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對政府科專計畫的正確認識:回應「投資一百賠九十 經濟部科專計畫年燒142億給官方研究機構」一文

活躍星系核_96
・2012/04/28 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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文 / 張中一

在知名科普網站PANSCI上看到一篇討論經濟部科專與政府投資效益回報的討論文章。也討論到對政府科技投資的一些批評。做為一個工業技術研究院的前員工,同時也長期關注政府科專計畫的業餘研究者。我想我有必要提出一點說明。免得因為少數偏頗的觀點與別有私心導致整體國家科技研發競爭力的下滑。

在整個文章開始以前,我有必要介紹一下我的背景。方便各位瞭解一下我為何會對這問題感興趣。我是工業技術研究院資訊與通訊研究所(簡稱資通所)的前員工(工號:910212),我在2002年至2009年間於資通所N組服務。其間主要是負責網路通訊產品的開發、海外援助計畫的資訊系統規劃(國合會中南美洲資訊系統建置計畫,工研院資通所是最早的開路先鋒與凌網科技合作建置了我們好幾個友邦的e化政府系統,該系統後續也由凌網科技為了台灣的形象與外交持續不計成本維護中)、組部專利輔導(我是資通所N組的智權代表)。

我離開資通所,到西班牙的IE BUSINESS SCHOOL(www.ie.edu;2012年英國金融時報全球MBA評比第8)取得MBA學位。在西班牙期間,與Paolo Quattrone教授針對中華民國政府的法人科專計畫做過案例研究,專注於法人科專管理制度的特性與法人科專鮮為人知隱藏投資利益。回國後任職於圓剛科技(2011年03月~2011年12月)。現任職於可取國際(20122月迄今)。在圓剛任職期間,我主要負責圓剛的業界科專計畫「可上傳影音高畫質P2P Connected TV整體解決技術開發計畫:電視盒、平台與體驗技術計畫」,本計畫是2011年經濟部政策性科專計畫的獲選計畫,總金額約八千萬,獲政府補助三千餘萬。我是這個計畫的主筆人與主要規劃者之一。這個業界科專計畫能通過是圓剛全體上下努力不懈外加輔導單位工研院資通所N組努力的結果。我這樣的資歷,我想對於這篇評論我有一點說話的資格。

事實上,政府法人有許多不同屬性的組織。,很難一概而論,但我可以就我很清楚的工業技術研究院證明該文謬誤甚多。要瞭解該篇文章的問題,首先必須瞭解該文作者犯的幾個錯誤。

  1. 誤解了科專的目的。
  2. 對於法人的收入結構的認知錯誤。
  3. 對於專利對一個企業收入佔比有錯誤的認知。
  4. 對於法人機構在臺灣全球智慧競爭力的關鍵地位有惡意的扭曲。

這篇文章的作者,首先誤解了科專計畫的目的。以工研院所屬的法人科專為例,他的目的主要有進行風險性前瞻研發計畫的投資、開發業界可用的新技術、開發符合政策性需要的技術,以及培育人才。這就是為什麼,雖然技術轉移收入(後簡稱技轉收入)是法人科專計畫很重要的評量指標,但不是唯一的評量指標。以工研院為例,因為不作客製化,所以我們的心力可以全部專注在研發新技術。這很重要,因為台灣產業特性的關係,客製化佔掉很大的研發資源,包括HTC在內也無法避免。可是工研院不需要負擔這一塊,自然可以做比較新技術的研發。以我所屬的部門為例,我以前的部門同事幾乎現在全部都在聯發科或瑞昱。這兩間公司可不是傻子,不會用不好用的人才。因此用傳統的獲利概念,來看科專計畫,本身就是錯誤的角度。

再來就是法人的收入結構。法人的收入中,除了技術暨專利移轉總收入以外還有委託案及工業服務。委託案與工業服務能進行靠的就是科專計畫培養出的技術力。而委託案與工業服務佔工研院的收入也有40%或更高的地步。因此拿技轉收入當作科專計畫唯一的投資成果,這也是一個完全疏於觀照全局的比較。一個最明顯的例子是,拿2010年工研院的決算書來看。工研院總收入是195億(包含科專經費),而科專經費只有其中90億。因此拿技轉收入10億當作工研院整體產出,難免有看到光看到腿就誤以為看到了大象的毛病。

該文的兩位作者因為對於科專計畫的收入定義有所誤解,所以認為技術移轉暨專利轉移就代表工研院透過專利獲得的收入。可是這是錯誤的。該文兩位作者讚美自行車中心專利產出高達總科專投注經費80幾%。可是事實上自行車中心大部分的收入來源是技術轉移,而且總技轉金額含專利授權金額只有淒涼的6百多萬,其中屬於專利收入只有1百多萬,(我所屬的資通所N組一年的業績就要超過數億)。我真的不知道自行車中心這樣的表現有什麼好讚美的。

