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從藝術到科技--水下機械生物「水之械」

馥林文化_96
・2013/07/24 ・4148字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

採訪/黃渝婷、謝瑩霖
攝影/張裕民
圖片提供/舒靜珉

將藝術與科技結合,可以激發出什麼樣的火花?工研院的舒靜珉開發設計出具有娛樂、美觀、具發展性的水下機器人「水之械」。目前「水之械」已有五代, 每一代都有不同的設計構想,雖然都有著以魚為設計概念的仿生外觀設計,但每代獨特的研發技術卻創造出不同的差異性。科技與藝術相結合,將為我們的未來世界 添加更多的美感。

跨界藝術家

目前在工研院服科中心的舒靜珉經理,與團隊設計出水下機器人「水之械」,這是工研院從2005 年開始的專案計劃, 這項專案計劃延續了幾年,製作出了共五代的「水之械」成品。團隊的主要負責人舒靜珉卻不是我們想像中的機械電機專業出身的理工科人, 反而是不折不扣的美術藝術家。

相信很多人都會有這樣的疑問:「『水之械』明明就是機器人,裡面有很多東西是要專業人士才能想到的吧?一個非機械相關科系出身的人要怎麼設計出來呢?」

但舒靜珉就是有這樣的能耐,撇開他本身的美術底子不說,也因為他擁有很高的學習動力。他為了完成這個計劃,花了一個多月時間把工程師丟給他的相當於 電子學教科書的檔案讀完,完全自學電子電路的基礎。雖然沒辦法跟一路唸機械電子上來的工程師比, 但舒靜珉說:「懂了一些基礎後,我在設計跟溝通上就比較有概念,像在設計時我可以把機械跟電子的構造和所需空間一併設計進去。而有了共通的語言,在與工程 師溝通時也快很多。」舒靜珉也堅持自己動手做,自己想辦法克服困難點。他說:「剛做第一代時很多東西都是第一次,所以碰上許多需要解決的問題。像是我們想 到了用絲襪來製模,以及用針筒來抓漏。這些都是非常簡單但是需要自己實際動手才能想到的,實際去執行後你就會發現問題在哪裡,然後想辦法解決它。」

針筒抓漏法。

「水之械」的開發

不同於一般由內部往外部開發的設計順序,「水之械」採用由外而內的開發方式,先繪製2D 平面圖再利用3D繪圖軟體做出實際的樣子,接著安排機構位置,並用圖像讓上司與技術團隊能清楚了解設計方向。因此開發與提案的速度都大幅提升。「水之械」 開發到現在已有五代,而由於舒靜珉喜歡水中生物,因此每一代的外觀都採仿生的設計,有的像魟魚,有的像座頭鯨,提供給使用者更容易親近的感覺,另外它們的 外觀皆無凸出的零組件,這讓移動的過程中不會產生鉤扯的狀況,使移動的流暢性更為提高。而「水之械」更有著許多特殊的專利設計,這些都是在一次又一次的測試中所得到的成果,也因為這些特殊設計, 使得「水之械」與過往的表演型機器人比較起來差異性較大,也激發了許多新的機器人設計觀點。

內部程式撰寫方面,舒靜珉採用常應用於底層硬體操作且自由度高執行速度快的組合語言,另外因為機器人機身較小,需採用單晶片來做為核心,使用組合語言較容易與單晶片產生搭配效應。

手繪草稿。

發展再創造

看到「水之械」的第一眼,並不會覺得這是一款機器人,反倒像是做工精細的模型玩具,可是實際上它卻是具有許多特殊設計的互動型機器人,由於舒靜珉的美術背景,讓「水之械」不會淪於外表冰冷堅硬的一般機器人,而是流露著一股柔性的藝術美。結合藝術與科技兩個領域是舒靜珉的特色,與其說他做的是機器人,不如說他做的是一項藝術品。

舒靜珉也希望現代的人在思考或是學習上可以有結合不同領域的概念,不要為自己設限。從他身上我們可以看到結合不同領域可以做出令人為之一亮的產品, 讓科技不再那麼無趣,也讓藝術品不再只是裝飾用的東西。

他也表示非常感謝一路走來各級長官的支持,及院內外所有合作夥伴的努力!

