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開放硬體來了!

活躍星系核_96
・2013/05/23 ・2712字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

文 / Kenson Chou,TOPC 台灣開放平台俱樂部 創辦人

開放硬體(open hardware),最近這幾年在全世界都掀起了風潮。其中比較知名的開放硬體,包含有 Arduino 快速電子打樣系統、Raspberry pi 樹莓、迷你PC、3D列表機…等等。這些裝置,不但簡單易用,價錢也非常便宜,對世界的DIY愛好者,有著廣大的吸引力,也對全人類科技電腦的進步,有著顯著的影響。有人預估開放硬體的出現,也將如網路改變人類的生活一樣,加速人類第三次工業革命的到來。既然開放硬體有如此巨大的魅力與影響力,就讓我們深入開放硬體的殿堂,一窺其全貌。

TOPC聚會的照片

什麼是開放硬體呢?

所謂開放硬體,就是硬體裝置(device)設計者將線路圖、佈線圖、零件表等關鍵技術資料,開放給一般大眾,讓所有人都能依據這些資料,使用、改進、製造更優良的硬體裝置。相對於開放硬體的開放,傳統的硬體裝置,所有關鍵資料都是屬於機密,當然也不會放到網路,開放給大眾。剛接觸開放硬體的人都會感覺驚訝:真的有人願意這麼作嗎?會把辛苦研發的產品分享出來?答案是確定的,真的有人如此作,而且還是不少人或團體。許多人推出開放硬體的目的也許不盡相同,但只要是開放,就符合「自由」、「分享」、「互惠」的基本精神,而這些精神,是令人鼓舞與讚賞的。

GPL遊戲規則

雖說自由、分享與互惠是開放硬體的精神,但要實際使用開放硬體,還是有些規則大家必須遵守,否則再好的精神,也無法長久持續下去。開放硬體的的規則主要是以GPL (general public license 通用公共授權條款)為代表。GPL當初是 由 Richard Stallman為了 GNU 計畫所撰寫(GNU 計畫是發展UNIX操作系統),而其目的,是為保證 GNU 軟體可以自由地被使用、複製、修改和發行,這與傳統商業授權條款用來限制使用者的目的完全相反。GPL 這種精神與內涵,後來陸續被其他人效法與使用。時至今日,除了當初的開放軟體外,開放硬體也同樣加入GPL的行列,使得GPL成為開放軟硬體使用最廣泛的授權條款了。當然,除了GPL以外,還有其他衍生LGPL與 BSD等類似授權條款,也被當作授權條款之一。

開放硬體內容

開放硬體到底開放哪些資料呢 ?一般而言,開放硬體所提供的開放資料包含下列幾個部份,有了這些資料,使用者就可以進行修改與複製。其中要注意的是,廠商依據其自身的考量,提供出來的開放資料不盡相同。另外,就算是廠商有提供這些關鍵技術資訊,也可能不是最新版本,也不會提供品質保證。這些開放資料的使用風險,使用者必須自己承擔。

  1. 線路圖 (schematic):線路圖是硬體裝置最重要的技術資料,有了線路圖,就可以據此產生佈線圖、零件表,最後將設備製造出來。所以一般而言,有號稱是開放硬體的裝置,線路圖一定會開放。
  2. 佈線圖 (Layout):就是零件(電容、電阻、關鍵IC)的佈置圖。許多開放硬體不一定會開放佈線圖。
  3. 零件表(Bill of Material):所有零件的列表,有了這個表,就可以據此製造開放裝置,計算出生產成本以及庫存管理。許多開放硬體不一定會開放零件表。
  4. 授權條款:廠商所宣告的授權條款,也因其自身考量而會不同,不過一般而言,還是以GPL或是LGPL/BSD為大宗。開放硬體絕大部份都有授權條款。
raspberry pi 相片,取自 www.raspberrypi.org