更重要的是,除了專利蟑螂公司以及已經失去競爭力只能靠打官司維生的公司外以外,沒有公司拿專利作為主要收入來源的。該文兩位作者拿專利收入做為研發單位表現是一個徹底錯誤的觀念。鴻海前法務長周延鵬教授就曾經指出,很多人都只看到IBM每年獲取大筆的專利授權收入,可是卻不知道這些收入連專利授權收入拿來填補這些專利研發與申請的費用都不夠。專利是很有用的競爭武器,但不是一個正常企業獲利的主要工具。

該文作者,又抨擊政府法人研發的專利成果少得可憐,又都是國內專利。坦白說我非常詫異。這篇文章是北美智權股份有限公司網頁上的專欄文章。發文者是該公司的編輯部成員。該公司宣稱是「以電子送件、管理服務的全方位的專利申請公司」。既然是一個專利申請為主的公司,應該對台灣在美國專利獲證的數量與各重要公司的比例要非常清楚才對。而2009年台灣只有兩個單位擠進美國專利申請前50名。分別是鴻海的第14名與工研院的第49名。在全球研發機構中,工研院甚至排行美國專利獲證數量的全球第1。工研院在2009年全球申請了2330個專利。我不曉得這樣的成果,該文兩篇作者是憑什麼說政府法人機構的研發專利成果少得可憐?又都是國內專利?

我是資通所智權代表之一,除了技術研發以外還負責內部專利評審的工作。基本上除了特殊案例以外,資通所的專利沒有只申請台灣案的例子。至少我沒經手過。請問該文兩位作者認定法人機構都是申請國內專利依據何在?

科專計畫不是完美無缺的,政府法人機構包含工研院在內也不是完美無缺的。都有討論的空間,可是討論要依據事實。毫無事實根據,連財務結構都弄不清楚要怎麼評論法人科專?事實上法人科專最大的問題就在於,有太多人要求要獲利要自負盈虧,導致法人機構人力越來越少,要做的雜事越來越多,反而無法專注在好的技術的發展。要求公家研究機構要有獲利與自負盈虧本來就是錯誤的觀念。美國國家衛生研究院(NIH)是美國最重要的研究機構之一,各位能想像NIH如果變成自負盈虧、卯起來賺錢的藥商,美國的生物研究會變成什麼樣嗎?、

政府的法人機構可以更有效率,但是那是建立在正確的績效評估指標、有效而兼顧長短其的評估機制、更專注於對國家長遠的利益上。錯誤的評估機制只會毀掉政府法人研究機構對國家競爭力的發展與浪擲國家經費。

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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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忘了收培養皿就去度假,回來後發現世上第一個抗生素!
賴昭正_96
・2020/12/23 ・4734字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

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「發現」是看到別人所看到的,但思考著別人所沒想到的。(Discovery is seeing what everybody else has seen, and thinking what nobody else has thought.)

 

Albert von Szent-Györgyi Nagyrápolt——1937 年諾貝爾醫學獎

科學史上那些來自「意外」的大發現

許多謮者可能覺得科學的進展是有條有理的:每年向國科會提出研究計劃,然後按部就班地完成。但事實上科學上的許多大發現可以說大都是「意外」的:例如德國理論物理學家普朗克 (Max Planck) 謂他是靠「幸運的直覺 (lucky intuition) 」而意外地敲響了量子力學革命之鐘聲!一位名不見經傳,任教於東巴基斯坦的講師玻色 (Styendra Bose) 也以一篇 1500 字的論文糊里糊塗地意外開啟了量子統計力學之大門(見「量子統計的先鋒——波思」)!

許多科學上的大發現都是「不小心」的。圖/giphy

除了上面那類「意外」外,科學上還有一種靠天幫忙的「機緣巧合幸運的意外發現」(英文稱為 serendipity )。

例如諾貝爾 (Alfred Nobel) 炸藥之發現,有一傳說是因為儲存的硝化甘油意外泄漏,與用來包裝儲存鐵桶之板狀矽藻土混合,使他想到了試用此板狀矽藻土。經實驗後,他發現兩者相混之固體不但安全可靠(硝化甘油為液體,非常不穩定,一不小心就爆炸),而且還可保持原有之爆炸威力──這不正是他研究甚久而未能找到的「穩定炸藥」嗎(見「量子統計的誕生」)?!