「水之械」一代∼五代介紹

一代:由外而內開發出的第一臺水下機器人
第一代的「水之械」, 舒靜珉以魟魚為仿生對象,設計成稍有弧度外觀,內部採用七顆高速馬達,每顆馬達分別控制兩個噴水孔,因此在機器人的表面共有14 個噴水孔, 透過程式的微調讓「水之械」在水裡不管水平或是直立都能自由活動。而由於是首次開發,光是在塑模的過程中就花費相當大的心力。

首先要利用3D 繪圖軟體輸出模具的輪廓,再將一片片的模板雷射切割出來,像製作燈籠一樣,將木桿穿過模板串起來製成骨架,再用絲襪將這些組件包覆起來。補土做出子模再開出母模,有了母模就能直接開模做出原型,以土法煉鋼的方式做出第一臺「水之械」。設計採整臺包覆,但仍有孔洞,因此會有漏水問題,此時舒靜珉想到使用醫療用的注射針筒插入機器人尾端的孔洞,透過擠壓空氣進入機體,藉由溢出的氣泡位置,便可測試出哪些地方有漏水,而在後來的每一代都會在尾端預留漏水偵測尾管裝置,讓之後的除錯速度提升不少。但百密必有一疏,漏水只能減量不能完全避免,而少量的水加上內部核心的溫度,又多了一個鏡頭會起霧的問題,但舒靜珉說:「一直在想著如何將核心溫度降低,反而無法避免起霧,將溫度拉得愈高愈好,內部起霧問題便迎刃而解。」

之後舒靜珉更將一代機器人外觀變形,將左右兩邊側翼切開,讓部分動力機構外露,也讓水流入部分機體,核心一樣透過特殊防水技術將水隔離在外。另外由於機體分開代表外殼須分開設計,也衍生出下一代可已更換外殼的設計。
二代:固定機器人核心與可更換的外殼

在一代的後期,由於讓水流入部分機體內,衍生出將機器核心與外殼分開設計的念頭。一代在關於浮沉方面的設計,舒靜珉刻意將機身比重設計成與水相近,因此可以擺放在水中任何一個位置,再採用噴射高壓水柱來直接推動機體,但速度不快且效率不佳。而在某次的因緣際會下,他運用跟魚膘類似的原理控制浮沉(魚膘是可改變魚體比重的器官)經過不斷的嘗試,製作出微型薄膜浮沉系統,並且榮獲美國(臺灣)設計專利。

薄膜浮沉系統。

另外由於一代機身重量較重且機體大,舒靜珉在二代做了大幅度的變化,將機身縮小至一個巴掌大,並將動力裝置由高壓噴水孔換成直流馬達控制螺旋槳,大大地減少機器人的馬達用量,重量也減輕許多;再搭配薄膜浮沉系統,較小機體能更快速且靈敏的變更水下的位置。但縮小化的設計也出現了不少缺點,因為機體較小,能放置的元件有限,使得機器人功能性稍稍下降。

另外, 開發出控制的互動對戰系統,就算是小機體也能有大樂趣。此種設計就像現今的七年級生小時候曾玩過的怪獸對打機一樣,不過不需要看著點陣排列的黑白螢幕,而是真實的機器人,也可能開發出更大的商業模式。

三代:透過互動裝置,不用碰水也可以撫摸「水之械」

三代特殊之處在於利用UWB(Ultra-Wide Band ,超頻寬)來感測人體的心跳頻率, 透過UWB 打出的超音波撞擊到人體心臟時,可因心跳頻率不同而回傳不同的訊息給機器人,使機器人作出相對的互動反應,再透過程式撰寫許多動作設定給Dummy互動裝置。每當Dummy 辨識到不同手勢時,就會傳送訊號給機器人,機器人再依照相對應的動作設定來做出動作。如此一來,就可以在不用碰觸到水的情況下,使機器人收到等同於實際撫摸的訊息,進一步進行互動行為。

可與「水之械」互動的裝置Dummy 。

舒靜珉分享到:「在三代開發時有個小插曲,因為每一代在開發過程中,都要先用3D 軟體繪製出外型的模擬圖,但在實際開模做出機器人後,卻發現外型與模擬圖有明顯差異。」這是因為在3D 原型設計時, 所採用的廣角鏡產生變形之誤判所致,因此後來便會先進行一些細部調整來確保整體美感。

四代:黃綠紅開發水下新視界

由於小型機體可做的事情有限,到第四代時為了開發水下視覺這塊領域,舒靜珉又將機體變大以利於加入攝影機鏡頭及傳送數據資料的裝置。

另外,在水下傳送數據容易被水影響而傳送效率不佳,因此開發了三臺分別為綠、黃、紅的機器人,透過攝影鏡頭, 利用RGB 影像辨識讓彼此在水中保持固定的距離, 因此而能夠在水中保持固定的影像傳輸距離。影像拍攝及傳送順序方面,先由裝有攝影機綠色機來拍攝影像,再將影像資料透過630MHz 的頻段將數據資料傳送到作為中繼站的黃色機,接著使用730MHz 的頻段將數據資料傳輸到紅色機,而紅色機則裝有較大頻段(2.4GHz)的無線影像傳輸裝置,可將影像數據傳輸到水面上距離較遠的電腦中。

