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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

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。

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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。

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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。

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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。

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——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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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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科技人才看過來!三門獨家課程 YouTube 免費看!工研院「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程現正放送中
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・2829字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 工研院 委託,泛科學企劃執行。

Hey,未來的千萬年薪人才!來一起深入了解那些正在改變我們生活的科技吧!工研院為你精心準備了三堂超有趣的線上課程:從探索醫學界的 PLGA 微米球技術,到揭秘半導體測試的幕後英雄 ATE,再到讓塑膠也能有身分證的創新方法。這不只是學習,更是一場與科技親密接觸的旅程!

第一門 材料檢測與模擬設計之原理與應用系列學習

精選課程:塑膠也有指紋?如何給塑膠「身分證」來驅動循環經濟,減緩地球暖化?你要知道的光譜分選技術-材料光譜分選技術

這堂課將探討如何透過光譜智慧分選技術,為塑膠材料賦予「身分證」,進而推動循環經濟並減緩地球暖化。塑膠標籤的設置主要是為了方便辨識材質,這對於廢塑膠的回收和再利用至關重要。不同號數的塑膠因其分子組成、結構和排列的差異而有不同的特性和應用領域。

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在光譜智慧分選技術中,首先要理解電磁波的概念。電磁波是一種電場和磁場交互變化的波動現象,其不同波長可以用於不同的應用,如手機訊號、微波爐、家用遙控器、X 光攝影等。在塑膠分選中,光譜技術常用的波長範圍落在近紅外到遠紅外光的區域,即 1 微米到 300 微米。這些波段的電磁波能誘發塑膠分子振動,並吸收散射或入射的電磁波能量,從而造成光譜的變化。科學家利用這種振動光譜的變化來獲得塑膠分子的特徵光譜,從而開發出能辨識不同塑膠分子的技術。

舉例來說,最簡單的雙原子分子,如 C-H、O-H 等,會有特定的振動頻率。當結構更複雜的分子(如水分子)被電磁波誘發振動時,會產生更多的振動模式,每種模式對應不同的特徵光譜。塑膠由多種原子組成,因此其特徵振動光譜相當複雜,但這也使得每種塑膠具有獨特的光譜特徵,類似於條碼或指紋,可用於辨識不同類型的塑膠。

本集介紹的光譜技術主要聚焦於紅外線頻譜區段,其波長範圍在 900-2500 納米。在這一範圍內的紅外光能量正好能引起塑膠分子的振動,並在不同波長上產生吸收。透過紅外線感測裝置掃描塑膠分子,可以快速獲得塑膠的材質信息,這不僅有助於塑膠的分類和回收,也對環境保護和資源再利用具有重要意義。


第二門 半導體IC設計與檢測技術系列學習

精選課程:好的良率就是好的利率!考試交卷前都會再檢查、確認了,IC 生產才不會忘記你-半導體測試簡介

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在這堂課中,我們將探討自動化測試機台(ATE)在半導體測試領域中的關鍵作用。自動化測試機台是一種專為測試集成電路(IC)而設計的設備,它可以大幅降低手動測試的人力需求,並減少測試成本。每種IC根據其規格,都需要特定的測試項目。針對這些項目,專門編寫的測試程式被用於自動化測試機台,以自動檢測和篩選出不合格的 IC。

不同種類的 IC 需要不同的測試機台。例如,數位 IC 需要使用專門的數位測試機台,而記憶體 IC 則需要使用演算法來進行測試。類比 IC 和混合訊號 IC 則涉及電性測試,因為它們不是像數位IC那樣僅依賴固定的 0 和 1。

隨著系統晶片(SoC)的出現,測試機台的複雜性也隨之增加。SoC 整合了數位、記憶體、混合訊號甚至 RF IC 於一個晶片中,因此其測試機台必須同時具備上述所有種類機台的功能。這種SoC測試系統非常昂貴,每台造價可能高達數千萬。

最近,模組化測試系統成為了一種趨勢。這種系統的主要特點是其靈活性,能夠根據不同類型的IC進行不同模組的組裝,以進行測試。例如,對於數位IC,可以使用數位模組;對於類比或混合訊號IC,則可以使用相應的類比測試模組,如示波器或任意波型產生器。對於RFIC,則可以插入RF模組,如VNA等網路分析儀。模組化測試系統通常基於PXIE或LXI這樣的系統,其中PXIE是基於PCIE的擴展,加入了與儀器相關的電路;而LXI則是在LAN基礎上加入儀器相關電路。

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總結來說,自動化測試機台在提高半導體製造過程中的良率和效率方面發揮著不可或缺的作用。無論是傳統的ATE還是新興的模組化測試系統,它們都在確保IC品質和性能方面扮演著關鍵角色。


