雖然這時代是電子學時代，不過大部分的朋友可能除了小時候的燈泡實驗，就沒有創造過自己的電路還是裝置了。簡單的電路除了主動元件-像是LED或是馬達等以外，主要是電阻跟電線的接合。不過因為需要焊接或是使用麵包板，對一般人來說並不方便。
這影片介紹了怎麼利用黏土來做電路的方式，黏土其實是一些固體跟液體的混合，可以做的材料其實在廚房都找的到，只要控制成分像是鹽或糖的比例，就可以控制做出來的黏土的導電度，因為黏土的特性很容易跟任何東西疊合或是相接，所以簡單地把一些主動元件插在不同黏土的堆疊上，就可以創造出不同的電阻與線路接合的電子裝置。
雖然是簡單的應用，不過讓電路創造過程可以在自己的手上實現，是很難取代的體會，尤其是可讓小朋友體會這種創造的樂趣。有興趣的朋友可以試看看喔！
本文原發表於科學影像Scimage
本文由 德州儀器 委託，泛科學企劃執行。
從 IC 之父 Jack Kilby 在德州儀器發明世上第一顆積體電路，到現在已過了 65 年，而這項科技已經成為我們的日常，並且還在不斷進步。德州儀器不僅是積體電路的先驅者，更長期投資氮化鎵 (GaN) 的電源應用，例如資料中心伺服器電源、再生能源、或是小體積的電源供應器等，開發許多獨創的電路結構。在已到來的次世代半導體浪潮中，德州儀器早已站穩了腳步，成為高壓半導體領域的領導者。
氮化鎵作為新材料的崛起，已成為充電領域的新寵，甚至打敗了傳統的矽 (Si) 基充電頭。然而，要充分發揮氮化鎵的潛力，需要量身定制相對應的策略和戰術。
拓樸電路是氮化鎵最好的後勤部隊，能讓它發揮 100% 的力量。但這個拓樸電路又是什麼呢？
先來談一下比較陌生的名詞「拓樸」。拓樸是幾何學中重要的概念，主要在研究物體在連續變化下時的不變性質。舉個數學家最愛的例子，就是研究如何把一個帶手把的馬克杯變成甜甜圈。這是什麼鬼題目？這就像問炭治郎什麼時候要開 5 檔，八竿子打不著吧？但對數學家來說，這個題目是可能的，因為帶手把的馬克杯和甜甜圈有個共通特徵，就是有一個洞！只要有這個共同特徵，我們確實就可以透過一系列的數學運算，將馬克杯變成甜甜圈。
舉例來說，漫威電影中班納博士變身成浩克，如果希望浩克的身上能看得出班納博士的影子，就必須用拓樸學先將班納博士的五官這些「特徵」定位好，製作成大家常看到有如網格的 3D 建模，變身成浩克時才不會整個走鐘（台語），臉部比例亂成一團。沒錯，拓樸解決的，是在兩種形狀間切換時，這些特徵與圖案的比例不會隨便亂跑，成為四不像的東西。
回到我們的氮化鎵電路，難道我們要利用拓樸學，把電路板的形狀變成一個甜甜圈或是浩克嗎?當然不是，這邊指的是用更少的元件、更低的延遲與漏電的設計，把相同功能的電路重新改寫配置。
簡單來說，電路拓樸就像是電路板上的藍圖，告訴我們如何把各種電子元件，比如電阻、電容、電感、電晶體等組織在一起，來完成我們想要的任務。
每種電路拓樸都有它的優點和適用的場合。例如，Buck轉換器可以將輸入的電壓降低，適合用在需要較低電壓的應用上。Boost轉換器則可以提升電壓，適合用在需要較高電壓的應用上。LLC轉換器具有高效率和寬輸入電壓範圍的特性，適合用在需要高效率和靈活性的應用上。PFC（Power Factor Correction）則是一種用來提高電源效率的技術，它可以使輸入電流與電壓同步，減少能量損失等等。
然而，這些都是以矽為主的拓樸電路，為了充分發揮氮化鎵百分之百的潛力，我們不能僅僅依賴傳統的電路設計方法和拓樸，而是要重新塑造！
那麼，我們要如何重新塑造才能全部發揮 GaN 的實力呢？讓我們以一種常見的電路拓樸—功率因數校正 PFC 為例。
PFC，是電路中的交通指揮，負責將電路中電流與電壓同步，以達到最佳的效率。在電訊號經過漫長電路之後，常常導致輸出的電流與電壓波形出現時間差，不再同步。我們知道功率等於電壓乘以電流，因此兩者好好配合，才能發揮最大效益，如果兩者沒有同步，就會降低整體電路的有效功率。
PFC 功率因數修正電路，現在看到在做的事情，就是讓它們好好同步，降低無謂的能量浪費。目前世界各地許多法規都直接要求在電路中加入 PFC，提升用電效率。
那麼問題來了，同樣是 PFC 電路拓樸，現在我們有兩種設計，下方的圖 1－雙升壓 PFC，跟下方圖 2－圖騰柱 PFC。
依照我們希望體積盡可能小的需求，直覺來說你要選哪一個呢？
當然是圖 2，因為他看起來比較簡單嘛。可惜的是，市面上大多矽基半導體的 PFC，都是選擇圖 1 方案。因為圖 2 方案的簡約設計，前提是關鍵的二極體必須具備低的「反向恢復時間」。
所謂反向恢復時間，指的是電晶體在電源切斷的瞬間，電晶體內仍有殘留電荷，會反向放電，造成電路阻塞。而矽基半導體過長的反向恢復時間，會導致電源損耗上升。反之，氮化鎵因為反向恢復時間為零，可以完全適應高效的圖騰柱 PFC。
這邊提到的 PFC 只是氮化鎵的其中一種運用，別忘了，除了零反向恢復時間外，它還有著能承受高電壓與高溫的特性，再加上低漏電率的關鍵被動技能，在目前的半導體戰場上，可說是最強的挑戰者。未來在各種電源供應器上，應該很快都能看見它的身影。