RGB 定位畫面。

舒靜珉也開發新的外部機構快拆裝置,如此一來當機器人內部電路故障時,可輕鬆打開外殼檢查機體內部電路。此外由於機體較大,原本的薄膜浮沉系統效能降低,因此以2 個60cc針筒製作出浮沉平衡器系統,並修正電路,以確保大型機體進行浮沉時能更為順暢。

五代:只要摸水族箱就可以直接互動

直到五代, 舒靜珉又想回歸先前三代的互動控制,但這次已經不需要手上的Dummy 了, 只要觸摸水族箱就可以直接與機器人互動,也無須透過UWB 感測人體心跳速率,只要透過碰觸水族箱前方的觸控薄膜薄膜就能傳輸訊息給機器人,機器人還可自己作出生氣、開心等動作,並且擁有前面四代的特色,這樣的一 臺水下機器人,誰會不感興趣呢?可惜的是「水之械」進行到了第五代計劃就宣告結束,沒能繼續研發出更新奇多元的水下機器人,看著舒靜珉介紹自己手繪的設計圖並感慨地說:「想做的事情實在太多了,只可惜時間太少,而經費也是另一個考量,只好將這個計劃暫時停掉。」

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/7月號

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馥林文化_96
54 篇文章 ・ 6 位粉絲
馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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鑑識故事系列:手錶會「記錄」死亡時間?!
胡中行_96
・2022/08/29 ・2476字 ・閱讀時間約 5 分鐘

時年 26 歲[1] 的 Caroline Dela Rose Nilsson 手腳被緊縛,[2] 嘴巴堵塞著,神色極度焦慮,[1]在自家的車道上呻吟。[3, 4] 鄰居見狀快速通報警察。[1]

事情發生在 2016 年 9 月 30 日,[4] 晚間 10 點 10 分,[1] 南澳阿德雷東北市郊的 Valley View 地區。[1, 3] Caroline 的三個孩子當時在家,他們分別為 1、3 和 5 歲;[2] 而她 57 歲的婆婆 Myrna Nilsson 早已被重擊致死,陳屍於洗衣間。[5] 稍後,員警在屋裡的走廊找到眼神渙散,面容哀戚的男孩;他的兩個姊妹則是面部朝下,趴在床上哭泣。員警讓孩子們同自己坐在警車裡,但卻什麼也問不出來。[5]

另一邊,當死者的兒子 Mark ,也就是 Caroline 的丈夫,得知母親死了。 Mark 詢問警方, Caroline 是否受傷,然後平靜地以實事求是的口吻說:「我不懂怎麼會有這種事情,您是說意外嗎?」由於警方不願意透漏細節,在完全不知道來龍去脈的情況下, Mark 又問是不是有人闖入家中。[5][註1]

澳洲國產霍登皮卡車的模型。圖/Andrew Bone on Flickr(CC BY 2.0

根據 Caroline 的說法,當天有 2、3 名開著皮卡車的男性,跟蹤她的婆婆 Myrna 回家。他們與 Myrna 在屋外爭執了約 20 分鐘,但殺害她的時候, Caroline 碰巧在關著門的廚房裡,所以什麼也沒聽到。[1] 這幾個「看起來像粗工」的人,後來也攻擊 Caroline 。[2, 5] 問題是,如果三個孩子徹頭徹尾都在屋裡,為何會安靜到沒被捲進來?

檢方拿 3 個孩子的頭髮樣本,去做藥物檢測,其中 2 個結果顯示有Tramadol殘留。[2] 在澳洲屬於四級管制藥物的 Tramadol ,需要有處方籤才能取得,是一種會抑制呼吸且具有鎮定作用的止痛劑,一般不得施予 12 歲以下的兒童。[6] 更啟人疑竇的是,屋裡既沒有外人入侵的 DNA 證據,附近的鄰居也沒注意到一輛皮卡車進出。[7] 這令檢警不太採信 Caroline 的說辭。[1]

此外,負債澳幣 4,000 元(時值約新臺幣 10 萬元)的 Caroline ,每半個月還得跟丈夫共同支付婆婆 Myrna 澳幣 1,000 元的房租。[註2]相較之下,Myrna 經濟優渥,不僅擁有汽車,在澳洲和菲律賓置產,曾赴歐洲旅遊,還給年幼的孫子買車買房。Mark 是獨子,若 Myrna 過世,他們夫婦便可順勢繼承財產,謀財害命的動機充足。[8]

檢警因此把 Caroline 列為頭號嫌疑犯,卻始終沒有以謀殺罪名逮捕她。直到 2018 年 3 月,他們取得關鍵證據。[1]

蘋果智慧型手錶示意圖,非當事證物。圖/Adam Kovacs on Unsplash

Myrna Nilsson 慘遭殺害的時候,戴著一只蘋果智慧型手錶。[1]