第三門:解密醫材醫藥產品開發攻略系列學習

精選課程:藥不💊隨便你~但少了「它」,藥就不能發揮最大功效!製劑的分類與開發

在這堂課中,我們將深入探討 PLGA 微米球技術及其在長效針劑開發中的重要性。PLGA,全稱為聚乳酸甘醇酸,是一種被廣泛應用於藥物釋放系統的生物相容性高分子材料。自 1989 年日本武田藥廠開發出第一款使用 PLGA 的產品 Lupron Depot® 以來,這種技術已被用於多種藥物的開發,涵蓋了小分子藥物和胜肽類藥物。

PLGA 的關鍵特性,包括乳酸與甘醇酸的比例、分子量及高分子末端基團,對藥物的釋放速率和持續時間有著顯著影響。在製程技術方面,溶劑揮發法和溶劑萃取法是兩種主要的製備方法,它們對於親水性和疏水性藥物的包覆都至關重要。這些製程不僅決定了微米球的形成,也影響著藥物在微米球內的分布和最終的藥物釋放行為。

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此外,微米球製程的工藝還包括乳化、coacervation 過程、溫度、攪拌速度、微米球固化和乾燥速度等因素,這些都對藥物包覆效率、微米球的粒徑大小分佈及藥物在微米球中的分佈位置產生影響。而不同的製程設計往往會導致藥物釋放行為的顯著差異,這對從實驗室到試量產階段的轉換是一大挑戰。

在台灣,工研院在經濟部的支持下建立了一個無菌製劑試製工廠,該工廠配備了微米球製程設備、高壓均質機、in-line均質機、噴霧乾燥機等關鍵製程設備。這些設備不僅能夠支持微米球的生產,還包括了關鍵的分析儀器,如液相層析儀、氣相層析儀、微米/奈米粒徑分析儀等。工研院的團隊擁有豐富的特殊製劑開發經驗,能夠提供從製劑配方研發、分析方法開發、放大製程開發到客製化產線設計的全方位服務。這些資源和專業知識使得工研院能夠有效地支持新藥的臨床前開發和商業化進程。

總的來說,PLGA 微米球技術在藥物釋放系統的開發中扮演著關鍵角色。透過精確的材料選擇和製程控制,這項技術有望為醫藥界帶來更多創新和有效的長效針劑產品。


還想看更多?不用掏出信用卡,三門線上課都在 ITRI Lab on-line 的 YouTube 頻道獨家放送中,手機打開就能看。但……雖然不用急,但是科技進步也是不等人的,快跟上吧!

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最硬核線上課程來了!工研院不藏私開課的原因是?
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・2023/12/14 ・1114字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 工研院 委託,泛科學企劃執行。

「ITRI Lab on-line」線上學習平台,讓複雜的科技原理簡單學! 圖/envato

你有沒有想過,是什麼驅動著今日產業的創新與變革?答案就在工研院的「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程中!這是一個與眾不同的學習機會,讓你深入了解並參與到台灣產業創新的核心。

首先,來說說「環構計畫」的緣起。這個計畫是為了配合國家創新產業政策而生,它的目標是建置和維護創新技術與服務平台。這不僅幫助企業開發新產品和服務,推動新興產業和新創公司,還能加速創新技術的產業化,促進企業的轉型升級。為此,工研院不斷擴建新研發場域,涉及各主要技術領域,實驗室分為檢測/認驗證、試量產/試營運、軟體與硬體設施服務等類別。

工研院的目標是推動台灣產業的創新優化與轉型,幫助業界把握新契機,布局自主創新和產業韌性所需的基礎設施。為此,工研院提供「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程,這些免費的線上學習資源將幫助你快速掌握產業新趨勢,增強企業技術升級與轉型的意願。

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對於晶片生產來說,必須借助科技力量除錯。 圖/envato

這系列課程包括三大主題:「永續高值材化」、「智能晶片」和「精準健康」。每個主題都有專門的課程,總共22支數位課程影片,涵蓋從技術原理到應用範圍的各方面知識。這些課程不僅介紹了工研院實驗室的專業技術,也為企業提供了學習和轉型的寶貴資源。想先試看嗎?點這裡看看我們推薦的三堂課吧

無論你有興趣的是材料檢測與模擬設計、半導體IC設計與檢測技術,還是醫材醫藥產品開發,這些課程都會給你全新的視角和知識。每個課程都是精心設計,旨在幫助企業和個人掌握關鍵技術,並在低碳化與智慧化的時代中保持領先。

現在,只需點擊下方的連結,就能免費加入這個精彩的學習旅程。快來發掘和學習那些塑造當代產業未來的關鍵技術吧!

材料檢測與模擬設計之原理與應用系列學習
半導體IC設計與檢測技術系列學習
解密醫材醫藥產品開發攻略系列學習

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【ITRI Lab on-line】系列影片可在工研院產業學院YouTube頻道觀看:點我前往

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