擁有水電工執照與人文精神的電腦科學家：希維塔克·帕特爾

從 2013 年開始，每年九月德國海德堡桂冠論壇（Heidelberg Laureate Forum, HLF）像是個大磁鐵，把全球數學與電腦科學界的大神都吸到海德堡來，與200名不同年代、文化和學術背景的年輕研究者碰撞，產生知識、思想及經驗交流，希望能夠對下個世代的科學家帶來鼓舞與啟發。

數學與電腦科學界的大大都在這裡啦

這些得主可說是數學界與電腦科學界諾貝爾獎等級的傳奇人物（看看今年 20 多位豪華的大師名單），皆為數學或電腦科學界最高榮譽的獎項得主，包括：

• 圖靈獎（ACM A.M. Turing Award）
• 電腦學會計算大獎（ACM Prize in Computing）
• 阿貝爾獎（Abel Prize）
• 菲爾茲獎（Fields Medal）
• 奈望林納獎（Nevanlinna Prize）

海德堡桂冠論壇會誕生是受到同樣位於德國的林道（Lindau）影響，這座位於博登湖畔的小城自 1951 年開始舉辦諾貝爾獎得主大會（或稱林道桂冠論壇，Lindau Nobel Laureate Meeting），當時主要是為了透過與外國的科技交流，恢復德國二戰後百廢待興的狀態。

數學和電腦科學一直以來沒有納入諾貝爾獎，還等到林道諾貝爾獎得主大會都辦了 60 年，才有機構特別為這兩個領域辦桂冠論壇的初步想法。透過海德堡理論研究所（Heidelberg Institute for Theoretical Studies）與克勞斯・奇拉基金會（Klaus Tschira Stiftung）的奔走與合作，海德堡桂冠論壇基金會（Heidelberg Laureate Forum Foundation, HLFF）於 2013 年成立，並且主辦每年的桂冠論壇。

整整一周的論壇，會舉行哪些活動？

為期一週的論壇屬於全邀請制，包括各種多元活動，像是工作坊、熱門議題討論（如氣候變遷、科學社群中的性別失衡）、海報呈現；以及參訪在地的機構，如學術單位、私人企業；學術交流之外還有很多讓人意想不到的社交活動，像是遊船派對、巴伐利亞之夜、城堡之旅與宴會等。為的就是為了促進得主與年輕研究者之間的交流！

最棒的是論壇全程免費，而且基金會還提供了一週食宿！而我們台灣竟然還沒有多少人去過：

歷年來台灣、日本、中國、韓國參與海德堡桂冠論壇的人數。source：海德堡桂冠論壇基金會（Heidelberg Laureate Forum Foundation, HLFF）

基於好東西不能只有我知道的原則，如此優質（包吃包住又補腦）的科學活動一定要分享給大家，還不趕快來看看申請的常見問答FAQ。

只要你是相關領域的大學生、博士生、博士後研究，準備好申請資料，就有可能成為 200 名年輕研究者的其中一員，獲得一生僅能參加一次的參加資格，感受與世界級的大師、研究者面對面交流是怎樣的體驗。

那些在論壇上出沒的大大們

話說回來，海德堡桂冠論壇也才舉辦過短短幾年，對大眾來說有什麼記憶點呢？

去（2018）年數學家阿蒂亞宣稱自己證明了黎曼猜想轟動一時，全球的數學家與數學粉都聚焦在海德堡桂冠論壇，還因為直播人數過多塞爆伺服器，一度改在推特上直播，論壇中所有的講座內容與訪談影片都在官方YouTube上。

雖然數學家阿蒂亞（Sir Michael Francis Atiyah, 1929-2019）最後並未獲得同儕認可其證明，不過平時冷門的數學可以得到那麼多大眾的關注，也算得上數學界的著名事件。

• 關於黎曼猜想的內容，可以參見：數學界的聖杯「黎曼猜想證明」，是否已被人類得手？

除了舉辦論壇，基金會平時還會在辦公室附設的展場，呈現各種與數學相關充滿創意的展覽，今（2019）年的展覽主題是音樂裡的數學 （La La Lab – The Mathematics of Music）；另外，也曾經辦過人文意涵濃厚的歐洲女性數學家特展（Women in Mathematics Throughout Europe），以及由知名攝影師Peter Badge拍攝的「抽象大師攝影展」（“Masters of Abstraction ” photo exhibition）。