當然，講到這邊，都僅止在題本作答。在實際的晶片設計中，各元件間的距離與電路安排，都需要經過多次的試驗和調整，才能找到最適合的電路拓樸和元件配置，而這也正是德州儀器所擅長的領域。
德州儀器設計出的電源供應器，已經遍佈全世界的重要設備中。除了提供高效的能源供應，節省下的能源，也直接減少了許多碳排。根據估計，對一個 100 MW 的資料中心來說，換上 GaN FET 之後，就算只有提升 0.8% 的效率增益，在 10 年內就能節省多達 700 萬美元的能源成本。尤其在 AI、量子電腦等科技發展蓬勃的現在，在「節流」這一塊的投資，真的非常重要！
看到這鋰，如果你也想訓練這個「黑科技」氮化鎵，打造更強的電路、為世界的節能貢獻一份心力。或甚至像 IC 之父 Jack Kilby 那樣，發展全新的電路架構，做出足以改變世界的創舉，德州儀器歡迎所有熱血人才加入，一起來改變世界吧！
在【齒輪時代】的最後一章提到，MIT 教授凡納爾．布希除了發明微分分析儀之外，也直接或間接地對電腦發展做出重要貢獻。其中一項間接貢獻就是來自他所指導的學生夏農 (Claude E. Shannon)。這位不世出的天才雖然大眾知名度不高，但事實上，現代電腦與通訊的發展，都始於他憑一己之力提出的理論基礎。
本文為系列文章，上一篇請見：電腦運算的基礎——布林代數，是麼搞出來的？│《電腦簡史》數位時代（三）
夏農自小就喜歡搞電子實驗，他還曾利用鐵圍籬和八百公尺外的鄰居互傳電報。1936 年，夏農以數學和電機雙學位自密西根大學畢業後，進入 MIT 電機研究所就讀，同時在布希的實驗室當研究助理。
當時微分分析儀是唯一能算高階微分的計算機，所以實驗室不時會接受教授或其它研究單位的委託，為他們計算微分方程式。夏農的工作便是針對他們的問題，調整微分分析儀的設定，包括大大小小的連桿、滑輪等機械零件，以及近百個控制電動馬達的繼電器。
夏農相當樂在其中，看著微分分析儀按照自己的設定運轉，最後自動畫出答案，總令他心情愉悅。而最令他著迷的，就是在背後控制所有動作的繼電器。繼電器就像閘門，掌控電流的進出，雖然只有開與關兩種狀態，但串成迴路後，就能以特定的順序開開關關，就能讓微分分析儀解出各種微分方程式。
第二年暑假，夏農到美國電話電報公司 (AT&T) 的貝爾實驗室實習。當時貝爾實驗室正在開發縱橫式自動交換機，也是利用繼電器來控制電話線路的搭接。夏農操作了一學年的微分分析儀，對繼電器的運作已了然於胸，儘管電話交換機是截然不同的機器，其中的迴路也更密集複雜，他卻能看出兩者在運作上有共通之處。
無論迴路大小，都是由許多繼電器與電路所組成，不同的連接方式決定電流如何流動，進而讓機器做出不同動作。如果兩個繼電器在一條電路上前後串聯，就必須兩個繼電器都打開，電流才能通過。如果電路一分為二，各自經過一個繼電器再合而為一（這稱為並聯），就只要有一個是開的，電流就能繼續往前了。
這只是電路的基本常識，每個工程師都知道，但就是沒有人像夏農那樣，看出電子迴路與布林代數的關聯。
夏農是以數學和電機雙學位畢業，對布林代數自然不陌生，但要從實體的電路聯想到抽象的邏輯關係，真的要有超乎常人的洞見。在他眼中，繼電器只有開、關兩種狀態，恰可用布林代數中的 1 與 0 兩種數字表示。繼電器串聯相當於邏輯運算的「且」(AND)，並聯則是相當於「或」(OR)，不管是什麼迴路，都可以用布爾代數描述。
暑期實習結束後，夏農回到學校，立即向導師布希提及自己的想法。布希深感興趣，鼓勵他以此做為碩士論文的題目。
沒幾個月，夏農就在 1937 這一年完成劃時代的論文，題為〈繼電器與交換電路的符號分析〉(A Symbol Analysis of Relay and Switching Circuits)，開宗明義即宣告：「任何電路都可以用一組方程式表示，……。事實證明，其計算方式完全等同於符號邏輯所用的命題運算。」
夏農先以簡單的雙開關電路為例，說明如何用布林代數標示串聯與並聯的接法，並列出基本公理與交換律、結合律、……等運算法則。接著他再進一步分析不同型式的複雜電路，證明也都可以用布林代數表示。最後夏農強調這套方法不只可以用於現有的機器，還可以解決各種問題。
他寫道：「事實上，任何運算只要是用『若』、『或』、『且』等字眼在有限的步驟內描述，都可以用繼電器自動算出來。」
為了佐證這項主張，他提出三種全新的應用，並附上自己設計的電路圖。第一個是電路的簡化；原本使用二十個元件的電路，經由邏輯演算找出等效的表達式後，可以將元件減少為十四個。第二個與第三個應用都是他的創新發明，分別是使用五個按鍵開關的電子密碼鎖，以及二進位的電子加法器（嚴格來說仍不算電子式，因為繼電器的開關仍是利用電磁鐵的機械動作）。
這篇論文於第二年公開發表後，立即引起巨大的迴響，甚至被譽為「應該是本世紀最重要、最值得注意的碩士論文」，後來《科學美國人》雜誌也稱它是「資訊時代的大憲章」。
