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見證奇蹟的幕後— 科學魔法術背後的秘密

科學月刊_96
・2012/04/30 ・5107字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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科學魔術背後的原理,除有助於了解我們在觀看魔術時大腦運作的機制,也可驗證日常所學的科學原理與知識在魔術表演時所扮演的角色。

李偉俊

台灣近幾年所掀起的魔術風潮共計有兩波,第一波為大衛‧考伯菲(David Copperfield)的大型拉斯維加斯式的舞台魔術秀(如穿越萬里長城與消失的自由女神像),第二波則為各大電視台的綜藝性節目所掀起的魔術秀風潮,也成功造就了如劉謙等專業魔術表演者,由台灣紅遍到全亞洲地區,而魔術究竟有什麼魔力讓人如此為之著迷?是因為魔術師真的有特殊的魔力還有法術嗎?一個專業的魔術表演的背後隱藏了什麼科學原理與因素,導致觀眾眼前發生了一種無法以常理或邏輯判斷的結果而感到驚奇與有趣。本文即為探討一些近距離魔術背後所蘊藏的科學原理。

魔術的源起

魔術,一種距今四千多年前源自古埃及時代的戲法或幻術,其定義有狹義與廣義之分。狹義的定義為以特殊的技巧、手法和設備,營造產生出觀賞者的錯覺和認知偏誤,以達到娛樂觀眾並使他們覺得很不可思議的一種表演藝術;而廣義的定義為以各種的專業手法或技巧,讓人們覺得歡樂高興且覺得很不可思議的一種活動或表演。本文主要探討的不是魔術師慣用的熟練手法和道具設備所呈現的娛樂效果,而是一些有運用到科學原理的魔術,並探討其隱藏於魔術背後的科學原理與科學知識。其所涉及的科學原理如物理、數學和人體生心理學等的層面,亦將透過實際舉例來說明與驗證。

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魔術的基本效果

依據美國魔術師達瑞爾‧費茲奇(Dariel Fitzkee)在其著作《魔術腦》(The Trick Brain)首將魔術區分為十九種基本效果:(一)變出術(production)、(二)反自然物理現象(physical anomaly)、(三)變去術(vanish)、(四)使觀眾失敗(spectator failure)、(五)易位術(transportation)、(六)控制術(control)、(七)變形術(transformation)、(八)辨認術(identification)、(九)穿透術(penetration)、(十)讀心術(thought reading)、(十一)破壞還原術(restoration)、(十二)他心通術(thought transference)、(十三)自動術(animation)、(十四)預言術(prediction)、(十五)反地心引力術(anti-gravity)、(十六)第六感術(extra-sensory perception)、(十七)同時共鳴術(sympathetic reaction)、(十八)特技術(s k i l l )、(十九)不能傷害術(invulnerability)。

其中直接涉及物理的為「反自然物理現象」,例如將物體(人或物)懸空或易位,以及「反地心引力術」,例如魔術師能飄浮或輕鬆做出反地心引力的動作等。這兩種魔術效果的呈現,主要是先從引導觀眾的認知錯覺開始,然後再搭配一些能讓觀眾大腦視覺產生錯覺的手法,如以透明的細線加上障眼法,讓眼前的觀眾其大腦認知與視覺均產生錯覺而成,可以說是相當高段的手法與設計,這是從魔術道具的設計與從觀眾的觀賞角度所思維的一種魔術表演程序。

總之,進行魔術表演時將會同時蘊藏兩種心理思維面向,一種是從觀賞魔術表演觀眾的思維面向,通常為邏輯性與線性的思維模式,以致於在發生與常理不同的現象時(違反邏輯或科學原理),觀眾會感到驚奇與不可思議;另一種則是魔術師本身對魔術程序安排和進行魔術動作的思維面向,其實是一種後設性思考(meta-thinking)的心理思維,例如要騙過觀眾的眼睛,其表演動作要迅雷不及掩耳並採用障眼法或道具遮掩等手法的魔術程序思考,以及上述所言的錯覺引導或是迷思導引也是一種後設性思考的思維表現,以造成魔術(或稱之為魔幻術)的表演效果。