基金會不僅讓年輕研究者擁有科學上的交流以及思想上的躍升，更持續以各種有趣的活動讓大眾瞭解，數學與電腦科學在社會、經濟與科學上的重要性；這樣的行動甚至影響到了亞洲，未來香港預計仿效海德堡籌組香港桂冠論壇，邀請邵逸夫獎的得主每年至香港交流。

今年海德堡桂冠論壇又會發生什麼有趣的事件呢？海德堡桂冠論壇期間（9/22-9/27）泛科學將有特約記者在現場，將為大家帶來更多後續報導與介紹。

以下為海德堡桂冠論壇的相關訊息發佈：

• 官方網站
• Facebook
• Twitter
• YouTube
• Science Blog

2018年9月24日，台灣時間下午3點45分，全球的數學家和數學迷們，都將目光聚焦於德國的海德堡桂冠論壇（Heidelberg Laureate Forum）；世界各地的數學家和電腦科學家每年一度聚集於此，和獲邀的學界大師進行交流。演講台上，英國頂尖數學家麥可．阿蒂亞（Michael Atiyah）正準備發表黎曼猜想（Riemann hypothesis）的證明。

阿蒂亞無疑是第一流的數學家，獲獎無數，包括數學界的最高榮譽──費爾茲獎（Fields Medal）和阿貝爾獎（Abel Prize）。1929年出生、89歲高齡的他，於數天前宣佈，用「基進的新途徑」（radically new approach）解決了困擾數學家達 159年的黎曼猜想，並會在海德堡桂冠論壇發表。

Is Sir Michael Atiyah giving lecture on Monday Sept. 25 @ #HLF18? Yes.
Will he presenenting a proof of the Riemann Hypothesis? Yes, that is what his abstract says. pic.twitter.com/v1dJhUUUEk

— Heidelberg Laureate Forum (@HLForum) 2018年9月20日

什麼是「黎曼猜想」？

1859年，德國數學家黎曼（Georg Friedrich Bernhard Riemann，1826-1866）在他的論文〈論小於給定數值的質數數目〉中，首次提及這個猜想。

如我們國中所學，像2、3、5、7、11、13…等等，這些除了 1 跟自己本身以外，不能被其他正整數整除的數，稱為質數；而所有大於1的正整數，都能夠以質數的乘積來表示，例如 66＝11×3×2。質數的概念很簡單，但是，如果我們問：「比某個特定數值要小的質數有多少個呢？質數在整個數列中的分布情況又是如何？」那就不是容易的問題、甚至是讓數學家們頭痛不已的問題。

黎曼在該篇論文中發現，質數的分布跟某個函數有著密切關係──該函數現被稱為黎曼ζ函數（Riemann zeta function）；它的長相如下：

這看起來並不嚇人，起碼跟國中學過的無窮級數並沒有太大差別。上述式子裡，s是複數，可以寫成s=a+bi這樣的形式；a稱為s的實部、b是s的虛部、i則是根號負一。數學家們可以輕易證明，只要 s的實部大於1，那麼整個無窮級數裡，把每一項的絕對值相加後，會得到收斂並趨近於某個定值的結果。

不過，對於s的實部小於1的狀況，事情就沒那麼簡單了：整個級數和可能會發散──但是我們又想要擴充函數的定義，讓它適用更廣泛的範圍，那該怎麼辦呢？

運用一些數學技巧（很恐怖，不要問），針對s的實部小於1的狀況，可以將黎曼ζ函數表示為

當中的 Г 稱為伽瑪函數（gamma function）。藉由這個新的定義，我們發現，當s為負偶數（s= -2, -4, -6…）時，黎曼ζ函數為零──這些s的值，我們稱為平凡零點。

但是，除了平凡零點之外，還有其他一些s的值，能夠讓黎曼ζ函數為零──稱為非平凡零點；它們不但對質數的分布有著決定性影響，實數部份還全都位於零和一之間。針對這一點，雖然黎曼本人無法證明，但他進一步猜測這些非平凡零點有著共同的特性：

黎曼ζ函數所有非平凡零點的實部都是二分之一

這就是赫赫有名的黎曼猜想。沒想到，這一猜想從 1859年被提出，至今已 159年，期間有數不清的數學家向其挑戰，卻無人能給出信服的證明。

黎曼猜想真的這麼難證明嗎？為何它讓數學家魂牽夢縈？

十九世紀末至二十世紀初最重要的數學家之一希爾伯特（David Hilbert，1862-1943），於1900年提出了23個他認為最重要的數學問題（其中有好些對二十世紀的數學發展起了莫大影響），當中就包含黎曼猜想。他曾表示：「如果我能在沉睡一千年後醒來，我的第一個問題將會是：『黎曼猜想被證明了嗎？』」