醫學上這類的幸運發現更是層出不窮。例如 1889 年,為了瞭解胰臟的功能,法國兩位外科手術醫生梅倫 (Joseph von Mering) 及明考斯基 (Oskar Minkowski) 將狗的胰臟割除,發現這隻可憐狗整天口渴及隨地小便。

數日後,一位助手覺得實驗室內的蒼蠅好像突然多了起來⎯⎯尤其是在狗小便過的地板處。分析狗尿及其血液後,梅倫及明考斯基很驚奇地發現裡面充滿了糖份!顯然地,胰臟具調解體內糖份的功能,它一旦受損,將導致糖尿病!就這樣,梅倫及明考斯基無意中發現了「困擾」人類三千多年之糖尿病的病源(見「胰島素與生技產業誕生的故事」)。

兩位外科醫生在小狗身上發現人類糖尿病的成因。圖/Pexels

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到了抗生素的發現是醫學史上最重要的突破之一。但多少謮者知道英國細菌學家弗萊明 (Alexander Fleming) 是靠機緣巧合及運氣而發現第一個抗生素——盤尼西林( penicillin,或稱「青黴素」)——嗎?

發現青黴素還把專利交給政府的辣個男人

弗萊明 (1881-1955年) 出生於蘇格蘭的洛克菲爾德 (Lochfield) 小城,七歲時父親去世。 弗萊明在當地學校接受了良好的基礎教育,13 歲時跟隨同父異母兄弟前往倫敦,十幾歲的時候就在攝政街理工學院 (Regent Street Polytechnic) 上課。在貨運公司工作了四年後,進入倫敦聖瑪麗醫院醫學院 (St. Mary′s Hospital Medical School)。

弗萊明為發現盤尼西林的研究者。圖/G.cz

原想成為一名外科醫師;但 1906 年在疫苗治療的先驅賴特 (Almroth Wright) 爵士帶領下的研究使他確信他的未來在於細菌學的新領域。他於 1908 年獲得學位後,便留校當講師,直到 1914 年因第一次世界大戰而從軍擔任陸軍醫療隊的上尉。1918 年回到了聖瑪麗醫學院,1928 年昇等為該學院教授,1943 年當選為皇家學會會士 (fellow) ,1948 年當選為倫敦大學細菌學名譽教授,於 1944 年獲封為爵士。 

1999 年,弗萊明被《時代》雜誌評選為 20 世紀的 100 位最重要人物;2002 年,他在英國廣播公司 (BBC) 的電視民意調查中被選入為 100 個最偉大的英國人。弗萊明爵士不是因為發現了可拯救數百萬生命的抗生素而非常受人尊敬,而是他並沒有因專利成為一個很有錢的人。

弗萊明紀念郵票。圖/Wikimedia common

相反地,他了解青黴素具有克服梅毒、壞疽、和結核病等疾病的潛力,必須將其釋放給世界,以服務更大的群眾。因此在第二次世界大戰前夕,弗萊明將專利移交給了美國和英國政府,使他們能及時大量生產青黴素,救治了那場戰爭中的許多傷員。

在「胰島素與生技產業誕生的故事」一文裡,筆者也提到了發現胰島素之加拿大多倫多大學講師班廷 (Frederick Banting) 也應可賺大錢,但卻在取得胰島素萃取的專利後,將其使用權完全免費地轉給加拿大多倫多大學!這種清高的學術研究,在今日生物研究已成為一場金錢遊戲的社會裡(見「你的基因是別人的專利?生技產業的金錢遊戲由此開啟」)已經幾乎看不到,實在讓筆者非常懷念象牙塔的學府!

粗心致培養皿發霉,竟意外發現盤尼西林

弗萊明是一位粗心的實驗室技術員,1928 年夏在研究葡萄球菌1的某一天,他忘了將含有葡萄球菌培養物的培養皿放在培養箱中,留在實驗室工作台上就匆匆忙忙地離開實驗室去度假。命運就是這樣作弄人:那時室內的溫度及濕度均適合霉菌(mold,或譯「黴菌」)的生長;因此兩個禮拜回來後,弗萊明發現在敞開窗戶旁的培養皿因未加蓋而發霉。

弗萊明忘了把培養皿收在培養箱裡,留在工作台上就去度假了,回來後發現了一些「驚喜」。圖/Pexels

一般的研究者大多會將這些被霉菌孢子污染的培養皿丟掉;但弗萊明這次卻心血來潮⋯⋯。他回憶說:

基於以前「溶菌酶」的經驗,也像許多細菌學家那樣,我應會把污染的培養皿丟掉,⋯⋯某些細菌學家也有可能(早就)注意到我(那時)看到的相似變化,⋯⋯但是在對天然產生的抗菌物質沒有任何興趣的情況下,都會順手地將培養物丟棄。⋯⋯但(這次)我沒有找個藉口丟掉受污染的培養液,相反地,我做了進一步的探討。