的確，夏農這篇論文影響深遠。原本錯綜複雜的電路圖改用布林代數表示後，就可以在實際建造機器之前，清楚計算出執行的結果，大幅減少嘗試錯誤所耗費的時間與成本。除此之外，還能如夏農所示範的，找出更精簡的電路方案。科技產品因為設計效率提升、製造成本下降，才得以更加迅速地推陳出新。
計算機的發展也受惠於夏農的創見，才開啟了數位時代（他革命性的通訊理論會在第三部另外介紹）。
夏農所提出的邏輯電路雖然以繼電器為範例，但其實這套抽象法則具有普遍性，任何有開關兩種狀態的元件皆可套用。因此即使後來繼電器被真空管取代，然後真空管又被電晶體淘汰，無論電腦的硬體零件怎麼換、電路圖多複雜，都還是基於夏農所提出的邏輯閘。
夏農已經指出一條通往未來之路，很快地，這條路上就將出現打造現代電腦的各路好漢……。
尤嘯華常跟學生說：「左手掌握分子，右手掌握奈米，就可以做很多事！」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中，藉由模仿生物體結構，設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料，將能因應不同領域的需求，開發出各種生物電子元件。
我們很常遇到的問題是，別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要，有些只專注於優秀的電子元件，但若沒有良好的接觸介面，遲早會有問題。
尤嘯華點出這個容易被忽略的問題，將電子元件放入生物體內時，大多只在意電子元件本身的功能，卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。
生物體由有機分子組成，尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中，開發出各種有機導電高分子化合物，可運用於生物醫學領域，做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務，也提升電子元件與細胞接觸的相容性。
一般對「材料」的理解可能是：一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」，取師於大自然中常見的含羞草，若用指尖給予含羞草壓力，植物細胞結構變化會帶動開闔反應。
記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料，就好比含羞草，若遇到環境中的觸發機制，會隨之產生響應式的分子結構變化。
雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應，但若直接將電子元件植入體內，例如心臟血管支架或是矽晶片，可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此，需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」，鋪設在植入生物體內的電子元件上，讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。
若將「目標細胞」比喻為「鎖」，則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」，要能與鎖的洞口相容，並開啟生物反應機制。
「仿生細胞薄膜」的原理，就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織，來模仿細胞膜的成分與結構。
雖然過去的研究中，有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可，但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇，因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性，可以作為電子元件和細胞的黏著劑，或成為傳遞生物訊號的通道，也有助延長電子元件的壽命。
由於某些癌症不容易切片檢驗，例如腦癌或肺癌，因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中，可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞，更準確且更方便地取得癌症資訊。
「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構，可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞，提供數據給醫生參考。
這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構，裝上硼酸分子的官能基團，會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結，奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來，並進一步純化細胞。