無獨有偶，一百年後，美國克雷數學研究所[1]（Clay Mathematics Institute, CMI）選了當今數學界的七大問題（稱為「千禧年大獎難題（Millennium Prize Problems）」），並懸賞一百萬美金，給予能解決任何一個問題的數學家──其中也包含了黎曼猜想。事實上，黎曼猜想是唯一同時列於希爾伯特和克雷數學研究所名單上的問題，屹立不搖地等待數學家挑戰。

因為黎曼猜想與質數分布具有密切的關係，一旦被證明，數學家們將對質數的分布位置有更確切的認知，此無疑是數論（number theory）這一數學分支的重要突破。不僅如此，黎曼ζ函數的非平凡零點，也被發現跟某些物理系統具有相似的分布規律，至今無人能給出滿意的解釋。再者，數學文獻裡，許多數學命題都以黎曼猜想或其推廣的成立為前提；換言之，如果黎曼猜想（及其推廣）被證明，這些基於黎曼猜想的數學命題便能被一舉確認為真──可謂一人得道，雞犬升天。這樣的數學命題粗略估計至少有上千條。毋怪乎，有些數學家將黎曼猜想的證明形容為「數學的聖杯」。

黎曼猜想研究於歷史上的進展

在解決黎曼猜想這個終極對手的旅途中，人類是否曾碰上一些小頭目，得以賺取經驗值升級呢？

答案是肯定的。

如同角色扮演遊戲（role-playing video game, RPG）裡，我們大致可將攻擊手段區分為遠距攻擊和近距攻擊兩種，數學家在面對黎曼猜想這個強敵時，也主要從兩方面來著手。

一是去實際計算非平凡零點的數值，看看它們的實數部份是否符合黎曼猜想的二分之一；雖然這樣做並無法窮舉所有（也就是無限多）的非平凡零點，而證明黎曼猜想，卻能間接增強我們對黎曼猜想的信心──運氣好找到反例的話，更能一舉否證黎曼猜想。第二種方式則是直接對黎曼ζ函數下手，利用解析的方式證明黎曼猜想。

在非平凡零點的數值計算上，雖然黎曼自己有算過，卻並沒有發表；到1903年，才終於有數學家給出15個非平凡零點的數值──它們的實部都是二分之一。1932年，西格爾（Carl Ludwig Siegel，1896-1981）從已去世的黎曼的手稿中，挖掘出黎曼計算非平凡零點的方法，大舉推進了此一方向的研究。到了二十世紀中期，因為電腦的發明，計算零點的工作突飛猛進，有一萬個以上的非平凡零點都被確認實部為二分之一。至2004年，憑藉著更嶄新的計算法，已經有10000000000000（十萬億）個非平凡零點被確認符合黎曼猜想，而且沒有任何反例。

另一方面，也有人利用解析的方式嘗試證明黎曼猜想。1896年，兩位數學家分別獨立證明了，在複數平面、實數為一的線上沒有零點；換言之，非平凡零點的實部絕不可能為一。1914年，數學家哈代（Godfrey Harold Hardy，1877-1947）發現，在實數為二分之一的線上，有無限個非平凡零點──即使如此，這並無法保證「所有」非平凡零點的實部均為二分之一；更糟的是，根據哈代和李特爾伍德[2]（John Edensor Littlewood，1885-1977）於1921年的估計，這些實部為二分之一的非平凡零點，只佔了全部非平凡零點的一小部份比例，趨近於零。

關於上述比例的研究，在1942年，才被塞爾伯格（Atle Selberg，1917-2007）證明其大於零；到了近期的2011年，這個數字被數學家推進到 41.05%──當然，距離 100%還很遠……

就在黎曼猜想的證明似乎還遙不可及的現今，事情突然有了戲劇性的變化：當代最出名、也最重要的數學家之一，麥可．阿蒂亞，將於本屆的海德堡桂冠論壇發表他對黎曼猜想的證明！

這次的黎曼猜想證明值得期待嗎？

就如同網路上一堆神人自稱推翻了相對論跟量子力學一樣，也有數不清的人，包括數學家，宣稱證明了黎曼猜想；然而，到目前為止，並沒有任何讓學界信服的說法。

這次宣佈證明了黎曼猜想的阿蒂亞，是第一流的數學家，所以確實讓不少人引頸期盼他的成果；只不過，因著阿蒂亞的89歲高齡，也讓一些人懷疑他是否真能提出說服所有人的證明。