弗萊明細心觀察到:霉菌掉落處周圍的瓊脂凝膠 (agar gel) 被溶解和清除;他隔離霉菌並鑑定其為由「真核細胞」組成的青黴屬成員。進一步研究後他發現抑製或預防細菌生長的不是黴菌本身,而是霉菌產生的某些「黴汁 (mold juice) 」,因為產生它的霉菌為 Penicillium notatum,故將之稱為 Penicillin(盤尼西林);中文因為是由藍綠色黴菌分離出來的黴素,故又稱為「青黴素」。

在隨後的十年中,因在分離和穩定青黴素方面遇到的困難,弗萊明只能專注於青黴素作為傷口和表面感染的局部殺菌劑。

在哈密瓜上發現大量生產青黴素的方法

因之當時弗萊明本人並沒有真正意識到他的發現有多麼重要;而醫學界也很少注意到他發表在《英國實驗病理學雜誌》 (British Journal of Experimental Pathology, 1929 年 6 月) 上的論文。

1938 年由牛津大學的弗洛里 (Howard  Florey) 和錢恩 (Ernst Chain) 領導的化學家團隊終於分離和純化了青黴素2,生產足夠做臨床試驗的青黴素,於 1940 年證明青黴素可以用作抵抗多種細菌性疾病的治療劑[抗生素 (antibiotic)3]。1945 年,弗萊明、弗洛里、與錢恩因「青黴素的發現及其在各種傳染病中的療效」獲得諾貝爾醫學獎。

起初弗萊明本人和醫學界並沒有意識到這個發現的重要,直到證明青黴素可以抵抗細菌性疾病。圖/flickr

弗萊明後來回憶說:

有時候,人們會發現不是自己在找的東西。我 1928 年 9 月 28 日拂曉後醒來時,當然沒打算通過發現世界上第一個抗生素或細菌殺手來徹底改變所有藥物。 但是我想那正是我(當時)所做的。

早期青黴素無法大量生產,弗萊明實驗室一個月所生產的青黴素,僅能供一個病人治療用,因此如何大量生產青黴素便成為重要關鍵。大量生產之方法的發現事實上也是屬於「機緣巧合意外的發現」。

為了趕上可能救治二次世界大戰傷兵的需求,弗洛里還飛到美國諮詢如何提取及製造青黴素。1943 年的一天,在伊利諾州皮奧里亞 (Peoria) 的農業部北部區域研究實驗室 (NRRL) 工作的亨特 (Mary Hunt) ,無意中在一雜貨店裡發現了一顆表皮長滿漂亮及金色青黴的哈密瓜。

亨特在雜貨店發現一顆表皮長滿青黴的哈密瓜,並將它帶回實驗室分析。圖/Pexels

將它帶回實驗室,篩選出能大量分泌青黴素的菌株後,她發現該菌株產生的青黴素數量是 notatum 的 200 倍——她因之贏得「發霉瑪麗 (Moldy Mary) 」的綽號。在許多研究團隊紛紛加入菌種及製造方法的改良後,青黴素產量由 1943 年只能醫治不到 1000 人,一下子跳到 1944 年時,已有足夠的青黴素來治療每位需要的士兵,為第二次世界大戰提供了功不可沒的貢獻!也啓動了尋找其他抗生素的研究,開創了醫學的新紀元。

結論

青黴素被稱為是一種「神奇藥物 (wonder drug) 」,而事實也確名副其實: 在發現青黴素之前,今天看起來非常小的傷害和疾病(不管是由被感染的小傷口或是由鏈球菌性咽喉炎等疾病引起的),那時候都可能導致死亡;而梅毒和淋病等性病則更不用說。

因此在二次世界大戰後,青黴素以及其他抗生素的使用成幾何級數地增加,導致細菌耐藥性也以驚人的速度增強。 2019 年,世衛組織因此將細菌耐藥性增強列為對全球健康的十大威脅之一。事實上早在 1945 年,在諾貝爾獎領獎典禮的演講中,弗萊明就已經警告說: 「過度使用青黴素可能會導致細菌耐藥!」

弗萊明意識到自己的發現是偶然與機遇,他因此謙虛地說:「青黴素的故事蘊含著十足的浪漫色彩,有助於說明機遇及命運在一個人職業生涯中所佔有的影響。」

但儘管如此,因為「命運較照顧已有準備的人」4,請不要痴痴地等著機遇及命運來敲門!勸君惜取少年時,多一份準備,免得黃金掉到家門前都不知道!

