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臺大瑞士跨國團隊發表新型催化劑「單原子三價鐵」,可高效率回收二氧化碳,力阻全球暖化

PanSci_96
・2019/07/16 ・1143字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級
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圖/pixabay

二氧化碳還原反應被公認為目前解決溫室效應問題最有機會的途徑。近年來,利用太陽能、風能等潔淨能源所產生的電能,將溫室氣體二氧化碳(CO2)還原為一氧化碳(CO)備受關注,如此一來可同時實現溫室氣體的減量,並進一步轉換為可被人類利用的燃料。

臺灣大學化學系陳浩銘教授與瑞士洛桑理工學院胡喜樂教授等人所組成的跨國研究團隊,發展出化學反應之臨場分析技術,使用國家同步輻射研究中心的臺灣光源(Taiwan Light Source)與和日本同步加速器光源(SPring-8)的臺灣合約光束線,利用臨場 X 光吸收光譜(Operando X-ray absorption spectroscopy)技術,即時觀察二氧化碳轉化為一氧化碳的反應過程中,催化劑的價態與化學環境等條件,成功找到高效且低廉的新型催化劑「單原子三價鐵」。

「單原子三價鐵」能取代金或銀等貴金屬催化劑,以極高轉化效率且極低耗能的電解方式,將二氧化碳轉化為一氧化碳,大幅降低催化劑成本。不僅高效率回收二氧化碳,延緩全球暖化,還能產生一氧化碳進而再製其它燃料,研究成果於今(2019)年 6 月 14 日登於全球頂尖學術期刊《科學》(Science)。

高活性背後隱藏的關鍵秘密

圖/pixabay

此研究中,發現使用「單原子三價鐵」當催化劑,即使在極低電壓下,二氧化碳轉化成一氧化碳的效率為 90%,是目前全世界已知最佳的轉化效率,甚至優於貴金屬催化劑的轉化效率。

目前的研究大多以金或銀等貴金屬,做為二氧化碳還原為一氧化碳之催化劑,相較於單原子三價鐵,其他的催化劑需要極高的施加電壓,才能達到相同的轉化效能;高電壓意味著高耗能,不符合經濟效益。然而在這個研究裡面,更重要的問題是,為什麼此單原子鐵的活性如此之高?又與過去所合成的單原子鐵有何差異?

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為解開高活性背後所隱藏的關鍵秘密,陳浩銘教授利用國輻中心位於臺灣與日本的光束線,並配合該團隊近幾年所發展之 X 光臨場分析技術,發現高活性鐵單原子催化劑的秘密為保持穩定的高氧化態,這是其活性能夠媲美,甚至超越貴金屬催化劑的關鍵。

此外,由單原子三價鐵製成的新型電催化劑,不僅可以高效且低廉的方式回收二氧化碳,減低二氧化碳量,還可以產出一氧化碳。產出的一氧化碳可進一步轉換成烴類碳氫化合物,可用來製造燃料、塑膠和其他材料,如此一來即可以實現將危害地球環境的二氧化碳,轉換為人類可以使用的「燃料」。若是還原反應所需要的電能是來自於取之不盡用之不竭的太陽,將可以實現現代科技重大的里程碑「人工光合作用」──以太陽能將水與二氧化碳轉換成氧氣與人類可以使用的燃料。

  • 本文改寫自科技部新聞稿,原標題為〈力阻全球暖化—臺灣跨國研究榮登國際期刊《科學》〉。
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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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解開夢境的奧秘:腦電活動如何塑造我們的做夢能力?——《我們為何會做夢》
PanSci_96
・2024/11/04 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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清醒開顱揭開夢的產地