無論如何，隨著在海德堡桂冠論壇的發表，數學家們將忙碌好一段時間，仔細檢視阿蒂亞的證明是否存有任何漏洞。最終結論，要之後才會知道了。

具有「數學王子」美譽的數學家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss，1777-1855）曾表示：「數學是科學的皇后──而數論是數學的皇后」。黎曼猜想作為數論領域最重要的猜想、數學的聖杯，一旦被證明，將會是二十一世紀最重要的科學成就之一──讓我們拭目以待！

參考資料

• E. Bombieri (2000), Problems of the Millennium: the Riemann Hypothesis, Clay Mathematics Institute.
• D. Allen, K. Bonetta-Martin, E. Codling and S. Jefferies, The Riemann Hypothesis, The Plymouth Student Scientist, 2016, 9, (2), 249-257.
• Riemann hypothesis, Wikipedia.
• 盧昌海（2015），《黎曼猜想漫談》，五南。

註釋

• [1] 克雷數學研究所是總部設在美國新罕布夏州的非營利私人機構；機構目的在於促進和傳播數學知識。
• [2] 如果讀者還有印象，2016年台灣上映了介紹數學家拉馬努金生平的電影《天才無限家》；拉馬努金在英國的恩人兼研究夥伴就是哈代和李特爾伍德。

• 文／Ming｜曾經夢想走在文學的道路上，成為一個文人，卻意外撞進理工的世界，最後竟成了軟韌體工程師，但依舊對於自然科學保有好奇心，對社會及環境依舊關心，期望能將工程師的世界與普羅大眾的搭上軌，拉近彼此陌生的距離。

近幾年學程式的風潮盛行，好像不學程式就落伍似的。坊間各種電腦補習班林立、政府也大力推動，甚至連國中、小都要開始推行程式教育；彷彿不會程式，我們就會被這個大環境給淘汰。從大數據、雲端網路再到工業4.0，整個城市似乎都在程式的浪潮當中。「矽谷最搶手！IT 新兵訓練營　程式設計夯」、「「客製」課程難度 文學系也學大數據」、「「高教深耕」教部規劃50%大學生學程式設計」、「資訊教育從小紮根！「不插電」學習法 幼稚園學程式語言」……，這樣的新聞資訊，在這幾年來多的可怕，但我們靜下來思考與分析，這樣的熱潮與推行真的能改變我們電腦科學素質與精神嗎？

台灣的電腦科學素質好嗎？好像也還不錯吧！曾經號稱「電腦王國 」，目前市面上也有幾家國際知名的電腦大廠，例如：宏碁、華碩……等，在電腦硬體產業的發展，倒也頗有幾分樣子，但電腦科學，只有硬體嗎？那軟體上的發展呢？咦！好像沒甚麼印象！似乎不太清楚，到底電腦科學的靈魂「軟體」我們發展的如何呢？

台灣的電腦科學發展史

我們可以先回過頭來，快速地回顧一下台灣的電腦科學發展史。電腦於 1940 年代被發明，於 1960 年代開始商業普及，而台灣也在同一個時期將電腦引入台灣。 1970 年代，由有「中文電腦之父」之稱的朱邦復先生創造了倉頡輸入法，這是兩岸三地最早普及的型碼輸入法。而在 1983 年更完成了直到了今天，我們仍然可能會使用的—「大五碼」（Big5）。

簡單來說「大五碼」就是電腦編碼裏頭，專門收錄中文的字元集。英文最常見的就是ASCII碼，但英文只有26個字母，再加上一些符號，所以編碼很簡單；相比之下，中文字的編碼複雜太多了，所以早期的中文系統很亂，各家有各家的編碼方式，造成很多應用軟體是不能互通，這個概念很像現在微軟和蘋果的作業系統常常軟體不互通的感覺。因此在台灣能在電腦發展初期，就發展出一套統一的編碼方式，其實是一件很厲害的事情！

另外，宏碁於 1981 年發表了「小教授一號」，這是一款針對 Zilog Z80 微處理器所開發的訓練用電腦，也因為我們很早開始了電腦科學的發展，所以台灣在電腦科學一直存在一定的影響力。

時間到了 1990 年代，那是台灣大補帖盛行的年代，也是台灣電腦軟體最鼎盛的年代，在台北光華商場你很容易可以看到電腦相關的書籍，當時電腦旋風剛席捲全台，電腦遊戲盜版採用大補帖的情況非常嚴重（這當然不是好事，但也代表很夯）。