註解

  1. 葡萄球菌感染是由葡萄球菌引起的「疾病」;在少數情況下,這些細菌只會導致皮膚感染。但是如果細菌深入到體內,進入血液、關節、骨頭、肺、或心臟,則葡萄球菌感染可能致命。
  2. 牛津大學的 Dorothy Crowfoot Hodgkin 於 1945 年用 X 光晶體繞射確定了青黴素的化學構造(獲 1964 年諾貝爾化學獎);因為合成困難,麻省理工學院的John C. Sheehan 遲至 1957 年才完成了青黴素的首次化學合成。
  3. 早在 19 世紀,人類就已經觀察到某些細菌和黴菌之間的拮抗作用,並且將這種現象稱為「抗生作用 (antibiosis) 」。
  4. 「Fortune favors the prepared mind」出自因接種疫苗、微生物發酵、和巴氏滅菌法原理的發現而聞名的法國生物學家、微生物學家、和化學家巴斯德 (Louis Pasteur) 。

延伸閱讀

  1. 「量子統計的先鋒——波思」、「量子統計的誕生」、及「胰島素與生技產業誕生的故事」的內容,均收錄在《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017年12月出版)一書中。
  2. 有關量子力學發展的故事請參考《量子的故事》(第2版,新竹市凡異出版公司, 2005年),及《我愛科學》內的相關物理內容。

參考文獻

  1. Roberts, R. M. (1989). Serendipity: Accidental discoveries in science. Published by Wiley
  2. 賴昭正(1982)。〈量子統計的先鋒——波思〉,收入於《科學月刊》1982 年第 13 卷第 4 期,總卷號 148 期,39頁。
  3. 賴昭正(2015)。〈量子統計的誕生〉,收入於《科學月刊》2015 年第 46 卷第 1 期,總卷號 541 期,73頁。
  4. 發現能治療糖尿病的胰島素——胰島素與生技產業的誕生(上) – PanSci 泛科學
  5. 你的基因是別人的專利?生技產業的金錢遊戲由此開啟 – PanSci 泛科學
  6. 認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制 – PanSci 泛科學

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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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二十世紀最大的小發明,如何拴緊全世界——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》
貓頭鷹出版社_96
・2020/11/12 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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早期的螺絲,工匠們都拒用!

第一批由工廠製造的螺絲則完全不是這麼一回事。首先,雖然手工螺絲是有尖頭的,工廠製造的螺絲卻只有鈍頭,而且無法自行起動,必須先為它鑽個導孔。問題出在製造的過程。

鈍頭螺絲壓根兒沒法銼出一個尖頭來,螺紋本身也必須停止在尖端;但當時的車床沒有切削推拔螺紋的能力,螺絲製造商曾試著改變刀具下刀的角度,結果是螺絲的全長都得經過推拔。然而,這類螺絲的固定力很差,所以木匠都拒絕使用,當時所需要的是一台能同時在螺絲本體(圓柱狀)以及螺旋尖端(錐狀),切出連續螺紋的機器。

歷經幾十年的螺絲演進

一位有發明天分的美國技工找到了解決之道。美國最早的螺絲工廠於一八一○年成立於羅德島州,用的是經過改良的英國機器。該州首府普洛威頓斯成為美國螺絲工業的中心,於一八三○年代中期之前,其產品需求量日益激增。自一八三七年起,有一連串的專利都與具螺旋尖端螺絲的製造問題相關,但經過十年以上的試誤學習之後,才終於找出解決之道。

當時美國工廠經過十幾年的不斷嘗試,才逐漸找出解決方法。圖/Wikimedia common

一八四二年,一名為新英格蘭螺絲公司工作、來自普洛威頓斯的技工惠波,發明了一種完全由機器自動製造螺絲的方法,七年之後,他有了新的突破,遂成功取得尖頭螺絲生產方法的專利。

斯隆設計出一個稍微不同的方法,而其專利則成為大企業美國螺絲公司的主力;另一位新英格蘭人羅捷斯則解決了將有螺紋的核心推拔至平滑頸幹的問題。諸如此類的改進,將美國螺絲業者穩定地推上了領導者的寶座,到了該世紀末,螺絲已演變至其最終的形式,美國的生產方法也已主宰全球。

自十五世紀以來,螺絲一向有著正方形、八角形或有槽的螺絲頭;前者以扳手轉動,後者則以螺絲起子轉動。溝槽的起源不難理解,正方頭必須非常精確才能與扳手配合;溝槽則是個能以手工大略銼出或切出的形狀。有槽螺絲也可埋頭旋入鑽孔中不至於凸出表面;這正是連結對接鉸鏈必須的一點。埋頭螺釘一旦於十九世紀早期普及之後,有槽螺絲頭(還有平刃式螺絲起子)就成了標準規範。