專業魔術與科學魔法術的異同

由於許多專業的魔術師手法與道具的設計相當複雜,且有其職業機密和道德規範,無法一一細數與詳細解說其背後魔術原理,在此將以本人所會與常運用的「科學魔法術」(Science Magic Tricks)為例,並一一說明其隱藏其背後的科學原理。首先要特別說明的是,本文所言的魔術表演效果,與運用科學原理所展現的科學魔法術有所差異,專業的魔術表演強調的是魔術工作者的表演魅力和舞台效果,常會利用人類認知與視覺錯覺等認知神經科學的限制來呈現,且觀眾無法理解與進行複製;而本文所稱之科學魔法術強調的是科學原理的運用與辨識真偽科學的能力,觀眾若能掌握與理解其科學原理或要點,便可複製與成功表現,且其所展現的魔術效果與專業魔術是相當的。以下就舉四個例子,說明科學魔法術的魔術表現型式與隱藏其背後的科學原理。

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示例一:魔戒套鍊之控制術

1.道具:30~40 公分之長珠鍊、內徑3公分白鐵環一只。

圖一:將鐵環由下向上穿過珠鍊至手掌下方。

 

圖二:鐵環以自由落體方式落下後,受珠鍊裹繞後纏住。

2.呈現手法:左手虎口張開將珠練由內展開放至手指中段,右手持鐵環由下向上將珠鍊放至鐵環當中(圖一),兩手相近時,將右手鐵環順勢落下,珠鍊將白鐵環纏住,完成表演(圖二)。

3.其所運用的科學原理,計有位能與動能能量轉換、自由落體、能量守恆定律、摩擦力、旋轉動量。其中最關鍵的地方為旋轉動量,因此在表現這個科學魔法術時,應思考如何將白鐵環在落下時能在空中進行轉動(圖三)。旁人在觀看這個表演時,是看不清楚白鐵環是有轉動的;等到看到時,白鐵環已被珠鍊纏住,形成令人感到驚奇與不可思議的魔術效果。

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圖三:白鐵環能纏住的祕訣,在於落下時於空中能「轉動」。

此時不明白的觀眾,如果依樣畫葫蘆表演,但卻不明白其所牽涉的科學原理,大多數將會使白鐵環直接落地,無法被珠鍊纏住。主要原因乃是,白鐵環沒有在空中進行轉動之故。因此本科學魔法術的秘訣是以虎口平放白鐵環時,在白鐵環欲落下之時,持環的中指應稍稍突出於食指下方,當白鐵環落下時自然就會碰到中指的指尖,便造成白鐵環能在空中旋轉的現象,順利完成此魔術表演與效果。

示例二:橡皮筋之穿透術

1.道具:兩條橡皮筋。

2.呈現手法:將兩條橡皮筋,在觀眾眼前呈現其一前一後(圖四),任其仔細檢查其配置。然後透過表演者快速的手法,呈現橡皮筋穿透另一橡皮筋出來的效果,完成此魔術表演(圖五)。

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圖四:兩條橡皮筋呈現前後交疊的現況並向外拉扯證明。

 

圖五:經過快速的手法,橡皮筋自另一橡皮筋穿透出來了。

3.這個魔法術所牽涉與運用的科學原理,有包括橡皮筋的彈力和視覺錯覺(即視覺暫留現象)。它是一個相當經典的魔術表演,表演過的專業魔術師,知名者如美國的大衛考柏菲,以及台灣的劉謙等。尤其是在2009 年在中國大陸春節晚會的開場魔術表演秀時,由劉謙與兩位大陸觀眾所合作表演的近距離橡皮筋魔術,便是這個表演並造成網路討論的風潮。劉謙本人也相當推崇此一魔術,因其運用了生活中隨時可方便取得的橡皮筋。

但說穿了,這是一個以魔術師快速的手法,和運用觀眾在視覺錯覺上的魔術表演,關鍵在於,表演者的手法要能不著痕跡的欺騙觀眾的視覺。其實這是一種魔術師常用的手法,尤其是空手在空中漂亮出牌或瞬間變出鴿子等表現手法均屬之,也就是要在1/18~1/24 秒內完成,才不會漏出破綻,並讓觀眾產生視覺錯覺。