我在手術室進行清醒開顱手術時,會使用像筆一樣的設備,直接以微電流刺激測試患者的大腦。那暴露在外、皺摺起伏的大腦表面閃爍著乳白色的微光,布滿了動脈與靜脈。而患者意識清醒、機敏,但感覺不到疼痛,因為腦部沒有痛覺受器,但會對電流刺激產生反應。每個人的大腦都是獨一無二的,有些區域一旦被觸碰,就會受到刺激活化。有時,我觸碰一處,患者會說出童年記憶;刺激另一處時,患者會聞到檸檬的味道;再碰另一處,患者也許會感到悲傷、尷尬,甚至是慾望。

清醒開顱手術的目的,是為了找出不受微電流影響的精確位置,如此一來,我便可從此處安全地下刀,切開表面組織以觸及下方的腫瘤。若微電流刺激未產生任何反應,我便清楚割除此處不會造成任何功能受損。

進行清醒開顱手術時,我以幾毫米的距離有條不紊地逐一刺激患者腦部最外層的大腦皮質(cerebral cortex),這會為患者帶來奇異且深刻的體驗,有時感覺甚至強烈到患者要求我停手,此時,我便必須暫停手術。儘管大腦皮質只有薄薄一層,厚度不超過六毫米,卻主導了我們大半的個人能力,包含語言、感知、記憶和思想。那嘶嘶作響、微弱的電流,能引發患者各種反應,例如聽見聲音、回憶起創傷事件、體驗深刻的情感──甚至做夢。

事實上,惡夢可透過電刺激(electrical stimulation)誘發,只要將電極探頭從大腦表面某個隆起處移開,惡夢就會終止;一旦用電極刺激同一處,惡夢就會再度出現。現今認為,反覆出現的惡夢是自行維持的神經元電活動循環,重現我們恐懼的經歷。

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惡夢可由電刺激誘發,反覆惡夢源於恐懼記憶的神經循環。 圖/unsplash

夢境背後的生理奧秘

無庸置疑地,我的專業回答了人類其中一項最原始的疑問:夢從何而來?對此,我可以斷言,夢境源自於我們的大腦,尤其是腦部的電活動(electrical activity)。

從古至今,夢真正的起源一直令人困惑,我們也缺乏基本的了解。在人類歷史的長河中,夢多半意味著來自神靈、魔鬼或祖先的訊息,或是靈魂夜半出竅所搜集到的資訊。我們頭顱內看似毫無活動的一坨組織,是人最難以想像的夢的來源。大家普遍認為,人入睡時,頭腦處於休眠狀態,只是被動的容器,因此,夢不可能是睡眠的產物。怎麼可能是呢?我們的大腦與外界的訊號隔絕,在此情況下,它如何能成為這種夜間奇觀的來源?夢的起源肯定來自遠比我們自己更偉大、超然的力量。

當然,現今已知,所有意識都源於腦電活動,包含做夢在內。事實證明,做夢的腦和清醒的腦一樣活躍。而且,部分睡眠階段所測到的腦電強度和模式,看來與我們清醒時幾乎並無二致。此外,人在做夢時,某些腦部區域消耗的能量可能超過清醒時,尤其是情緒和視覺中樞。我們清醒時,大腦通常會將情緒和邊緣系統(與情緒、本能、學習記憶有關的大腦區塊)的代謝活動上調或下調 3% 至 4%,但做夢時的腦可將邊緣系統的代謝活動提高至 15%,十分驚人。這表示做夢時,可達到人清醒時生理上難以達到的情緒強度。換言之,你在做夢時,最是「生氣勃勃」。

夢境時腦活動與清醒時相似,情緒強度甚至高於清醒狀態。圖/unsplash

人在做夢時,大腦活動十分活躍,我們視線清晰、感受深刻,還能自由移動。夢之所以對我們影響深重,是因為我們將夢境的體驗視為真實。從生理上而言,我們在夢裡感受到的快樂與清醒時無異,恐怖、沮喪、性興奮、憤怒和懼怕等情緒亦是如此。同理,我們在夢中的身體經歷感覺也很真實。在夢裡奔跑時,運動皮質(motor cortex)會被啟動,與我們真正在跑步時所使用的腦部區域相同;當我們在夢裡感受到愛撫,就如同人在清醒時一樣,感覺皮質(sensory cortex)會受到刺激;回想自己過往住處的回憶,會使負責視覺感知的枕葉被活化。