1870 年,製作螺絲的車床。圖/Wikimedia common

所以,儘管螺絲至此已全由機器製造,傳統式的溝槽卻得以留存下來。但有槽螺絲也有數項缺點。

螺絲起子很容易就自溝槽滑脫,結果經常是對需要固定的物件、操作者的手指——甚或兩者——造成損傷。溝槽僅能微弱地抓住螺絲,而在試著上緊一枚新螺絲或鬆開一枚舊螺絲時,磨壞溝槽也是司空見慣的事。

最後,有些不便的情況,如在摺梯上試圖保持平衡、在狹窄空間工作的同時,往往必須以單手拴上螺絲。這對有槽螺絲而言幾乎是不可能辦到的。螺絲搖晃不定,再一滑,掉到地上後又滾開,修理工氣得破口詛咒(也不是頭一回了)這令人發狂工具的始作俑者。

美國螺絲業者完全了解這些缺失。在一八六○和一八九○年之間,有一大堆的專利申請:磁性螺絲起子、收納螺絲的器具、不完全延伸整個螺絲頭的溝槽、雙溝槽,以及各式各樣的正方形、三角形和六角形的凹頭或凹洞等等,其中以最後一項最具潛力。

當時美國業者為解決這些螺絲使用上的缺失,申請了一大堆專利。圖/Pixabay

以凹洞代替溝槽,能把螺絲起子緊緊握牢,螺絲起子就不會自溝槽滑脫。然而困難又一次出在製造過程上,螺絲頭是經由機器在一根冰冷的鋼條上打印成型,若要印出一個深度足以握緊螺絲起子的凹洞,往往不是減弱螺絲的強度,就是會使螺絲頭變形。

取得專利的強力推銷員——羅伯森

二十七歲的加拿大人羅伯森發現了解決的方法。羅伯森是費城一家工具公司所謂的強力推銷員,一個在加拿大東部的街角和鄉間市集販賣他所有商品的旅行推銷員。他把空閒的時間花在自己的工作室裡,嘗試著各種機械發明。他宣傳自己發明的「羅伯森氏二十世紀扳手曲柄鑽」——一個集曲柄鑽、猴頭扳手、螺絲起子、檯鉗和鉚釘製造器於一身的組合工具。

他擁有一種改良式拔塞鑽、一種新型的袖釦,甚至改良式捕鼠器的專利,卻只是白費力氣而已。一九○七年,他取得了凹頭螺釘的專利。羅伯森後來說,他在蒙特婁為一群站在人行道旁觀望的行人展示一只彈簧式螺絲起子時,因為螺絲起子的刃部自溝槽滑脫傷了手,因而讓他得到凹頭螺絲的靈感。他這項發明的祕密在於凹洞精確的形狀:具去角緣的正方形、稍呈錐形的四邊,以及金字塔型的底部。

羅伯森在一次推銷過程中被螺絲起子的刃部弄傷手,而有了靈感。圖/giphy

「很早之前就有人發現利用這種打印方式,根據指定的角度分毫不差地製造,冷金屬會流向四周而非被逼至刀具的前頭,結果是有益地緊密結合金屬原子,使其強度增加,卻絲毫不需浪費或切除所處理的金屬,這和一般有槽螺絲的製造迥然不同。」他相當自負地解釋。

身為一個熱心的推銷者,羅伯森找到了金錢上的後援,說服了位於安大略省的小鎮米爾頓,許他一筆免稅貸款以及其他特權,並成立了他自己的螺絲工廠。「大財富來自於小發明,」他向有可能投資的人士鼓吹,「很多人都認為,這是二十世紀目前最大的小發明。」

事實上,正方形的凹洞真的是個很大的進步,這種特殊的方頭螺絲有適貼的配合(羅伯森聲稱,其精確度達千分之三公分),而且螺絲起子從來不會滑脫。對工匠們尤其是製造家具和船隻的人而言,能自定中心並以單手拴入的螺絲所帶來的便利,真是讓人額手稱慶。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,2020年 9月,貓頭鷹

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第一台通用型電子計算機——專利糾葛、優劣並存的 ENIAC │《電腦簡史》數位時代(十)
張瑞棋_96
・2020/10/26 ・3482字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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上一章曾說阿塔納索夫在愛荷華大學埋頭苦幹時,外界根本不知道美國中西部也有人在打造數位計算機。既然如此,莫奇利又怎麼會前去造訪,而衍生出日後的專利糾紛?其實,一開始是阿塔納索夫主動結識莫奇利的……。

本文為系列文章,上一篇請見:誰才是第一部電子計算機?——靠 650 美元誕生、曾被遺忘的 ABC 電腦│《電腦簡史》數位時代(九)

