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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

Sharkie Lin_96
・2020/03/18 ・4434字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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。

希維塔克·帕特爾 Shwetak Patel。圖/wikimedia

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。

家居能源消耗報告範例。圖/UW Ubicomp Lab

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)。

肺量計的流速─容積曲線
圖/帕特爾於海德堡桂冠論壇講座的投影片截圖

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。

海德堡桂冠論壇記者會。圖/Heidelberg Laureate Forum

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)

海德堡桂冠論壇會場。
圖/Heidelberg Laureate Forum

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。

海德堡桂冠論壇會場門口。
圖/Heidelberg Laureate Forum

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。

海德堡桂冠論壇講座。圖/Heidelberg Laureate Forum

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。

延伸閱讀:

  1. 華盛頓大學普及運算研究室:Ubicomp Lab – Ubiquitous Computing Lab at the University of Washington
  2. 海德堡桂冠論壇專訪影片:The Heidelberg Laureate Forum Foundation presents the HLF Portraits: Shwetak N. Patel
  3. 海德堡桂冠論壇講座影片:New Ways of Thinking the Mobile Phone for Healthcare (52 mins)與投影片
  4. 屬於數學與電腦科學的榮耀,聚集大師的海德堡桂冠論壇

想親炙海德堡桂冠論壇,與大師們面對面交流嗎?

每年11-隔年2月開放來自全球的年輕研究者報名

詳情可上官網: https://www.heidelberg-laureate-forum.org/

 

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Sharkie Lin_96
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在國二無聊的早自習意外發現數學的趣味,因此近來體驗到數學研究、藝術創作、採訪寫作、展覽策劃、資優教育等工作。不是念數學也不是學藝術,但樂於從多元視角聊聊數學的各種姿態,以及進行數學藝術創作,希望能為世界帶來一點樂趣。科普部落格〈鯊奇事務所〉https://medium.com/sharkie-studio,聯絡信箱 sharkgallium@gmail.com


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每人要種多少棵樹,才能抵銷一年所排放的二氧化碳?大約 20 棵

ntucase_96
・2022/01/02 ・2822字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自 CASE 科學報你一年的碳排放量,要用幾棵樹來抵?單木材積及固碳量計算

氣候變遷是近年最受重視的議題之一,十九世紀以來,由於工業化的開展,人類製造的二氧化碳量年年攀升,造成地球氣候的劇烈改變。你知道你一年當中,上廁所、煮飯,上網搜尋資料,還有雙十一和黑色星期五的網購和外送,以及其他所有日常行為,共排放多少二氧化碳嗎?

根據行政院環保署的報告,2019 年台灣每人每年平均排放二氧化碳當量約為 10.96 公噸/人[1]。十公噸大約等於一台大卡車的重量,聽起來相當驚悚,不過,你有沒有想過,要種多少棵樹,才能抵銷你排放的二氧化碳業障呢?

圖/Pexels

計算一棵樹的材積量

將碳排放量換算成樹木材積,並不是一件太難的事情,但需要一些計算步驟。你可能會覺得,一棵樹的材積量有什麼難的?阿不就一根長長圓柱體,底面積乘上樹高就打完收工了。

如果抱著這樣的想法,那就大錯特錯了!因為樹幹不是圓柱體,而是類似圓錐的形狀,並且可以切分成轆轤體、圓柱體、拋物線體和圓錐體四個部分計算(圖 1),如果用圓柱體計算,會出現很大的誤差!

(圖 1)單木縱剖面圖。 圖/Case 科學報

為了盡可能計算出正確的材積,林業領域有一套特定的計算方式。根據行政院農業委員會辦理國有林林產物處分作業要點,材積式的公式如下:

立木材積=(胸高直徑)2×0.79×樹高×形數

上面的算式中,胸高直徑、樹高為測量值,0.79為固定數,而形數指的是「立木材積形態常數」,下面用更白話的方式說明專有名詞所代表的涵意。

  • 胸高直徑(DBH , diameter at breast height,後簡稱胸徑)是林木測量時,最重要的測量值,它不但與樹幹材積的關係相關,且測量容易、誤差也較少,因此是調查時相當重要的一項參數。顧名思義,胸高直徑指的是人類站立時,胸高位置處,該處樹圍的直徑長,臺灣胸高直徑位置,指的是距離地面 1.3 公尺處,與歐洲各國相同。
  • 樹高,很直觀,就是樹的高度。測量樹高的方式不少,有直接測量、三角測量法等,雖然觀念簡單,但實際上測量作業卻相當不容易,一棵樹動輒十幾公尺,知名的【撞到月亮的樹】台灣杉(Taiwania cryptomerioides),甚至可以高達 70 公尺。因此,測量樹高遠比測量胸徑要花更多時間和力氣[2]
  • 立木材積形態常數,是考慮前述樹幹並非圓柱體的狀態,將計算值乘以此常數,使材積數值趨近於真實的情況。形數可藉由查閱「臺灣林產處分調查用立木材積表」(簡稱立木材積表)得知,若想要測量的樹種類形並沒有列在立木材積表上,則形數以 0.45 計算。
台灣杉(Taiwania cryptomerioides)。圖/iNaturalist