這也正是台灣軟體最興盛的時期，當時還創立了幾款列為中文世界史上經典的 RPG 遊戲，例如大名鼎鼎的「仙劍奇俠傳」，就是那個後來被寫成小說、改編成電視劇以及不斷再版的「仙劍」，在當時出現的還有另一個並駕齊驅的「軒轅劍系列」，後來也是被中國大陸改編、拍成電視劇。在當時的電腦還是 DOS 作業系統的年代，台灣的遊戲軟體實力可以稱得上是中文世界的霸主。

而在 1998 年的時候，一隻由台灣開發名叫「CIH」的電腦病毒冒了出來，且在後來的幾年更造成全球無數的電腦遭受感染，引發一場軒然大波。CIH 病毒，因為被設定在 4 月 26 日，剛好與車諾比核災的時間相同，所以也被稱為「車諾比病毒」。

這隻病毒可以說是台灣軟體實力巔峰的證明，當年由台灣大同工學院（現在的大同大學）資工系的學生陳盈豪所開發，當初開發的目的只是單純想戳破，那時很多防毒軟體都號稱可以百分百防毒的謊言（就是這麼單純的原因），卻因為陰錯陽差的意外讓這款病毒造成全球大感染。這隻病毒最厲害的地方，在於他除了能破壞電腦硬碟，也會造成資料的毀壞、還能攻擊電腦的 BIOS （可以把 BIOS 想成電腦的心臟），造成整台電腦根本開不了機，必須更換晶片才行。這是史上第一隻會因為讓電腦中毒，而害得電腦需要維修硬體的電腦病毒，你能想像嗎？因為軟體寫出來的幾行程式碼，造成整台電腦幾乎報銷，如果沒有對整個電腦系統軟、硬體架構有通透的了解，是不可能辦到的。

電腦科學的發展需要怎樣的環境？

從上面我們可以看到，台灣在電腦軟體科學上的發展曾是如此的輝煌，不僅僅是電腦硬體的成功才造就的所謂的「電腦王國」，軟體也曾經有過一片天。但為何在最近的十幾年間，除了硬體產業能代表科技業，台灣的軟體業似乎就只能沾著科技業的邊緣、載浮載沉；為何電腦科學發展到了今天，似乎開始越來越無力，還成了必須由政策來大力推廣的情境呢？

如果電腦科學的興盛，是一棵欣欣向榮的大樹，電腦硬體就是樹木的主幹和樹枝，軟體技術就是那些茂盛的葉子，而開花結果就像是能夠銷售的產品；那現在我們的這棵電腦科學樹，似乎開不了花、結不了果、葉子似乎也長得不太好，這到底是什麼原因造成的呢？我們也許應該集中探討關於培養軟體所需要的土壤到底是什麼，讓我們回到整個問題最根本的因素：是什麼樣的環境才能造就興盛的軟體科技產業，是什麼樣的因素才能驅使人們創造出舉世驚人的軟體作品？

不知道大家是否有注意到目前最大的搜尋平台「Google」，常常會在特定的節日動不動就搞一堆有的沒的「驚喜」，有的時候是有趣的動畫，偶爾還會伴隨簡單的遊戲。除此之外，Google 也在他的搜尋引擎藏著幾個「彩蛋」。比如說，現在請在你的 Google 首頁搜尋欄位輸入「do a barrel roll」，應該會看到你的網頁開始翻轉，這是因為任天堂有一款遊戲「星戰火狐 64」，其中一個技能是快按 Z 或 R 兩下，就可以翻滾的快速飛轉彈開子彈，所以你如果搜尋「 Z or R twice」效果其實是一樣的！「Zerg Rush」是「星海爭霸」裏頭一種快速複製去攻擊敵人的一種蟲，因此在首頁搜尋欄輸入「Zerg Rush」，你會看到你的網頁開始被吃掉了。如果你於圖片搜尋欄位輸入「Atari Breakout」，則會出現一個復古的打磚塊遊戲。

到底 Google 搞這些有的沒的，有什麼目的嗎？如果你仔細探究，你會發現答案竟然只是因為這樣很好玩，這看起來也許很幼稚的原因。難道你認為只有 Google 才做這種事嗎？只有現在才這樣做嗎？不！大名鼎鼎的微軟也做過這種事，最著名的彩蛋，莫過於微軟的 Microsoft Excel 2000 隱藏了一個賽車遊戲 Dev Hunter，除此之外，我們現在常用的壓縮軟體「WinRAR」裏頭的也藏有也許大家認為毫無意義的彩蛋（如下圖，如在「關於WinRAR」的那本書，給他點兩下，那本書會掉下去）。做這些事情的基本原因就是因為很有趣，很好玩，也是許多軟體設計師的起心動念，台灣 90 年代的軟體啟蒙，也是這樣開始的。