氣象論文數據太少被拒,發憤打造計算機

莫奇利小阿塔納索夫四歲,與他一樣是物理博士。1932 年取得博士學位後,原本留在母校約翰霍普金斯大學擔任研究助理,但一年後就到位於賓州的烏西納斯學院 (Ursinus College) 擔任物理系主任,雖然是所小學校,但至少是個正式的教職。

1938 年,莫奇利提交了一篇論文,分析太陽表面的活躍程度與大氣電學的關聯性,不料遭到拒絕,理由是所蒐集的數據期間太短。好吧,他是可以取得更多年度的氣象資料重新分析,但這龐大的數據靠他自己一人怎麼可能算得完?於是他先找學生來分擔計算工作,同時一邊研究有什麼自動計算的機器可以代勞。

莫奇利 John Mauchly。圖:Encyclopedia Britannica

莫奇利發現調和分析儀,這個源自克耳文男爵在半個世紀前發明的機械式計算機,專門用來做傅立葉分析,恰恰是他現在最需要的計算工具,因此於 1940 年也打造了一台。結果他在打造的過程中,竟對計算機產生了高度興趣,開始密切注意是否有更新的技術。

莫奇利參觀了 IBM 最新的商用計算機,也參加 1940 年 9 月在達特茅斯學院舉辦的數學年會,見識史提畢茲展示複數計算機的功能。他還去了解物理學家研究宇宙射線所用的二進位計數器,這是用真空管做成的儀器,專門計算放射性粒子的數目。莫奇利試圖也仿造其邏輯電路,但買不起真空管,只好改用速度較慢,但便宜許多的氖管(灌入稀有氣體氖的燈管)。

愛荷華之行與賓大密集課程,學會設計邏輯電路

1940 年 12 月,莫奇利受邀到美國科學促進協會 (American Association for the Advancement of Science) 舉辦的研討會,發表他終於修訂完成的氣象學論文。莫奇利在演講中提到自己打造的調和分析儀,恰巧阿塔納索夫也在台下聆聽,便在演講結束後主動找莫奇利攀談,提及自己正在打造的真空管計算機(也就是日後的 ABC 電腦),並邀請他來愛荷華參觀。莫奇利第二年暑假驅車前往,就此埋下日後的專利糾紛。

莫奇利從愛荷華回來後,隨即趕赴賓州大學的摩爾電機學院,參加一項為期十週的電子學課程。這是由美國戰爭部 (1949 年才改為國防部) 出資委辦的密集課程,目的在於訓練出更多電子工程師,好為日益擴大的二次大戰戰事做好國防準備。如之前提過,摩爾電機學院與美國陸軍素有淵源,一直為陸軍分析各式火炮的彈道並製作「射表」 (Firing Table),自然成為承辦大學之一。

莫奇利在這課程習得邏輯電路的知識,不但如此,還找到一位志同道合的夥伴艾科特 (J. Presper Eckert)。艾科特當時才 22 歲,仍是摩爾電機學院研究所的學生,卻已多處展現電子工程的長才,包括改善微分分析儀(這是為了分析彈道,而於 1935 年購置的機械式計算機),因此擔任此次課程中的助教。

ENIAC的共同發明人艾科特。圖:WIKI

更棒的是,摩爾電機學院有個現成的教職給莫奇利。雖然這只是個講師的職位,和他目前系主任的頭銜比起來差很多,但對於一心想打造計算機的莫奇利而言,留在這裡一定有更多實作磨練的機會,而且又能與艾科特切磋,因此他仍欣然接受,於 1941 年開始在摩爾電機學院任教。

美國參戰急需大量射表,莫奇利提案真空管計算機

美國於 1941 年底參戰後,陸軍急需更多火炮的射表。眼見摩爾電機學院的進度大幅落後,陸軍特地另外招募了一百多的女性計算員,分成兩班輪流操作微分分析儀,卻仍跟不上前線的迫切需求。1942 年 8 月,莫奇利向校方提交了一份備忘錄,直指機械式的微分分析儀先天不足,建議使用真空管打造電子式計算機。

他在備忘錄中舉真空管計數器可達每秒十萬次為例,主張用電子計算機計算彈道,無論是速度或正確性,都會遠勝於機械式的微分分析儀。然而這份備忘錄並沒有得到校方重視,所幸不久後陸軍中尉高士汀 (Herman Goldstine) 被派來摩爾電機學院,才挽救了莫奇利的夢想。