這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化，幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性，也有機會運用於孕檢，孕婦只需抽血檢查，就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。
這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究，尚有一些挑戰待優化。首先，癌細胞的量非常稀少，如何抓到取出體外，這過程很困難；其次，要確保取出的癌細胞，在離開存活環境後的生物訊號不會變質。
答：科幻電影其實是很有啟發性的，對科學家來說，沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術，我都願意嘗試發展。
例如，最近我們實驗室有個技術，可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構，可以培養取出體外的「神經細胞」，並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後，可以再透過生物電子元件，將它放回生物體內，確保神經細胞不會被破壞。
答：台灣的強項是電子產業，但我想做些不一樣的事，我喜歡原創性、概念性的研究項目。
我在美國麻省理工學院有機化學博士班時，原本研究的是「化學偵測器」，後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近，但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物，而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變，像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣，有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發，卻缺乏更多「材料」的開發。
現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的，當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內，是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如，蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結，但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基，會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面，也希望能開發出更多有機智慧材料。
答：
最大的挑戰是與不同領域的人溝通，還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。
在有機生物電子元件的研究過程中，需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家，而且是研究分子基理的專家，而應用端則需要醫生，這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時，很難說服其他領域的人合作，所以我試著到不同領域的研討會演講，主動尋找更多合作機會。
答：（思考了幾秒後說）我們實驗室已經研發出很多介面材料，但是到底有什麼可以真正拿來應用？從科學、到科技、到應用、再到產品，這個過程非常困難，而走上市場的這條路更是艱辛。
以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例，他應用先進的科學原理，花了十幾年研發，開發出偵測 TNT（三硝基甲苯）氣體的機器，現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區，用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中，最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力，未來我希望可以跟更多團隊合作，開發出可以改變人類生活的應用。
就算開發了 100 個材料都沒用，但第 101 個可以進入市場、幫助到別人，那就很好了。
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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
