輕鬆使用Android裝置控制樂高機器人：多點觸控

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。

她是全球知名好萊塢影星，同時也是發明「展頻技術」（Spread Spectrum；過去稱為秘密通訊系統）的關鍵人物，更被人尊稱為「Wifi 之母」、「藍牙之母」，鮮明的性格、亮麗的外表（她真的很漂亮）、才能與智慧，造就了海蒂．拉瑪戲劇性的一生。

海蒂．拉瑪（Hedy Lamarr，1914－2000）的原名為海德薇希．愛娃．瑪麗亞．基斯勒（Hedwig Eva Maria Kiesler），是個出生於奧地利的匈牙利猶太後裔，父親是維也納知名的銀行家，母親則為一名鋼琴家。

為夢想勇敢前進電影產業

少女時期的海蒂．拉瑪被電影吸引，便毅然決然放棄了當時仍在學習的通訊專業，退學後的她學了鋼琴、芭蕾，幸運地被導演馬克斯．萊因哈特挖掘，將她帶到了位於柏林的表演學校，先是由場記員做起，闖蕩電影界。

1930 年，年僅 17 歲的海蒂．拉瑪出演了她的第一部電影，之後陸陸續續拍攝了多部作品，其中讓她從此聲名大噪的，是在 1933 年的捷克電影《神魂顛倒》（Ecstasy），劇中她不畏世俗眼光，為戲裸泳及全裸在森林奔跑，這也使她成為了第一位在螢光幕前全裸出鏡的女主角。事後海蒂．拉瑪回憶起這部作品：「你用你的想像力，便可以看到任何女演員及她的裸體。」

成名不久後，她便結識了第一任丈夫——弗里茨．曼德爾，是一名奧地利的軍火商。由於生意上的往來，海蒂．拉瑪因此可以在招待客戶時，從旁聽聞丈夫與買賣方之間的交談，這便促成了她擁有無線電通訊知識的機緣。

儘管生活富裕，然而婚後的海蒂．拉瑪並不快樂，處處遭受限制，甚至連熱愛的電影產業也被禁止涉足。1930 年代納粹滲透奧地利，海蒂．拉瑪堅決反對納粹，但身為猶太人的丈夫卻與希特勒及墨索里尼等法西斯主義份子做交易、打交道，終於讓海蒂．拉瑪下定決心逃離不愉快的婚姻生活。

在逃離到倫敦後，結識了老牌電影公司米高梅創始人之一路易．梅耶，他與海蒂．拉瑪簽訂了一份長達七年的影視合約，前往美國踏上好萊塢演藝之路。她由於電影《神魂顛倒》受到不少批評，也是在此時將名字改為我們所熟知的海蒂．拉瑪。隨後便在好萊塢參與多部影視作品，出演許多受人歡迎的電影，成為家喻戶曉的女星，紅極一時。

1940 年海蒂．拉瑪在聚會上認識了鋼琴家喬治．安塞爾，就在兩人聊天時，她想起了軍火商前夫曾與納粹官員談起如何操控魚雷的內容……。

發明展頻技術

就在某次聽安塞爾彈奏鋼琴時，看著按壓不同琴鍵就能使聲音有所變化，於是海蒂．拉瑪聯想起，直接用無線遙控魚雷，就很容易使之被相同頻率的信號干擾，造成魚雷偏離目標，既然改變鋼琴鍵能直接改變聲音，那麼同理，如果是直接改變無線電信號的頻率就能改變發出的信號！若不停地隨機改變信號頻率，因敵人干擾而影響魚雷的機會就會減少很多。

做為專業且優秀的音樂家，安塞爾想出了具體的實施方法，他曾使用了 16 架自動演奏鋼琴創作了《機械芭蕾》（Ballet Mecanique）一曲，而自動鋼琴的原理為，以打孔紙卷來記錄音譜，透過裝置捲動紙軸，紙卷上的孔位與驅動機械連動，使相對應的裝置擊琴鍵，從而演奏出音樂。

運用自動演奏鋼琴的原理，在魚雷的接收器和艦船發射器內安裝相同編碼的滾筒，在兩者同步運轉時調整頻率，就可以達成透過載波快速切換不同頻率，使得接收端與發射端產生偽隨機（後稱此技術為跳頻展頻；Frequency-hopping spread spectrum, FHSS）。