開放硬體的特色

售價低廉、容易使用、說明文件多、社群參與多,是開放硬體幾個鮮明特色。這些特色都源於開放硬體的最重要的部份:線路圖開放。

有了線路圖,就可以激起人類的好奇心與求知欲,參與的人就變多了,討論的人也變多了,當然就有熱情的人與社群願意分享許多使用經驗與產品說明;而這一切,都會加速開放硬體的推展。售價低廉是開放硬體一大特色,有了線路圖,理論上,誰都可以製造生產,不會被少數廠商壟斷,零售價當然就相對低廉許多。以前一片2000~3000NT的教學開發板,現在只要500~1000NT就解決了,對使用者而言是一大利多。源於義大利的 arduino 快速電子打樣系統,其最大優勢就是容易使用,一般電腦產品都需電腦專業人員才能修改或設計,但 arduino 提供一個簡單好用的開發平台,讓一般的DIY MAKER、藝術家、互動科技愛好者…..等等非電腦專業人員,也可以在 arduino 硬體板子上開發新的產品。

開放硬體與開放軟體的差異

有些人也許聽過開放軟體( open software),顧名思義,開放軟體就是將軟體原始碼(source code),開放給他人使用,如歷史悠久的linux操作系統就是開放軟體。那麼開放硬體與開放軟體有哪些異同呢?下面作個簡單的分析比較:

  1. 開放的精神:兩者都是一樣的,都是推廣自由、開放、分享的理念。
  2. 授權條款:也是相同,都是依據GPL或是衍生之相關授權如 LGPL,或是其他授權條款。
  3. 開放內容:不盡相同,開放軟體是以程式原始碼(source code)為開放標的,而開放硬體通常以線路圖、零件表為主,當然還要加上能夠在此開放硬體執行的開放原始碼(open source)。所以一般而言,開放硬體開放的內容包含軟硬體(也可以稱作開放平台),範圍比較廣。
  4. 開放者類型不同:開放軟體一般源於個人或社群,只要將原始碼放到網路,讓有興趣的人下載,即可達到傳播之目的,這種傳播方式一般不需要實際額外資金投入。而開放硬體一般源於社群或商業公司,主要原因是開放硬體需要經歷製造過程,如購料、加工、生產、庫存……等等,才能看到裝置實體,而這些製造過程需要實際資金投入才能完成。
arduino due 相片: www.arduino.cc
arduino due 相片,取自www.arduino.cc

開放硬體四個層次

目前市場上有各種不同種類的開放裝置,其應用方式不太相同,如果將其功能區分為四個層次就更容易了解。目前進展最快,銷售數量最大的,就屬於第二層的 miniPC(迷你PC) 與 第三層的 3D列表機。隨著市場擴大,更多不同應用的開放硬體將會陸續出現。

  1. 第一層 IC 層:這是最底層,也就是將IC的設計圖開放出來,這部份還不成熟。
  2. 第二層 板材層 (board level):目前市場上流行的 arduino、raspberry pi、miniPC……等等都屬於此類。
  3. 第三層 系統層( system level):這一層開放裝置,需要高度整合軟硬體資源,例如 3D 列表機需要整合3D繪圖軟體以及3D輸出裝置。
  4. 第四層 跨領域整合層:這一層開放裝置,除了整合嵌入軟硬體之外,還整合了生物醫學等不同領域的專業知識,例如個人DNA檢測機。

開放硬體的未來

藉由開放硬體逐漸深入生活,人類將更能享受彼此科技發展的成果。過去「COPY」的「惡行」,將轉化為人類大幅進化的「動力」。試想,如果網路上有許許多多的開放線路圖與開放原始碼,每個人都可以複製、修改、傳播,並據此激盪出更多的創意,然後再回饋開放給其他人。許多人也可以將精力與資源投入在更複雜與更需要解決的事物上,如此循環下去,開放硬體的深度與廣度將大幅擴展,人類的整體進步速度也將遠遠大於過去的發展。


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相關標籤: openHW 開放硬體
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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