我們再來探討本文一開始要思索的問題：怎樣才是提升電腦科學的環境，什麼才是培養軟體人才的重要養分呢？從上述這些例子中，我們可以歸納觀察出，不管是目前國外軟體人、還是早期國內的軟體人，這些人之所以會投入軟體的開發、熱衷於電腦科學，不外乎電腦是一個很有趣的東西。就是因為很好玩，不管你是想開發它來玩遊戲，或是拿來開發病毒（當然好孩子不應該這樣），最根本的驅使因素，都是那最原始的頑皮與童趣的吸引力，電腦就是一個好玩的東西！因為很好玩、很有趣，所以才有這麼多人願意投入，也因為這樣才會創造出有價值並吸引人的產品。

今天我們的新政策，竟然開始要把它納入必要的課程，而又讓許多非電腦資訊背景的老師，教我們的學生如何寫程式，如何學習電腦科學，當成我們八股考試的一環，填鴨教育的一套課程，這樣電腦科學還能在我們的環境下，保有它那最初「有趣」的動機與本質嗎？這樣的推行，到底是在幫我們「提升」軟體環境，還是摧毀我們的軟體人才呢？

我們無法輕易改變政策，但我們可以先改變自己，電腦科學最讓人流連忘返之處，就是可以自由自在地發揮想像力與創造力，利用「程式」把內心的想法創作成作品，而且這個作品是可以直接與大眾互動的，當人們無法自由發揮想像力和創造力的時候，即便學會寫程式，也就只是拿到一個無用的工具，這樣的培養並不會造就更好的軟體人才，也不會提升我們的軟體實力，不論你是希望培養孩子擁有程式語言能力的家長，還是正在教授資訊相關科學的老師，又或者只是自己想要成為程式設計師的追夢人，都請先讓自己變成一個有趣的人，改變自己以及影響你周圍的人，要讓我們的軟體土壤繼續發芽，請先保有你的赤子之心吧！

參考資料

• 矽谷最搶手！IT新兵訓練營　程式設計夯
• 「客製」課程難度 文學系也學大數據
• 「高教深耕」教部規劃 50% 大學生學程式設計
• 資訊教育從小紮根！「不插電」學習法 幼稚園學程式語言

希維塔克·帕特爾（Shwetak Patel）為電腦協會計算大獎（ACM Prize in Computing）2018 年的得主，該獎項為電腦科學界僅次於圖靈獎的獎項，與費爾茲獎相同都有 40 歲以下的年齡限制，帕特爾獲獎時僅 37 歲。獲獎原因是帕特爾對於人類健康與永續生活，發展出創意與實用性兼具的感測系統。

帕特爾不僅擁有大學教授與創業家等多重身份，他還擁有合格的水工與電工執照。現為華盛頓大學計算機科學與工程和電氣工程的特聘教授，同時也是 Google 健康科技部門的執行長（Director of Health Technologies, Google）。他曾經創立過 Zensi家居能源監測公司（2010 年被 Belkin 公司收購），以及 Senosis Health 健康檢測公司（2017 年被 Google 收購）等。

接下來，就來介紹帕特爾改變世界並且獲得電腦協會計算大獎的研究！

智慧家居能源監測系統

家家戶戶每個月收到帳單時，都知道家裡的用電量以及對應的費用，然而我們並不清楚是用在哪些方面。若是能收到每個月使用能源與用水的效率報告，就能夠讓人們了解自己的行為模式，進而採取行動增加能源效率與節省荷包。但是，要即時監控家居的能源消耗，一般來說需要裝設非常多感測器才可能辦到。

帕特爾成功發展出一套智慧家居能源監測系統，透過行動裝置就可以監控即時的耗電量與用水量。他發展的 ElectriSense 系統（用水則是 HydroSense 系統），利用既有的電路加上一個感測器（single plug-in device），就能把各種電器發出的高頻電磁干擾雜訊（high frequency EMI noise）當作訊號辨識對應的來源。

以iPad呈現建築物中每個電器即時的用電百分比

這套系統的發展，源自於複雜的電子交換特性與不同電器都會產生的雜訊，帕特爾藉此建立一套理論模型分析電器開關（稱為事件）的雜訊，並由使用者協助機器學習的程式訓練，最終發展出一套精確的預測系統。這套系統的精確度，甚至可以藉由輕微的公差來區分型號相同的電子產品。