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有些人聲稱,他們從不做夢。但實際上,幾乎人人都會做夢,只是並不是每個人都會記得自己的夢。人做夢並非出於選擇,而是生存所需。我們睡眠不足時,入睡後最先發生的事就是做夢;倘若睡眠充足,但做夢不足,一睡著後也會立刻開始做夢。即便無法入睡,人也會產生生動的夢。世上有一種罕見且致命的遺傳疾病,名為「致死性家族失眠症」(Fatal Familial Insomnia),罹患此疾的患者幾乎無法睡眠,但對他們而言,做夢的需求十分強烈,以致於白天會出現做夢般的狀態。做夢對人類而言不可或缺。

快速動眼期之外的夢境

過去數十年來,關於夢的研究多半著眼於特定的睡眠階段,即快速動眼期(rapid eye movement,REM)睡眠。研究人員歸納的結論是,我們每晚大約會花兩小時做夢。換算下來,這表示人的一生中,約有十二分之一的時間沉浸在夢中,相當於我們每年有一個月的時間在做夢。夢顯然在我們生活中佔據了重要的地位和時間。而且,這個數據也許大大受到低估。睡眠實驗室的研究者在整晚不同時間點喚醒受試者,而不限於快速動眼睡眠期間;結果發現,人在任何睡眠階段都可能會做夢,這意味著我們一生中,也許有近三分之一的時間都在做夢。

現今,睡眠對健康的重要性受到高度關注,但這些研究發現讓我不禁心想:也許我們真正需要的不是睡眠,而是夢。

——本文摘自《我們為何會做夢:睡夢中的大腦如何激發創造力,以及更好地改善清醒時的生活》,2024 年 11 月,悅知文化出版,未經同意請勿轉載。

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創意藏在夢裡?引導夢境助你突破創作瓶頸,解決生活難題——《我們為何會做夢》
PanSci_96
・2024/11/03 ・2262字 ・閱讀時間約 4 分鐘

從惡夢到創意靈感的奇妙旅程

1987 年,美國塔夫茨大學醫學院(TuftsUniversitySchoolofMedicine)的恩尼斯特・哈特曼(ErnestHartmann)帶領了一項深入研究,比較了十二名終身受惡夢所擾的人、十二名夢境生動的人,和十二名既非惡夢受害者也不是夢境生動的人。每位受試者均接受了結構式訪談、心理測驗和其他措施,以評估他們的性格。研究人員發現,受惡夢困擾的人比起其他兩組受試者,具有更強烈的藝術和創作傾向。換言之,在夢中想像邪惡或危險力量的心智,清醒時也可用其豐富的想像力發揮創意。

惡夢曾為許多知名作家的作品提供靈感。聞名全球的恐怖小說作家史蒂芬・金(StephenKing)在飛機上睡著,夢見了一名瘋狂女子囚禁並殘害了她最喜愛的作家,結果成了《戰慄遊戲》(Misery)一書的靈感來源。

《鬼店》(TheShining)的構思也來自於一個夢。史蒂芬・金和妻子是一山中度假飯店僅有的兩位客人,當時飯店由於季節即將關閉。他在夜裡夢見自己三歲的兒子尖叫著跑過大廳,被消防水管追趕。他從惡夢中驚醒,滿頭大汗。史蒂芬・金回憶,當時他點了一支菸,望向窗外:「菸抽完時,這本書的架構已經在我的腦海裡成形。」

傑克·尼克遜(Jack Nicholson)名場面之一,即出自於《鬼店》(TheShining)。圖/wikimedia

我們如何看待法國和其他處的史前洞穴壁畫及其他古代文物?世界各地所描繪的許多生物,都是人獸混合的動物形象,使得考古學家不禁心想,這些奇特的圖像是否可能是受到了夢境的啟發?惡夢既是人最容易記住的夢境,這些會不會是最早對惡夢的藝術描繪?我同意此種看法。我們有理由認為,說故事本身也許源自於分享夢和惡夢的渴望。

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如何引導夢境來激發創意?