兩人在 1941 年時向美國專利商標局（USPTO）提出專利申請，並將這項技術發明命名為「秘密通訊系統」（Secret Communications System），隔年順利通過，專利號為 2292387，就是我們現在的展頻技術（Spread Spectrum），值得一提的是，他們共使用了 88 種頻率，而鋼琴鍵數就是 88。

由於該技術是由演員與音樂家所發明的，期望為戰爭貢獻心力的兩人，此項發想在當時難以說服軍方使用。但兩人還是將專利無償提供給美國軍方使用，也自行支付相關的專利維護費用，而當時的電子科技發展仍無法支持這樣的技術，一直到冷戰時期，電晶體發明後才真正被運用於軍事上。

成為無線電通信技術發展的基礎

日後展頻技術被應用到眾多無線電通信中，分碼多工存取（Code Division Multiple Acces, CDMA）、無線區域網路（WLAN）、Wi-Fi 與藍牙都是基於此技術發明出的。

海蒂．拉瑪與安塞爾並沒有繼續深入研究他們的發明，而上述新技術與海蒂與安塞爾的專利雖有相通之處，但都沒有觸及其專利權，兩人終其一生未因此專利獲得任一分錢，即便至近年 ，這項技術還是被許多專利所引用。

在這項發明專利公布的 56 年後，1997 年兩人的成就才終於獲得電子前線基金會（Electronic Frontier Foundation；EFF）榮譽技術獎章殊榮，2014 年兩人被選入美國發明家名人堂，直到現代，海蒂．拉瑪才真正獲得世人廣泛的認同。

後記：

在讀完海蒂．拉瑪的故事後，筆者思考起，儘管海蒂．拉瑪不像大眾所熟悉的發明家、科學家，擁有豐富的學識背景，甚至是圈子裡優秀出眾的學者，然而她從生活中發現了他人不曾想過的，也確實把它實踐了，讓以為距離遙遠的科學發明，也有了浪漫親近的一面。

參考資料：

• 維基百科—海蒂．拉瑪
• 好萊塢美麗影星與秘密通訊技術的發明者—海蒂．拉瑪
• United States Patent and Trademark Office
• 維基百科—展頻

文／曾吉弘（CAVE教育團隊）

我們已經在前兩期的專欄中（2013年1月號、2013年3月號）介紹如何用Android手機上的姿態感測器來控制樂高機器人。搭配手機的感測器，您可以像玩Wii遊戲機一樣，以體感的方式來與機器人互動。本次專欄將使用App Inventor中的TextToSpeech元件（本文後簡稱TTS元件），讓手機「說」出機器人感測器的狀態（圖1）。程式執行的過程中，我們還可以即時更改感測器的類型，是很實用的功能呢！

App Inventor的TextToSpeech元件可以讓Android手機以語音方式輸出指定的文字或數值內容，本範例就是讓手機每秒播報一次感測器數值。除此之外還可指定語系與國家，預設值是eng（英語）與USA（美國），代表美式英語。您可以參考App Inventor中文學習網來改為其他歐陸語系，例如德語、法語或義大利語，會有更有趣的效果。

請注意！目前App Inventor不支援中文等亞洲語系的語音輸出。

開始玩機器人

請把NXT機器人組裝好，並將左側馬達接在NXT的輸出端B，右側則是輸出端C（註1）。請確認NXT主機的藍牙是啟動的，接著將NXT主機與Android手機進行藍牙配對（註2），完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後您可以從NXT主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能：

STEP1  登入畫面：

首次進入程式的畫面如圖2a，只有「NXT裝置清單/連線」按鈕可以按，其它所有按鈕都無法操作。點選[NXT裝置清單/連線]按鈕後進入藍牙裝置清單（圖2b），請找到剛剛配對完成的NXT主機名稱（本範例為abc），點選之後就會由Android裝置對NXT主機發起藍牙連線。順利連線成功的話，就可接續選擇感測器類型（圖2c）。

STEP2  程式初始化：

在點選連線清單之前（ListPickerConnect的BeforePicking事件），需先將清單內容指定為Android裝置上的藍牙配對清單（圖3a）。點選之後則先測試連線是否成功，成功則將「選擇感測器」與「開始念/停止」設為可點選（圖3b）。