考慮到感測器的易用性與持久性，帕特爾發展出可以維持 25 年、低耗電的無線感測系統與晶片（Sensor Nodes Utilizing Powerline Infrastructure, SNUPI），不需要經常替換非常方便。

更棒的是，一般人都可自行安裝，不需要專業的電工協助。未來這整套產品也可能推行至美國以外的地區，讓全球的家庭了解他們的詳細用電情況，進而改變人們的認知與行為，達成節約能源的永續目標。

用手機監測個人健康

人們通常要等到不舒服才會去醫院看病與檢查，過一陣子才會收到檢測報告，才被迫了解自己的身體狀況。現代的穿戴型裝置讓人們開始主動了解自己的健康狀態，除此之外，我們還有其他更好更深入的方法嗎？

帕特爾這幾年的研究領域包括了行動裝置於醫療上的應用。利用手機的 APP 與各種感測器監測個人健康狀態（personal health monitoring），在螢幕上就能立即看到結果，要進行定期與連續的監測也十分方便。

以 SpiroSmart 這個APP來說，它的操作非常簡單，不需要額外的硬體設施，只要對著手機裡的麥克風吹氣，手機會偵測受測者聲音裡的壓力波，自動轉換成即時圖形，就可以監控肺部功能是否衰退以預防慢性疾病。

像這類的檢測，傳統上一定要到醫院才能完成：受測者要對著肺量計 (spirometer)用力吹氣，以呼出的流速與容積（flow-volume）進行肺功能指標判讀。若偏離下圖的白色線段，便可能是這三種疾病的前兆，分別為哮喘 (Asthma)、囊腫性纖維化 (Cystic Fibrosis，CF)、慢性阻塞性肺病 (Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)。

那麼，SpiroSmart 是怎麼做到類似的功能的呢？這跟一個「雜訊」有關：講話時會產生的聲道共振（vocal tract resonances）。過去數十年開發語音辨識演算法（speech recognition algorithms），都將聲道共振視為雜訊，希望盡量排除。但關鍵的地方就在這裡：聲道共振實際上與受測者呼出的氣流成比例關係。因此藉由聲帶的物理模型加上深度學習聲道共振的資訊，就能夠反推回受測者呼出氣體的流速─容積曲線。也就因此，用手機與麥克風就可以模擬肺量計了。

面對有人質疑手機APP的準確率，帕特爾表示 SpiroSmart 與原本價格 10 萬美金的肺量計相比的誤差為 5-10%，與美國食品與藥物管理署（FDA）對肺量儀的誤差容忍相同。表示技術上完全可以用手機 APP 取代醫院的儀器；然而要說服民眾相信一個 APP 可以是個醫療裝置，需要透過更多的科學教育與科學普及才有可能達成。

除了以上的案例，帕特爾的普及運算研究室還開發了許多醫療相關的手機 APP，像是以深度學習辨識咳嗽的CoughSense、把手指放在鏡頭前方檢測紅血蛋白（HemaApp）、在新生兒皮膚上放上色卡搭配鏡頭檢測黃疸（BiliCam）、利用陀螺儀檢測骨質疏鬆症（OsteoApp）等實用又創意的專案。

「你的雜訊就是我的訊號」 Your noise is my signal.

這句話貫穿了帕特爾的整個研究生涯，無論是從早期的智慧家居能源感測到近來的個人健康監測。這樣的創意是源自就讀喬治亞理工學院博士班時期，他花了許多時間進行許多跨領域的研究，當某個研究方法行不通的時候，卻有可能作為另一個研究的靈感來源與解決方案。因此把一般研究者亟欲排除的「雜訊」成為可辨識的「訊號」，突破既有知識的框架。

海德堡桂冠論壇小記與場邊觀察

帕特爾以電腦協會計算大獎得主的身份，於 2019 年首次參加海德堡桂冠論壇（Heidelberg Laureate Forum, HLF），也是論壇史上最年輕的得主，非常受到歡迎。每天都忙著接受採訪與分享自己的經驗，幾乎無時無刻不被一群學生包圍發問。

對帕特爾而言，海德堡桂冠論壇是個非常獨特的盛會，在這裡能夠一次見到背負盛名因此平時難以見到的大師，以及從前輩的身上了解到得主如何對世界產生長期影響，是個前所未有的經驗。

即使已經身為得主，帕特爾認為如果他年輕的時候有機會參與論壇，會對早期的學術生涯更有幫助，同時也希望讓更多年輕研究者知道這個世界級的活動，讓與會者覺得能夠脫穎而出參與論壇是個殊榮。（註：2019年海德堡桂冠論壇有800名年輕研究者報名，最終錄取200名）