高士汀原本是密西根大學的數學教授,擅於彈道學的分析,遂被徵召進陸軍的彈道研究實驗室 (Ballistic Research Laboratory)。1942 年秋,他被派往摩爾電機學院,負責提升射表的產能,但過了半年仍一籌莫展。這是因為男性多已入伍,而當時懂數學的女性又相當有限,已無法再增加計算員的人力。因此當他 1943 年初獲知莫奇利的備忘錄後,立即找來了解。他研究後,相當認同電子計算機可大幅提升計算速度,解決射表產出不足的問題,因此決定促成此事。

高士汀努力奔走的同時,莫奇利也找來艾科特補強備忘錄中的技術細節,並將標題改為《電子式微分分析儀的報告》。 1943 年 4 月 9 日,向軍方高層簡報後,成功獲得批准,經費很快就核發下來。

ENIAC——第一部通用型電子計算機問世

六月初,「電子數值積分儀暨計算機」(Electronic Numerical Integrator And Computer,簡稱 ENIAC) 的開發正式啟動,經過兩年半才打造完成,共耗費近五十萬美元(相當於 2020 年的七百萬美元)。完成後的機器重達 27 噸,由 30 個高二米四的機櫃組成,加起來有 30 公尺長,塞滿了 50 坪房間的牆面;IBM 的 ASCC 與之相較猶如小巫見大巫。

安裝於摩爾電機學院的 ENIAC,相片中間即是高士汀。圖:WIKI

ENIAC 的真空管多達 17,468 個,主要用於運算單元與記憶單元,不過運算方式仍是採十進位,而不是二進位。輸入方式有兩種,數據與常用的函數表是用 IBM 現成的打孔卡片機制輸入,然後暫存到記憶單元;程式則跳過打孔卡片,直接用纜線連接控制單元的不同插孔,再調整開關與計數器完成設定。用這種方式輸入程式與數據,是為了完全發揮真空管的優勢,不被讀卡的機械動作拖累。

ENIAC 果然不負眾望,運算速度可達每秒 5,000 次加法或 357 次乘法,不僅超過貝爾實驗室與 IBM 用繼電器打造的計算機百倍以上,也遠勝於阿塔納索夫的 ABC 電腦。用 ENIAC 分析彈道當然也比微分分析儀快多了,只不過當它於 1945 年 11 月啟用時,二次大戰早已結束,原本建造的初衷為了製作射表,如今已不需要了,這簡直就是莊子寓言所說的:花了三年學會屠龍之技,卻無所用其巧。

所幸 ENIAC 是一部可程式化的通用型電腦,軍方仍能在其它方面用到它龐大的計算能力──例如氫彈的模擬計算,因此它還是一直運作到 1955 年 10 月才退役。

二戰結束後創辦公司,電腦專利遭判無效

對莫奇利與艾科特而言,二次大戰結束反而是他們事業的開始。1946 年 3 月,他們兩人一起離開賓州大學,創辦「艾科特─莫奇利電腦公司」,並將 ENIAC 的相關技術申請專利。

這份專利直到 1964 年才獲准,但因為他們的公司早在 1950 年就賣給雷明頓蘭德公司 (Remington Rand),而這家公司五年後又遭另一家公司併購,專利也就歸屬於合併後的斯佩里蘭德公司 (Sperry Rand) 所有。斯佩里蘭德取得專利後,開始向其它電腦公司索取授權金,Honeywell 不願支付,雙方於 1971 年鬧上法庭。

阿塔納索夫因此才以證人身分出庭,證明莫奇利從他這裡獲知數位電腦的相關技術。最後法官認定莫奇利與艾科特的發明衍生自阿塔納索夫的設計,於 1973 年判決專利無效。

ENIAC 突顯舊思維的缺陷,促成現代電腦的出現

其實 ENIAC 與阿塔納索夫的 ABC 電腦有著根本性的不同。雖然兩者都用真空管,但 ENIAC 的用法卻是當成計數器,以傳統的十進位計算,而不是像 ABC 那樣當成二進位的邏輯閘。ENIAC 這樣的設計比起 ABC,反而又倒退了一步。當然 ENIAC 是通用型電腦這一點,比只能解線性方程式的 ABC 強多了,不過要靠插拔纜線、切換開關的方式設定程式實在太過麻煩。

ENIAC 的程式設計師須以插拔纜線、切換開關的方式設定程式。圖:WIKI

無論如何,ENIAC 的確是件劃時代的作品,它將計算機的運算能力提升了兩三個數量級以上,而且還能變換程式做各種運算。因為它的成功運行,而帶動了更多打造通用型電腦的計畫。

另一方面,它的諸多缺點也突顯了舊思維的設計亟待改善,新的電腦立即針對這些缺陷重新設計,因而又往現代電腦更邁向一大步。而在其中扮演關鍵角色的正是從數學、物理、經濟學,乃至 DNA,都有卓越貢獻的全能型天才──馮紐曼。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。