現在,假設我們要測量路邊一棵行道樹的材積,我們需要先測量它的胸徑、樹高。一棵胸徑 47 公分,樹高 11.01 公尺的行道樹[3],材積為:

(0.47)2×0.79×11.01×0.45≒0.8646(m3)

也就是說,這棵行道樹的材積量為 0.8646 立方公尺。[4]

如何換算碳儲存量?

一棵活生生的樹木跟人一樣,含有許多水分,且並非通通由碳所構成,所以單位材積同樣要經過換算,才能知道這棵樹到底含有多少公斤的碳。材積換算成固碳量的算式如下:

固碳能力 = 材積×絕乾比重×碳含量比例

絕乾比重,指的是木材經過烘乾,水分完全蒸發後,剩下的重量比例,而碳量百分比代表絕乾狀態的木材中,所含有碳的比例。如果要從頭算起,需要花不少的時間,不過這裡提到的兩個數據,都有現成的文獻可以參考(表 1)[5]

(表 1)臺灣常見造林樹種絕乾比重、碳含量百分比及轉換係數。
學名依照TaiCOL網站紀載,註記 * 號者,代表與原文獻不同。 圖/Case 科學報

因此,假設剛剛我們量的那棵行道樹為樟樹(Cinnamomum camphora),那麼,絕乾比重為 0.37,含碳量為 47%,那麼,這棵樹所含的碳重為:

0.8646×0.37×0.47 ≒ 0.150(t) = 150(kg)

也就是說,今天路邊一棵胸徑 47 公分,樹高 11 公尺左右的樟樹,它的固碳量僅有 150 公斤(而已)。

答案揭曉啦!

到這邊,你每年燒掉的樹木數量,已經呼之欲出了,1 公斤的碳,完全燃燒後約會產生 3.67 公斤的二氧化碳[6],讓我們繼續沿用那棵樟樹的數據,一棵樹可以儲存 150 公斤的碳量,則燃燒一棵樹,可以產生 550.5 公斤的二氧化碳。

一開始提到,台灣人每年平均排放 10.96 公噸的二氧化碳,因此:

10.96×1000÷550.5≒19.91(棵)

也就是說,你一年的碳排放量,大約等於燒掉 20 棵一個人無法合抱的大樟樹。當然,環保署的報告是將全台灣工業、製造業排放量都一起平均,對於小老百姓來說,可能有點不公平,不過不可否認,這樣的數字仍然很驚人。

一棵樹能長成大樹,需要花很多的時間,相當不容易,所以,還是不免俗的呼籲大家,減少垃圾排放,落實永續生活,並且,有機會就多種樹,對地球、環境來說,才是更友善的做法!

註解

  1. 行政院環境保護署(2001)我國國家溫室氣體排放清冊報告
  2. 外業調查中,因為逐棵測量樹高過於花費時間和人力成本,所以會使用胸徑與樹高間的換算公式,讓測量人員只要量胸徑,就可以推斷出樹的高度,此函式即稱為樹高曲線式。樹高曲線式的函式不只一種,藉由量測樣區內樣木的胸徑及樹高資料,配適(fit)若干個樹高曲線式,再用其他樣區的資料,找出預測表現最好的樹高曲線式,接下來的調查,就可用胸徑量測值推估樹高。
  3. 此數值參照台北市行道路燈資訊網,樹籍編碼 DA0070211149 之行道樹。https://geopkl.gov.taipei/
  4. 算式中的胸徑單位為公尺(0.47 公尺 = 47 公分)
  5. 林裕仁(1998)森林減碳能力之推算方法。《農政與農情》第 193 期。https://www.coa.gov.tw/ws.php?id=17871&print=Y
  6. 1 莫耳的純碳重量為 12 克,1 莫耳的二氧化碳重量為 44 克,比例為 44÷12≒3.67

參考文獻:

  1. 中華民國國家溫室氣體排放清冊報告
  2. 中興大學森林系空間資訊研究室彙編講義-林木測計學 第五章 立木測計
  3. 行政院農業委員會辦理國有林林產物處分作業要點
  4. 森林減碳能力之推算方法
  5. 攀上70公尺高「撞到月亮的樹」 澳洲團隊首度為台灣杉攝下「等身照」——環境資訊中心
  6. 臺灣物種名錄

 

ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。