而什麼是「視覺暫留」呢?視覺暫留現象乃是由比利時物理學家尤瑟夫‧普拉托(Joseph Plateau)於1835年時在觀察太陽的實驗中所發現的。簡單的現象原理解釋是:當物體在快速運

動時,人眼所看到的影像消失後,人眼仍能繼續保留其約0.1~0.4 秒左右的圖像影像。人眼在觀看物體時,成像於視網膜上,並由視神經輸入人腦便能感覺到物體的像,但當物體移去時,視神經對物體的印象是不會立即消失,而是會有持續0.1~0.4 秒的時間;魔術師的很多手法便是運用人眼的這種被稱為「眼睛的視覺暫留」特性,來達到欺騙觀賞者大腦與眼睛並達到視覺錯覺的現象之魔術效果。因此如果手法不夠快或太慢,就會看出此魔術的秘密,當然橡皮筋本身彈性與彈力的運用,也是搭配此演出的重要關鍵之一。

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示例三:賽德克巴萊之反地心引力魔法術

圖六:20 元硬幣正面的莫那魯道肖像。

1.道具:鐵製衣架一支、一枚或數枚20元硬幣(上有莫那魯道肖像,圖六)。

圖七:將硬幣置於衣架頭上方。

2.呈現手法:將鐵製衣架由中間向外拉開,形成菱形,然後調整掛勾處的尖端與菱形端點形成一直線。將衣架上的橡膠頭用美工刀修平後,即完成準備工作。表演時,由表演者將20 元硬幣小心放到衣架頭(圖七,此時可請觀眾協助以確認硬幣上和衣架頭上沒有任何的機關與接著劑),表演者以食指轉動衣架和硬幣數圈後在觀眾的驚呼聲中,順勢停止(圖八),只見硬幣依然在其上紋風不動,此時可輕抖衣架或以口吹讓硬幣自然落下,以表示硬幣和衣架頭的接觸點處上沒有任何黏著或機關,完成此科學魔法術的表演。

3.本表演所運用的科學原理,乃牛頓第一及第二運動定律。當硬幣在衣架上旋轉數十圈而不墜的科學原理為牛頓第二運動定律,此時表演者的施力要一致且旋轉速度不可忽快忽慢,不然硬幣會有偏力產生,而造成沿旋轉運動的切線方向飛出以致表演失敗;另一個表演關鍵為將硬幣旋轉後停止,表演者要能事先覺知到牛頓第一運動定律的慣性作用,在欲停止時,能預先做出抵制與緩衝的動作,如此將可完美的呈現此一科學魔法術。本魔法術還有進階的表現方法,為將數枚硬幣堆疊其上並旋轉不墜,本人曾嘗試成功以三枚20 元硬幣完成此魔法術。

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圖八:以食指轉動衣架數圈後停止,硬幣依然能保持不墜。

以上為本人所設計的科學魔法術的三個示例,此外本人也設計了茶包天燈魔法術(熱對流原理)、奇音響杯魔法術(聲音傳導原理)、轉不停釋迦陀螺魔法術(電磁學原理)、氫氣槍與酒精槍魔法術(低碳能源概念)、光碟氣墊船魔法術(作用力與反作用力原理),以及吸管穿透魔法術(拓撲學原理)等。基於數學是科學之母,以下將接著介紹一種運用數學原理的科學魔法術。

 

示例四:數字卡之讀心術

1.道具:六張數字卡(圖九)。

2.呈現手法:表演者先請觀眾心中決定一個介於1~60 的數字,或是請其將之寫入一張紙片中,並折疊收好。隨後,表演者取出先預備好的數字卡,一一請觀眾檢視其心中所決定的數字有無出現於卡片中。在觀眾檢視完畢後,表演者便可馬上說出觀眾心中所想的數字,完成此讀心術的表演。

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圖九:表演者進行「讀心術」表演所使用之數字卡。

3.此數學魔法術所涉及的數學原理,其實是數學二進位的數字規則運用。數字規則如表一所示,了解此數字規則後,以共同擁有的數字排列組合,設計出六張5× 6(如上述道具數字卡)的卡片,便可透過各數字卡有或沒有(二進位規則)來知道其心中所想的數字。

表一:數字卡之讀心術的數字規則

※根據以上數字的規律,將分別以含有1 、2 、4 、8 、16 、32 為首的元素所代表的數字依序填入5 × 6 的數字方格中便可完成六張數字卡片。 ※請觀眾要誠實說出有或沒有存在的數字卡後,將有出現的數字卡的字首數字加總即得其心中所想數字。

科普教育的三化思維

「生活處處是科學、科學可以變魔法」,本人從事大眾科學教育十餘年來,得到許多前輩學者專家的提攜與相關同好者的研討交流,以致於研發了許多科學魔法術,並於台東縣台糖文創園區內創設全國第一所非營利組織的美塔魔法學校(Meta Magic School)。此學校的創辦並非以教導魔術為目的,而是以透過科學魔法術的表演,吸引學習者或觀眾對科學魔法術的興趣與欲主動探究其科學原理的動機,達到「科學魔法只是手段、科學教育才是目的」的科普教育理念,以全面和大力推展生活中的科學普及教育與大眾科學教育,並讓大眾能了解科學中的生活性與趣味性,藉以達到全民科學普及化、樂趣化、生活化的三化思維取向的科學教育目標,這也是本人所創立的「美塔學」理論中的「美」(即良善美好)以及「塔」(升高察思與創意展現)的主要體現。

因此在每一個完美表演的科學魔法術背後之設計與表現,其實就是魔術表演者基於「美塔思考」(Meta thinking)下的思維產物。因為魔術表演帶來驚奇與歡樂(也就是美塔的「美」意)以及所呈現魔術效果不可思議性和創意(也就是美塔的「塔」意)。總之,好的魔術表演是會使人著迷與讚嘆的,除了愉悅大眾的功能外,若能將之多方面運用到教育推廣的功能上(如科普教育推廣與活動),將會有意想不到的效果。(本文圖片由作者提供)

李偉俊:任教台東大學教育學系

原發表於科學月刊第四十三卷第四期

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科學月刊_96
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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

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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從昏迷到死亡錯覺:摩托車事故後的科塔爾症候群——《大腦獵奇偵探社》
行路出版_96
・2024/08/24 ・3933字 ・閱讀時間約 8 分鐘

摩托車事故後的幻覺

一九八九年十月,二十八歲的股票經紀人,姑且稱之為威爾(Will),發生了嚴重的摩托車意外。他腦部受到重創,陷入昏迷,雖然幾天後恢復意識,但他在醫院裡住了好幾個月,治療腦傷以及其他損傷引起的感染。

到了隔年一月,威爾的復原情況非常良好,已經可準備出院。他的身上有些問題永遠好不了,例如右腿行動困難以及喪失部分視覺。但是最困擾他的問題發生在他的腦袋裡:他相當確定自己已經死了。威爾的母親為了幫助兒子早日康復,帶他去南非度假。但南非的炎熱讓威爾相信這個地方就是(真正的)地獄,因此更加確定自己必定是個死人。母親難以置信地問他是怎麼死的,他說了幾個可能的死因。有可能是血液感染(這是治療初期的風險),也有可能是他之前打黃熱病疫苗之後的併發症。此外他也提出自己可能死於愛滋病,雖然他沒有感染 HIV 病毒或愛滋病的任何跡象。

威爾康復出院,但堅信自己已經死亡。連他母親帶他去南非度假,都被他認為自己身在地獄。 圖/envato

有一種強烈的感覺纏上威爾,揮之不去─他覺得身旁所有東西都……這麼說好了……不是真的。車禍前熟悉的人和地方,他現在都不太認得,所以他愈發覺得自己住在一個奇怪又陌生的世界。連母親都不像真的母親。其實在南非度假的時候,威爾就曾這麼說過。他認為真正的母親在家裡睡覺,是她的靈魂陪伴他遊歷陰間。

喪失現實感:大腦如何捏造非理性的死亡解釋

四十六歲的茱莉亞(Julia)有嚴重的雙相情緒障礙症(bipolar disorder),入院時她相信自己的大腦和內臟都已消失。她覺得她早已不存在,只剩下一副空殼般的軀體。她的「自我」消失了,所以她(無論從哪個意義上看來都)是個死人。她不敢泡澡也不敢淋浴,因為怕自己空空如也的身體會滑進排水孔流走。

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三十五歲的凱文(Kevin)憂鬱的情況愈來愈嚴重,幾個月之後,腦海中的念頭漸漸演變成妄想。一開始,他懷疑家人正在密謀要對付他。接著,他認為自己已經死了,也已經下地獄,只是身體仍在人間。現在這副身體是空殼,裡面一滴血液也沒有。為了證明自己的想法沒錯,他從岳母家的廚房裡拿了一把刀,反覆戳刺手臂。他的家人明智地叫了救護車,將他送進醫院。

科塔爾症候群患者的大腦顯然有問題。發病之前,通常發生過嚴重的神經系統事故(中風、腫瘤、腦傷等等),或出現精神疾病(憂鬱症、雙相情緒障礙症、思覺失調症等等)。不過這些情況導致科塔爾症候群仍屬少見,神經科學家尚未找到明確原因,可以解釋科塔爾症候群患者的大腦為何如此與眾不同。再加上每個患者的症狀都不太一樣,判斷起來更加困難。話雖如此,有些共同症狀或許能提供蛛絲馬跡,幫助我們了解這種症候群。

科塔爾症候群的患者經常說,他們身處的世界莫名其妙變得很陌生。多數人看到自己曾邂逅多次的人事物時,大腦都能點燃辨認的火花,但這件事不會發生在科塔爾症候群的患者身上。舉例來說,患者可能認得母親的臉,但就是莫名的感到陌生。她似乎缺乏某種無形──但重要的─個人特質,所以患者即使看到這個生命中最重要的人,卻無法產生預期中的的情感反應。

患者也可能會有疏離感,彷彿自己是這世界的旁觀者,而不是參與者。術語叫做人格解離(depersonalization)。此外,周遭的一切都散發超現實的氣氛,讓患者相信自己生活在擬真的夢境裡─這是一種叫做喪失現實感(derealization,亦稱失實症)的症狀。科塔爾症候群患者體驗到的陌生感、人格解離、喪失現實感,都會嚴重扭曲他們眼中的現實世界。不難想像這會讓大腦難以負荷。

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大腦碰到如此矛盾的情況會拚命尋找原因。對大腦來說,能夠合理解釋各種生活事件是非常重要的。若找不到合理的解釋,世界很快就會變成無法預測、無法理解,最終變得無法忍受。因此為了清楚解釋所經歷的事情,大腦會無所不用其極。如果在經驗裡出現大腦難以合理解釋的元素,它會退而求其次:自己捏造合理的答案。

每個人的大腦都會這麼做,而且隨時隨地都在做,只是我們察覺不到。例如有研究發現,我們每天做的決定不計其數─從什麼時間吃點心,到要跟誰出去約會──但我們做這些決定時總是不假思索。我們好像大部分的時間都處於自動駕駛模式。可是每當有人問我們為什麼做這樣的決定時,大腦幾乎總能想出好答案來合理化我們的選擇。但有時候,它想出來的答案完全不合理。

有一項研究讓男女受試者看兩名女性的照片,請他們選出比較好看的那位。受試者做出決定之後,研究人員隨即將照片放在他們面前,要他們解釋為什麼選這個人。但受試者不知道的是,研究人員會偷偷調換照片(占比約二十%),要受試者解釋自己為什麼挑中這個(他們明明沒挑中的)人。大多數受試者都沒有識破研究人員的詭計。他們通常不會質疑照片上的人不是自己選的那個,而是當場想出合理的答案,說明為什麼覺得眼前照片上的人比較好看,例如「她看起來很辣」,或是「我覺得她比較有個性」(兩張照片差異甚大,所以受試者不是單純的認錯人)。

這種非刻意的捏造叫做虛談(confabulation),大腦做這件事的頻率比你以為的更高。虛談的原因可能有百百種,但這似乎是大腦遇到自己無法明確解釋的事件時,會使用的策略。神經科學家相信,科塔爾症候群患者的大腦也做了類似的事情。從這個角度來說,科塔爾症候群的起點,是前面提過的幾種狀況(例如創傷、腫瘤等等)導致大腦功能異常。

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大腦合理性檢查機制失靈

大腦功能異常導致現實感喪失與人格解離,進而使患者覺得周遭的一切很陌生,欠缺他們預期中的「真實感」。於是患者的大腦努力理解這樣的經驗,瘋狂尋找合理的解釋。基於不明原因,科塔爾症候群患者容易把注意力轉向內在,認為如果外在經驗不對勁,毛病可能出在自己身上。

結果基於某些更加不明的原因,大腦找到的解釋是他們已經死了、正在腐爛、被邪靈附體,或其他稀奇古怪的、與存在有關的原因。這一連串環環相扣的假設聽起來有點誇張。畢竟,喪失現實感這樣的症狀沒那麼少見;很多人(某些估計高達七十五%)會有類似的─但非常短暫的─喪失現實感的經驗。但有這種經驗的人,幾乎都不會認為自己已經死了。

顯然,科塔爾症候群患者的大腦裡還發生了別的事情。神經科學家相信,或許是重要的合理性檢查機制(plausibility-checking mechanism)沒有發揮作用。大腦偶爾會錯誤解讀生活裡發生的事,但我們通常不會想出一個明顯不合理的解釋。

或許是因為大腦錯誤解讀現實,讓科塔爾症患者對現實理解出現錯覺。 圖/envato

大腦似乎有一套用來評估邏輯的機制,確保我們的邏輯可以通過合理性的檢驗。在多數有過喪失現實感或人格解離等症狀的人身上,這套合理性檢查機制能使他們立刻否決「我感覺到自己脫離現實,是因為我已經死了」的想法;大腦認為這個提議很荒唐,很可能再也不會想起它。但是在科塔爾症候群的患者身上,這套合理性檢查機制顯然壞掉了。大腦將脫離現實的感覺歸因於他們已經死了,這個想法不知為何保留了下來,而大腦也認為這個解釋站得住腳。於是在其他人眼中絕對是妄想的念頭,成了他們深信不移的答案。

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醫生在為科塔爾症候群患者(以及後面會介紹的另外幾種行為古怪的精神障礙患者)尋找腦部損傷時,經常發現腦傷位於右腦。神經科學家因此假設合理性檢查機制位於右腦。大腦分為兩半,叫做大腦半球(cerebral hemispheres)。左腦半球和右腦半球的劃分簡單有力,因為有一道裂縫將大腦一分為二。乍看之下,左右兩邊一模一樣,但受過訓練的神經科學家用肉眼就能看出兩者並非完全對稱。透過顯微鏡觀察,差異更加顯著。因此左腦與右腦的功能有差異或許不足為奇。

長期以來,一直有人拿這些差異做文章,用錯誤的方式來解讀左腦和右腦的不同,以偏概全又過於誇大。例如斬釘截鐵地說,有些人較常使用右腦,也就是「右腦人」,所以擅長創意思考,「左腦人」則比較有邏輯。這是大家耳熟能詳的觀念,但神經科學家認為這只是迷思。實際上,我們使用大腦時不會特別偏左或偏右,而是完整使用兩個半腦。不過有些功能(例如語言的某些能力)會比較依賴某一個大腦半球。所以科塔爾症候群與右腦損傷有關的假設,並非全然不可能。

但科塔爾症候群(可能也包括合理性檢查機制)與右腦的關聯性依然只是假設,只不過許多(但不是所有)神經科學家深入研究過的科塔爾症候群案例,都支持這項觀察結果。無論合理性檢查機制確切位於何處,但在推演患者如何發展出科塔爾症候群的通用模型中,這個假設的機制扮演著重要角色。首先,大腦功能異常造成疏離症狀,例如喪失現實感與人格解離。大腦出於習慣,會先試著為眼前的情況找答案。問題是,仔細檢查並淘汰不合理答案的能力也受損了,於是大腦只好捏造稀奇古怪的答案,告訴自己身體已經死了(或是邪靈附體、正在腐爛等等),而且不會因為這個答案不合理而淘汰它。

有人認為,這種階段性的妄想形成過程也適用於另一些妄想症。這些妄想症的症狀也很古怪,不亞於科塔爾症候群。

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——本文摘自《大腦獵奇偵探社:狼人、截肢癖、多重人格到集體中邪,100個讓你洞察人性的不思議腦科學案例》,2024 年 7 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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她堅信自己已死:中風婦人的幻覺揭開科塔爾症候群的面紗——《大腦獵奇偵探社》
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・2024/08/22 ・2792字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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海爾妲的中風與奇異妄想

十八世紀末,七十歲的丹麥婦人海爾妲(Hilde)正在家中煮飯時,大腦突然缺血,情況不妙。海爾妲運氣很差,因為人類的腦細胞對缺血的耐受度近乎於零。少了血液,神經元(大腦裡的主要細胞)很快就會缺少氧與葡萄糖等必需物質;神經元會在短短幾分鐘內開始死去。若持續缺血,神經元會以驚人的速度消亡──每分鐘死掉將近兩百萬個。這一分鐘內消亡的神經纖維長度可達約十二公里(神經纖維是神經元向外延伸的軸突,負責在細胞之間傳遞訊號)。 簡言之,缺血會摧毀大腦。這種可怕的情況叫做中風,海爾妲中風了,她因此陷入昏迷。

海爾妲的案例細節來自一篇發表於一七八八年的科學論文。這篇論文沒有提到海爾妲的家人對她昏迷四天後醒來做何反應,但可以想見他們應該如釋重負。不過聽到海爾妲堅稱自己是死人,剛剛放下心中大石他們大概再次遭受暴擊。請注意,海爾妲說的不是她有瀕死經驗──看見隧道盡頭的那道光,最後一刻又被拉回人間──不是,她在與家人交談的時候說自己不是活人。

海爾妲並非是因為經歷過頻死經驗,才認定自己已死,而是談話時說自己不是活人。 圖/envato

我們是透過十八世紀瑞士科學家查爾斯.邦納(Charles Bonnet)的文章認識海爾妲的。 邦納是專業律師,但如同那個年代大部分的天才人物,他涉獵多個不同領域,決定投入科學研究就像我們現在決定追新劇一樣輕鬆隨意。令人驚訝的是,儘管態度輕鬆隨意,他的研究可是成果豐碩。

例如,邦納記錄了蚜蟲的無性繁殖過程,率先證實性別不是繁殖的先決條件(園丁都很熟悉也很討厭這種惱人的小蟲子)。他的其他昆蟲學研究,也為發現昆蟲如何呼吸提供重要助力。後來他的興趣轉向植物學,他的研究為後來發現二氧化碳與氧經由葉子進出植物奠定了基礎。以一個沒受過正式科學訓練、研究科學僅是嗜好的人來說,他還算厲害。

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我們運氣不錯,因為邦納也對異常的人類行為有興趣,例如海爾妲。老實說,海爾妲不是她的真名。也有可能是。邦納在描述她的情況時從未提到她的名字。如同科學文獻裡的許多醫學案例,邦納沒有寫下海爾妲的真名大概是為了保護她的隱私。我在此用這個常見的丹麥名字,方便我們討論她。

海爾妲中風之前,心理健康不曾出過大問題,所以她的奇特行為更加令人費解。家人想說服她相信自己並不是死人,畢竟她正好好坐在那兒跟大家講話。她康復了,這應該是對生命心懷感恩的時刻。但海爾妲一點也不開心。她變得暴躁易怒,責怪家人沒有為她舉辦告別式,實在太不像話。她要求家人幫她換裝,把她放進棺材裡,舉辦一場配合她身分地位的葬禮。

大家都希望海爾妲的幻覺會漸漸消失,但她的堅持有增無減,還開始口出威脅。似乎只有順從她的意願才能真正安撫她。她的家人半推半就地同意了。他們用裹屍布包裹她(十八世紀的丹麥顯然流行使用裹屍布),假裝正在為她安排葬禮。海爾妲對裹屍布的包法百般挑剔,用老師的嚴格口吻抱怨裹屍布不夠潔白,最後她終於安穩躺下、漸漸入睡。

家人為她脫掉裹屍布,把她挪到床上,希望這場鬧劇可以到此為止。沒想到海爾妲醒來之後依然故我,立刻堅持自己必須下葬。家人不願意真的把海爾妲埋進土裡(即使只是為了安撫這位吵鬧不休的病人,他們也不肯假裝將她下葬),所以他們只剩一條路可走:等待這奇怪的幻覺自動消失。

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後來幻覺真的消失了──可惜只是暫時的。每隔幾個月,幻覺就會從頭再來一遍,海爾妲深信她已經死了,不明白為什麼只有她看清這個事實。

海爾妲在認知現狀時,對於自己是「已死」的狀態深信不疑。 圖/envato

科塔爾症候群:明明活著,卻堅稱自己死了?

在邦納記錄這個事件之前,科學文獻裡沒有出現過海爾妲這樣的案例。但在那之後,科學文獻收錄了許多類似案例。由於類似案例夠多,我們可以相信海爾妲不是神經學上的偶發特例,這是一種症狀明確的神經疾病,而且症狀或可預測。這種疾病非常罕見,很難預估可靠的發生頻率,但沒有罕見到無人知曉,它的名字是:科塔爾症候群(Cotard’s syndrome)

病名源自法國神經學家朱爾斯.科塔爾(Jules Cotard),他生活於十九世紀下半葉。一八七四年,科塔爾在巴黎近郊的一個小鎮工作,碰到一名患者說自己沒有腦、神經和腸子。她宣稱自己不需要吃東西也能活著,而且感覺不到疼痛。關於疼痛的部分似乎可信:科塔爾的文字紀錄說他「把大頭針深深刺進」她的皮膚裡,她卻毫無反應(和現在相比,十九世紀的醫生不用太擔心醫療糾紛)。

科塔爾稱這位病患為 X 小姐,她的情況不是相信自己是死人,而是認為自己處於某種中間狀態──既非生,亦非死。她擔心自己會永遠困在這種不明不白的狀態裡,所以渴望真的死去。她認為只有活活燒死──雖然缺少有力的證據──才能讓她得到真正的死亡。她試著自己動手證明這個想法,所幸沒有成功。科塔爾對 X 小姐的情況很感興趣,他查找過去有沒有類似案例,沒想到居然找到好幾個。有人說自己正在慢慢腐爛,有人說自己沒有血液或是沒有身體,還有人被拋進永恆的虛無裡,或是處於某種存在的分歧狀態。

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科塔爾認為,他們的症狀屬於同一類疾病。他稱之為否認妄想(délire de negations)。妄想指的當然是患者對明顯虛假的事情深信不疑,科塔爾用否認一詞來形容這些病患最顯著的特徵:他們否認自己擁有(對多數人來說)生存不可或缺的東西。

科塔爾過世幾年後,另一位科學家在寫到否認妄想時,稱這種疾病為科塔爾症候群。從那之後,這種疾病曾被稱為科塔爾症候群、科塔爾妄想症,有時也叫做活死人症候群。科學家大多避免使用「活死人」這個詞,因為自稱死亡只是科塔爾症候群的諸多表現方式之一(而且這種不科學的誇飾用語,大部分科學家一聽就尷尬),前面介紹過的幾種存在狀態反而比較常見。

科塔爾症候群還有許多其他症狀,例如冷漠、感覺變敏感或變遲鈍、感覺不到飢餓或口渴(並因此絕食或脫水)、出現幻覺、焦慮、嚴重憂鬱、自戕、有自殺傾向等,這裡列出的僅是一小部分。患者否認自身存在,這讓他們的病情聽起來像小說情節。

——本文摘自《大腦獵奇偵探社:狼人、截肢癖、多重人格到集體中邪,100個讓你洞察人性的不思議腦科學案例》,2024 年 7 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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行路為「讀書共和國」出版集團旗下新創的出版社,出版知識類且富科普或哲普內涵的書籍,科學類中尤其將長期耕耘「心理學+腦科學」領域重要、具時代意義,足以當教材的出版品。 行路臉書專頁:https://www.facebook.com/WalkPublishing