芽、儲存卡等等均可)。

摘自作者SAMSUNG S7行動電話內建之錄音App截圖

  1. 將聲音數位檔視覺化
    前一個步驟所得到的數位聲音檔,並非視覺化的聲音波形圖,因此,若要進行聲波形態的編輯與輸出,則要將其視覺化。在網路上搜尋了許多方法後,可發現由設計師 MishaHeesakkers 所開發的線上服務:Waveformer ,是最理想的方案。Waveformer是一個可提供使用者上傳聲音檔案(諸如mp3與wav檔均可上傳),並將其聲音波形轉為向量檔案(svg格式)的網站,下載之後的向量檔案將可供繪圖軟體進行編輯。

Waveformer網站截圖,摘自https://www.misha.studio/waveformer/

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  1. 檔案編修與運用數位自造機工具輸出實體
    下載後的 svg 檔案可以透過向量圖行編輯軟體(像是Adobe Illustrator)進行編輯,修改成為自己喜愛的個人特色聲波圖後,就可以運用雷射切割機進行輸出。

雷射切割完成之壓克力吊牌,作者拍攝

用類比型態詮釋數位非線性剪輯特性

日本產品設計師與電子藝術家 Yuri Suzuki,擅長運用不同媒材探討聲音與人的關係。Yuri Suzuki 跟許多人一樣,在數位洪流中對類比時代聲音形式的消逝感到困惑,因此,他透過作品 The Physical Value of Sound ,針對數位時代中「聲音的型態」進行提問8。The Physical Value of Sound 運用黑膠唱片與唱機的重新衍繹,像是拆解黑膠唱盤軌道重新連接,或是多個唱臂同時讀取不同音軌且同時播放,都是一種用類比型態詮釋非線性剪輯的一種方式,讓類比音樂模式也能有數位化的編輯特性,十分有趣。

日本慶應義塾大學環境情報學部教授田中浩也,曾提到的數位製造中的概念循環:在進行數位製造的過程當中,「物品」(Prototype),「事件(或故事)」(Story),「體驗」(Experience)三個內涵元素彼此會進行循環,而這樣的過程當中,建構了 FabLab(Fabrication Laboratory)運作的主要概念。

此圖原出自FabLife:衍生自數位製造的「製作技術的未來」(FabLife:デジタルファブリケーションから生まれる「つくりかたの未来」,作者:田中浩也 ,譯者:許郁文,出版社:馥林文化)一書,其中Experience原譯為「詞彙」,作者閱讀前後文,認為修正Experience譯為「體驗」較佳。

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換句話說,這呼應到了本文最前面所談及的自造者的創作型態:數位自造概念起始於製造者有了需求與想像,接著便開始動手進行製造(將意念轉為位元,將位元(資訊)轉化為原子(物質)),最後,將成品進行公開交流討論與分享。如此一來,新的成品將不斷被製造出來(透過成品與數位檔案的再次分享),而成品的使用又產生經驗,而這種經驗在使用、分享甚至進化改良的過程中,又形成故事,如此一來,整個數位自造的過程便如同循環一樣,一直反覆下去9

藝術家動手將思想與創意,無中生有地產出實體作品,其實也是一種古老的創客。當代的許多新媒體藝術家,亦早已運用數位機工具進行創作,臺灣年度自造者盛會 Maker Faire Taipei,去年(2017年)甚至首次出現以「創客藝術」為主題的展覽特區,綻放出自造運動的當代新美學。

數位時代,創作者的意念已可透過技術的標準化,無縫傳達給他人,這種虛實整合提供了一種新的思維模式,讓創作者的「製造者身份」被概念化為一種數位媒介下的製造實踐主義(maktivism)、DIY公民10。總體而言,數位時代中,由於技術的標準化,創作的概念形變為線上技術服務、電子原始檔案、多媒體教學文件、並於線上群組進行分享(如下圖),這都已是當代的一種創作生態,這是一種不斷運用「眾人的智慧」的共生形式。

創客創作的分享型態,摘自:曾靖越.(2017)。位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

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註:本文結構與內容延伸自 – 曾靖越(2017)。 位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

  1. 田中浩也(2013)。 FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 20-21). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業。
  2. Hatch, M. (2015). 全世界在瘋什麼自造者運動? 解放創新思維,動手打造未來新世界 (張嚴心, Trans.) ( 21): 臉譜出版;家庭傳媒城邦分公司發行.
  3. 田中浩也. (2013). FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 16). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業.
  4. 原文作者: Jeremy S Cook, 6 Common Problems to Avoid When Building a Strandbeest, 譯: 劉允中, 摘自:
  5. Anderson, C. (2013). 自造者時代 啟動人人製造的第三次工業革命 (連育德, Trans.) ( 107-110): 天下遠見出版公司.
  6. 邱誌勇(2016). 實體與虛擬的並置參與:當代自造者運動的社群集結與想像. 考古人類學刊(85), 83-107. doi:6152/jaa.2016.12.0004
  7. 賴彥均(2007). 紀念品:旅遊回憶的保存與觸發. (碩士論文), 國立交通大學, 新竹市.
  8. 該作品創作理念請見:
  9. 田中浩也(2013)。FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 60)。 臺北市: 泰電電業。
  10. 邱誌勇(2016-07-26)。創客運動 實踐科技空間的虛擬性.

本文轉自 nmlab《如何運用大眾的智慧打造仿生獸與聲紋吊飾

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia