方向性力回饋的觸控! Tactile Display With Directional Force Feedback

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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觸感好難捉摸？看看科學怎麼說

到目前為止，我們都沒有明確定義何謂觸感，在此先為大家進行概念的整理。一般而言，皮膚感覺即稱「觸覺」；相對於此，本書所謂的「觸感」，則偏向指稱經由觸摸而產生的主觀體驗。

老實說，在這個定義下的「觸感」，是科學難以駕馭的對象。重視客觀性的科學，並不善於處理「我所感受到的感覺」這種無法具體呈現的主觀感受。科學處理的是皮膚、神經、大腦、語言表徵、行為等，所有人都能觀察到的外在世界。雖然將主觀量化的心理學法則也日益發達，但主觀的體驗與客觀的科學之間，還是存在著一道無法跨越的藩籬。

科學的觸手之所以不容易伸進觸感的領域，除了因為觸感是主觀的感受，另一項理由就是因為我們所感受到的觸感實在太多樣了。

觸感的生成並非僅來自皮膚的感覺（觸覺），其他的五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺）或甚至語言、記憶等高階認知功能，都會和觸覺結合，生成獨一無二的觸感印象。

關於這個部分，後續會按部就班地說明，不過在那之前，我們先來看看本文要介紹的──觸感形成的根源「觸覺」的運作機制吧。

即使是單細胞生物的草履蟲，都擁有感知細胞膜受到接觸、溫度變化或化學物質等廣義的觸覺。透過觸覺這種生物史上最早出現的感覺之運作，我們將帶領各位一窺人類認識外界的、這令人驚嘆的系統一隅。

體內體外，感覺其實不太一樣

相較於其他五感，觸覺有幾項獨有的特徵，其中之一是獲得感覺的部位不像眼睛或耳朵，而是分布於全身上下。皮膚的總面積為 1.6 至 1.8 平方公尺（約一張榻榻米大），重量約為三公斤。全身上下的表皮不僅是人體最大器官，更是感受觸覺的界面。

除了皮膚感覺，人類還有另外二種以全身接收的感覺。一種是「胃痛」、「肚子餓」等感受內臟狀態的「內臟感覺」，另一種是感受肌肉、肌腱、關節位置或運動的「本體感覺（深部感覺）」。

由於本體感覺與皮膚感覺相互關聯，因此我們平常不太能夠區別這二種感覺，大多體驗為同一種感覺。也因為如此，這二種感覺也被合稱為「體感覺」。

問題來了，如果視覺感受的是光，聽覺感受的是聲音，那麼觸覺感受的是什麼呢？

用最簡單的概念來說，就是皮膚的變形。說得更明確一點，就是位於皮膚底下末梢神經前端的觸覺感受器，會感受到由壓力或振動所造成的細胞變形。

薄薄一層皮，竟藏著五花八門的觸覺感受器

身體的觸覺感受器依功能不同，可分成數種類型。

最原始的觸覺感受器是「游離神經末梢」，由感覺神經分支而成，廣泛分布在皮膚內。游離神經末梢能夠感受到痛覺、溫度或癢，但也會對外力接觸造成的壓力有反應。尤其是纖細的感覺神經 C 纖維對熱、壓力及化學物質都會有反應，因此又稱「多類型感受器」。這種神經負責的是痛、冷，還有舒適等感覺，目前可知的是，當我們用軟毛刷子緩緩刷過毛髮生長部位的皮膚（亦稱「有毛部」）時，C 纖維便會有所回應。

在游離神經末梢當中，也有一種類型會纏繞著毛根。毛會發揮槓桿般的作用，當有外力接觸到毛的尖端，毛根部的神經就會敏銳地察覺到受力。老鼠的全身幾乎被毛所覆蓋，牠們的毛根部就分布著二種游離神經末梢，和一種較粗的感覺神經，因此可以第一時間察覺任何風吹草動。

其次介紹更高階的觸覺感受器，是一種由粗的感覺神經所傳導，並附著在該神經前端的特殊構造（又稱「機械性受器」）。目前為止已經發現四種類型的感受器，這四種類型有何差異呢？就是主要負責的振動頻率不同。

舉例而言，負責感受形狀凹凸不平、表面的邊緣，或者受到輕輕按壓的壓覺的是「默克細胞」。感覺像拍手這種速度的振動，或是「咻」的滑過去的光滑感，是由「梅斯納氏小體」負責回應。這二種類型又以手指的分布密度最高。

位於皮膚深層的「巴齊尼氏小體」則對更細微的振動，例如砂紙的粗糙感或芒草穗子的顆粒感，會產生敏銳的反應。最後一種「魯斐尼氏末梢」據說對皮膚的牽張有反應，但關於其解剖學上的理解或如何透過神經傳導觸覺刺激的機制，目前仍所知甚少。

如果光憑原始的感覺神經（游離神經末梢），即使能夠知道自己正在被觸摸，也無法進一步辨別接觸到的東西是什麼形態，不過有了這四種特別的觸覺感受器，即可鎖定對象的特徵，因此據推測這些應該是在生物演化史上後期才出現的觸覺感受器。

想觸摸世界，只有一種感受器可不夠

我（仲谷）曾在 2014 年與哥倫比亞大學的馬場欣哉博士、艾倫．蘭普金（Ellen A. Lumpkin）博士等人，共同投入一項探討細胞構造的研究，並證實被外力輕壓的訊息會透過神經傳導¹。這件事早在 1875 年，就已由德籍解剖學家默克（Friedrich Sigmund Merkel）提出假說，但直到約一百四十年後，才首度獲得科學證實。

前面談論的都是有關皮膚可以察覺到細胞的變形（壓力、振動或滑動）一事，但皮膚底下還有其他可以感受到溫度（冷與熱）的感覺神經。此外，皮膚也有傳導痛、癢的感覺神經，不過我們認為這二種與構成可以感受物體材質的「觸感」的神經是不同的類型，因此在本書所占的篇幅較少。

感受細胞變形的感受器，與感受溫度的感受器──觸覺感受器大致上可以分成這二種。擁有這二種感受器，我們才能感覺到橘子皮的濕潤與顆粒感，或是像絲綢一般涼爽而光滑的感覺，仔細想想，不覺得很奇妙嗎？這種奇妙不僅來自皮膚的感受器，更結合了觸摸的動作，或是觸覺以外的五感等各種要素。

接下來，就一起探索全身上下的觸覺感受器與您自己所感受到的「感覺」之間，究竟存在著什麼奧祕吧。

參考資料：

1. Maksimovics S, Nakatani M, Baba Y, Nelson AM, Marshall KL, Wellnitz SA, Firozi P, Woo SH, Ranade S, Patapoutian A, Lumpkin EA, Epidermal Merkel cells are mechanosensory cells that tune mammalian touch receptors. Nature, 509(7502):617-21, 2014

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。

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一杯熱咖啡就能影響你對人的判斷？

2010 年，一篇刊載在美國《科學》（Science）期刊上的論文，對追求「觸感」的我們帶來衝擊。耶魯大學的約翰．巴奇（John Bargh）博士的研究團隊證實，我們的思考會受到觸感影響¹。雖然我們相信自己是根據自己的意志判斷眼前的事物，但巴奇博士等人卻提出違反這項直覺的實驗結果。

他們在實驗中讓受試者看陌生人的肖像照並評斷其人格。受試者已事先被分為二組，一組供應的是熱咖啡，另一組則供應冰咖啡。

好了，你認為結果如何呢？事先拿到熱咖啡的人比拿到冰咖啡的人，有更高的機率判斷照片裡的人是「溫暖的人」。因為手心接觸到的物體溫度，影響到他們對照片中人物的人格判斷。

巴奇博士的研究團隊又進一步設計出另一項有關溫度感覺與信賴關係的實驗²。他們在這項實驗中讓受試者進行投資遊戲，並在受試者左手的掌心上放置冰冷的物品或溫熱的物品。結果受試者在受到冰冷的溫度刺激情況下，投資額會變少。這也就是說，手一冷，心似乎也跟著變冷似地，對他人的信任度便隨之下降。

軟綿綿的沙發，融化你的心房

影響判斷的不只是溫度而已。根據某項實驗³ 顯示，請對方入座展開交涉時，讓對方坐柔軟的沙發比坐硬邦邦的椅子，更容易使對方答應我們的要求。看來柔軟的觸感似乎能讓對方的態度「軟化」。

還有另一項實驗³ 是讓實驗參加者扮演面試官的角色，其中用來夾履歷表的板夾，又分成重的與輕的二種。結果拿到重板夾的那一組，傾向於把求職者判斷為更重要的人物。

身體承受的溫暖、柔軟、重量等觸感，並不是隨時隨地都會引起注意，然而我們似乎還是會在不知不覺間，在觸感的刺激下作出決策。這個所謂具身認知科學的研究領域，近年正如火如荼的發展中。

為什麼觸感會影響判斷呢？有這麼一項假說：以「寒冷」為例，當人體受到寒冷的刺激時，主掌價值判斷的大腦扁桃體會做出回應，而由於「寒冷」有可能對生命造成威脅，因此大腦會判斷這是危險訊號，進而對於寒冷刺激物產生躲避的行動。據推測可能就是這個原因，造成「不信任對方」的結果。

人與人相處，其實離不開觸覺

在此稍微岔個題， 咖啡的「 溫暖」與評斷人格時的「溫暖」，兩者使用的雖然是相同的形容詞，但後者是用來表達抽象概念的比喻手法（隱喻）。沙發的「柔軟」與人的態度的「柔軟」、板夾的「重量」與人物的「重要性」（使用的都是「重」這個字）⋯⋯諸如此類，在我們用來表示人際關係的用字遣詞中，隨處可見觸感的蹤跡。

再來找找看其他日常生活中頻繁使用卻不自覺的觸感比喻吧。「乾」、「滑」、「輕」等觸感，聽起來也像是在表達某些類型的人格。米蘭．昆德拉（Milan Kundera）的小說《生命中不能承受之輕》，則是以「重量」的觸感進行轉喻的例子。我們藉由身體所承受的觸感，理解自己與他人之間的關係，而這同時也反應在語言表徵裡。

參考文獻：

1. Ackerman Jm, Nocera CC, Bargh JA, Incidental haptic sensations influence social judgments and decisions. Science, 328(5986):1712-5, 2010
2. Kang Y, Williams LE, Clark MS, Gray JR, Bargh JA, Physical temperature effects on trust behavior: the role of insula. Soc Cogn Affect Neurosci, 6(4):507-15, 2011
3. Ackerman JM, 2010 et al. 2010

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。

觸控螢幕已經變成很一般的輸入裝置，但是觸感的回饋目前除了一般的震動以外並沒有辦法提供使用者更多的資訊。

下面的影片介紹利用馬達跟線動的方式，以四條線拉動螢幕，使螢幕可以平移，對觸控螢幕可以產生有方向性的震動。展示的程式為當有小球從不同方向撞擊到時，可以用手直接感覺撞擊的方向，這樣的技術能給手指直接的觸覺資訊，不管是游戲、空間導航與盲人電腦界面都能應用此技術!

原文發表於科學影像Scimage