古埃及人建造了睡眠神廟,讓人可以在此處睡覺,希望能誘發夢境,幫助他們治癒疾病或做出重要決定。古希臘人也會去特殊的神殿祈禱,希望做一個能解決問題的夢。希臘人稱此作法為「孵夢」。現今研究顯示,孵夢不僅僅是建立在信仰上的古老方法,它背後有真正的科學依據。

研究人員發現,做夢的人可以透過暗示來影響夢境發展。雖說這不是萬無一失的過程,但他們發現,光是表達你想夢見某個人或特定主題的意圖,通常就能將夢境推向此方向。透過此種方式,我們也許能引導自己的夢境,來幫助激發創意、思考社交難題和考慮重大決定。哈佛大學夢境心理學家芭瑞特要求她的學生在睡前十五分鐘思考一個情感相關的問題。結果,半數學生表示,他們做了與此問題有關的夢。

由於夢境如此視覺化,所以,入睡時在腦海裡設想某個人、想法、地點或問題,將有助於你孵夢成功的機率。正如我們在關於惡夢的章節中所了解,我們可以運用意象預演療法改寫反覆出現的惡夢,重新編排夢境情節,使其變得無害,甚至給它更好的結局。這種方法聽來雖然簡單,但相信你也記得,研究也證明此法常常能成功幫助人們擺脫惡夢。孵夢也一樣,聽來雖像是一廂情願的想法,但嚴謹的研究已證實了此種方法引導夢境的效用。

入睡時設想特定情境有助於引導夢境,研究證實了這種方法的效用。 圖/unsplash

MIT 前沿科技助力夢境設計

麻省理工學院媒體實驗室(MediaLab)的研究人員,一直致力於開發睡眠和夢境設計技術,希望藉此大幅提升創造力。研究裝置會感知受試者進入睡眠的情況,並提供口頭提示,詢問受試對象在想什麼,然後記錄對方的反應。如我們將在第8章所見,現今還有其他方法可利用感官來設計夢境內容。

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正如我們探討如何減輕惡夢時的方法,你也可以在紙上寫下自己的意圖,放在床邊,或將希望夢見的事物相關圖片、物件放在床邊。這不僅僅是某種象徵儀式,而是人們見證能啟發他們夢境的有效方法,就好比我們將原料放進鍋裡,等待夢境以全新、意想不到的方式將它們混合。

當解決方案能在腦海以視覺呈現時,孵夢最容易成功,原因是視覺皮質在快速動眼睡眠期間十分活躍。睡前請回顧一下你想夢見的問題或主題,想像自己夢見了這個問題後醒來,然後在床邊的紙上寫下夢境。

芭瑞特的學生選擇了學術、醫療和個人方面的問題,並記錄哪些夢境為他們的問題提供了潛在的解決辦法。其中一名學生搬到了一間較小的公寓,無法找到不顯雜亂的家具擺放方式,結果他夢見將五斗櫃搬到客廳,這名學生實際嘗試了一下,果真有效。另一名學生在選擇麻州或其他地方的學術課程時陷入兩難,他夢見自己乘坐的飛機需要緊急降落,夢裡飛行員說降落在麻州太過危險,做夢的學生一想到這個夢,便意識到了選擇其他地方課程的決定。

即便不記得自己的夢,它們也能影響你清醒時的想法。你也許會突然靈光一閃、腦海瞬間蹦出想法或沒來由地想到解決辦法,這些靈感很可能來自於我們的夢境。不論記不記得,我們每晚都會做夢,而我們的夢夜夜都在為我們從事創意工作。

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——本文摘自《我們為何會做夢:睡夢中的大腦如何激發創造力,以及更好地改善清醒時的生活》,2024 年 11 月,悅知文化出版,未經同意請勿轉載。

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