STEP3 選擇感測器類型：

為了節省畫面空間，我們使用了Listpicker搭配清單來達到下拉式選單的效果。首先需要宣告一個清單，內容為（color.jpg, sound.jpg, light.jpg, ultra.jpg），就是使用的感測器圖檔名稱（圖4a）。編號index則依序由1到4。本範例就是使用這個編號來更改顯示的圖片與感測器類型。

由圖4b中可看到當我們點選了要使用的感測器之後，就要把「開始念/停止」按鈕設為可點選，代表我們準備好要念出感測器數值了。另外還把這個編號所代表的項目內容顯示在畫面上，最後則將Image元件的圖片換成這個編號所代表的圖檔（select list item指令）。例如圖4a中的sensorList清單中的第3號的項目內容就是「light.jpg」。

注意！List清單實際上就是一般程式語言中的陣列（array），App Inventor使用了較為親民的用語。另外n個項目的陣列其項目編號是由0到n-1，App Inventor則是1到n。

STEP4  根據選擇的感測器類型來控制TTS元件播報內容：

選擇感測器類型，實際上就是在ListPicker_SensorList中點選了某個項目，接著就要根據這個項目的編號index（請注意，不是項目內容！）來決定TTS元件的播報內容。在此我們使用一個副程式say來管理程式，讓程式更簡明易懂。在say副程式中，它會藉由接收到的sensor參數（也就是傳入的編號index）來決定TTS元件的播報內容與TextBox/Label的顯示內容。請看圖5說明：

STEP5  使用Clock元件來控制TTS元件：

我們將Clock元件的TimerInterval設定為2000毫秒，代表每兩秒呼叫一次say副程式，並傳入剛才所點選的感測器類型編號（SelectionIndex）。這樣就能控制TTS元件的播報內容與TextBox/Label的顯示內容（圖6）。

STEP6  開始/停止播報感測器數值：

如果在尚未建立與機器人的藍牙連線之前就要TTS念些什麼的話，就會得到-1 這個討厭的數值。所以我們使用「開始念/停止」按鈕來啟動或關閉Clock元件，並將現在的播報狀態（STOP！或SPEAKING！）顯示在手機的狀態列。您可以隨時用這個按鈕來決定停止或繼續播報資料（圖7）。

STEP7  斷線：

按下「斷線」按鈕之後，會中止藍牙連線（BluetoothClient.Disconnect指令），並使按鈕恢復到未連線時的狀態（圖8）。

操作

實際執行的時候，請先確認NXT已經開機且藍牙也啟動了，並將顏色、聲音、光與超音波感測器依序接在NXT主機的1到4號輸入端。接著在您的Android裝置上點選程式畫面中的「連線」按鈕，會進到如圖4b的藍牙清單畫面，點選您所要的NXT主機名稱並連線成功後，接著選擇感測器類型，點選之後會顯示對應的感測器圖片與名稱，如圖9所示。

最後點選旁邊的「開始念/停止」按鈕就可以聽到手機把感測器數值念出來了。以下是選擇超音波感測器時的畫面，畫面也會同時顯示數值為58（圖10）。

TTS元件是用來語音輸出的元件，它可以說出我們所指定的內容，包括文字與數字。您可以讓機器人用說的方式來呈現它的狀況，例如撞到牆壁時，可以說出「Ouch!」等趣味效果。期待您從本期專欄的內容來激盪出更多有趣的火花。請繼續關注CAVE的機器人專欄唷！

歡迎大家由此連結下載本程式來玩玩看，或掃描以下的QRCode也可以直接將檔案下載到手機。或到App Inventor中文教學網上直接下載本範例的App Inventor原始檔與apk安裝檔。本程式已上架Google play，請到Google Play搜尋「CAVE教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app了。

註1：想學如何開發App Inventor程式嗎？請到App Inventor中文學習網與我們一同學習。
註2：將Android手機設定為可安裝非Google Play下載的程式以及讓手機與樂高NXT主機連線等說明請參考此連結。
註3：與NXT連線後如果出現[Error 402]之錯誤訊息請不必理會，程式依然能正確執行。

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/5月號