從小時候動手作到學術遊樂場

帕特爾出生於美國阿拉巴馬州的塞爾瑪（Selma, Alabama），擁有高學歷的父母自印度移民至美國，經營一間含有數十個房間的汽車旅館。因此，帕特爾從小是在汽車旅館旁的公寓長大，就像是旅館的管理人員，必須做一些庶務像是整理床位以及修理壞掉的燈泡，甚至是維修自動販賣機，自然而然對於動手作（tinkering）十分熟悉。

習慣動手作，也讓他的學術研究變得與眾不同。帕特爾在博士班就發表了很多篇與感測器有關的論文，包括機器學習、永續、醫療等領域，並開始創立自己的公司。他同時是實踐家、發明家、會寫論文。思考未來的職涯發展時，認為大學教職可以是個自由研究的遊樂場，可以讓電腦科學變得有影響力，因此選擇成為大學教授。

與一般教授不同的是，與其研究如何增進 1% 演算法效率，他認為不如去思考如何動手開發出一個對人類有直接影響的產品，能夠正向影響數百萬人的想法甚至行為，其意義會超過發表許多論文與獲得終身教職。

對一個應用導向的研究者來說，開發產品才能夠真正到影響一般民眾。帕特爾與其團隊通常把產品開發到一個程度，就讓其他人收購公司去加速產品的開發，接著投入下一個研究。

即使從研究生時期就被其他人開始質問是否不務正業，例如：「你不是個電腦科學家、你沒有一個專精的領域、你不會拿到教職」，然而擁有自由探索的學術遊樂場對他來說是最自在的。

選擇學生條件與社會服務

要怎樣才能進入帕特爾的學術遊樂場一起玩呢？帕特爾強調，選擇學生的時候他最重視的是善良（kindness）與否，一方面是若對人不友善就會很難找到合作對象，尤其研究室關注的領域與醫療保健與永續相關，關注其他人是必要條件。畢竟技術可以透過學習而來，然而人格特質不容易改變。

那麼，帕特爾是如何指導學生的呢？在研究室裡，有很多不同領域的人，像是電腦科學、電子工程以及醫療背景，帕特爾會試著創造出每個人都貢獻己力才能解決的專案，讓跨領域合作自然而然發生。另外，與其安排好研究方向與每一個細節，帕特爾傾向激勵學生、與學生討論研究的大方向、留給學生探索的空間。

帕特爾從高中時期就有機會接觸研究，因此大學時期也較同儕來得早開始寫論文，而這徹底改變了他的研究生涯，他自認非常幸運。因此，他希望現在的高中生能早點接觸研究，因此特別為高中生開放了 8-10週的暑期研究室實習，期待能夠開啟學生對於程式與科技的想像。

值得一提的是，帕特爾近來婉拒至知名大學演說，他傾向把時間留給郊區的學校，接觸更多高中以下的學生；此外，他認為傳遞科學知識最有效率的是為第一線的教師上課，讓教師在課堂分享電腦科學是個很強大的工具，能夠對社會有正面影響，電腦科學不是只有電玩遊戲。

讓世界變得更好的人文精神：給年輕研究者的建議

「我的研究社群是整個世界與人類。」

帕特爾在海德堡桂冠論壇的演說，除了介紹行動裝置於健康的應用之外，還提供建議給年輕研究者。他提到這是個特別的時代，人類史上擁有最多工具（如人工智慧、資料分析與視覺化）、跨領域研究非常興盛；最好的提問與答案，都在不同領域的交會之處。

當帕特爾還是個年輕教授時，常常被問到「你是什麼領域？是網路、系統或資料庫？」同樣地，許多年輕研究者內心假設「我必須成為一個數學家，必須是個電腦科學家，必須研究某個單一領域」。

然而這並不是世界運作的方式，年輕研究者當然可以在某個領域創新，但是別忘了跳出領域的框架，思考像是政治與政策等更廣的層面，以及自己在做的事對於人類與世界是否有深切的影響。

假使年輕研究者只是想著要拿諾貝爾獎、圖靈獎等大獎，這樣的心態（mindset）本身就是個災難，若是找到自己有熱情的事物，而且每天醒來都為此感到興奮，並且奮力地驅策自己前進，將有最佳的機會能夠邁向成功。

希維塔克·帕特爾在他的研究生涯，實踐了科學與工程最重要的價值──人文精神。

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