從智慧型手錶判讀死亡時間

Myrna 的智慧錶記錄到她人生末了的重要數據:她在返抵自家的 47 秒內開始遭受猛烈攻擊,[4]其中有短短 39 秒的長度,出現 65 次倉皇的動作,然後她的心跳就停止了。時間約莫是傍晚 6 點 41、42 分。[2, 4] 15 分鐘後, Caroline 用手機傳訊息給丈夫,還留下在臉書和 eBay 的使用紀錄。[4] 從這個時間點到她的鄰居報案,中間相差三個小時。此情形讓 Caroline 的陳述顯得不合理,因而遭檢察官起訴。[3]

從傳統手錶推測死亡時間

智慧型手錶進入人類生活已有一段時日,不過有些人仍然會戴其他類型的手錶。它們雖然不會追蹤使用者的生命徵象,但有時也能提供警方估計死亡時間的線索。以下是 2022 年《國際鑑識科學》(Forensic Science International)期刊,介紹的二個例子:

一名八旬老翁俯臥於公寓的地板上,毫無生命跡象。他最後一次被人看見還活著,已經是 5 天前的事情了,對縮小死亡時間範圍的幫助有限。死者左手戴著一只持續運作的自動機械錶,錶面顯示的時間準確無誤。此種手錶仰賴使用者手部的活動帶動發條。老翁戴的這款每次帶動之後,可以撐上 44 至 48 小時,而且它在警方展開調查後 18 小時才停止運轉。所以用 48 減掉 18 ,得知老翁或許在被發現前的 30 小時左右身亡。[9]

期刊介紹的另一起案件,死者右手戴的是太陽能石英錶。某年12月在丹麥的沼澤,有個獵人撞見一具屍骨。當下右手骨頭上的錶還在走,不過時間快了 1 小時,而日期則晚了 3 天。該國的日光節約通常始於 3 月,終於 10 月,也就是說死者的手錶在 10 月之後,沒有被調回標準時間。至於少掉的 3 天,則是因為 6、9 和 11 月都只有 30 天。若未手動跳過 31 日,手錶的日期就會在這段期間,每個月各晚 1 天。由此推估,死者可能是在 5 月 1 日到 6 月 30 日之間身亡。[9]

死亡時間與判決

死者配戴的各種手錶,留給警察辦案的線索。然而是否能破案,並將罪犯繩之以法,仍受到其他因素的影響。2016 年 Myrna Nilsson 被害身亡;2018 年她的媳婦 Caroline ,遭警方以智慧錶的紀錄為證據逮捕。[1] 2020 年在 8 週的審理後,陪審團無法達成共識。 2021 年又經歷 6 週的法律攻防, Caroline 最後被無罪釋放。[3] 而直至 2022 年的今天,警方仍未捕獲她口中,謀殺婆婆的那幾個粗工。

  

備註

  1. 筆者找到的新聞資料,好像都沒有明確解釋,事發當下 Mark Nilsson 身在何處。
  2. 有一篇報導說 Caroline 跟 Mark 給婆婆房租,一家三代同堂,她卻連自己的房間也沒有。Caroline 得跟兩個女兒睡;兒子則是和婆婆同寢。該文沒提到 Mark 睡哪。[8]

參考資料

  1. Rebecca Opie. (29 MAR 2018) ‘Smartwatch data helped police make arrest in Adelaide murder case, court hears’. ABC News.
  2. Dillon M, Carter M. (13 DEC 2021) ‘Caroline Nilsson murder trial returns hung jury over death of mother-in-law captured on an Apple Watch’. ABC News.
  3. Mahalia Carter. (26 OCT 2021) ‘Caroline Nilsson found not guilty of murdering mother-in-law after smart watch case retrial’. ABC News.
  4. Kathryn Bermingham. (15 OCT 2020) ‘Prosecutors close case against woman charged with murdering her mother-in-law in 2016’. The Weekend Australian.
  5. Mahalia Carter. (13 DEC 2021) ‘Alleged murder victim’s son was ‘matter-of-fact’ when told of death, court hears.’ ABC News.
  6. APO-Tramadol’. (01 March 2022) NPS MedicineWise
  7. Rebecca Opie. (3 MAY 2018) ‘Son of alleged murder victim Myrna Nilsson urges court to release wife on bail’. ABC News.
  8. Meagan Dillon. (13 DEC 2021) ‘Alleged killer Caroline Dela Rose Nilsson had ‘no motive’ to kill, despite financial pressures, court hears.’ ABC News.
  9. Busch JR, Hansen SH. (2022) ‘The wristwatch – A supplemental tool for determining time of death’. Forensic Science International, 335, 111283.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌
Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎
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Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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AI 是大藝術家?人工智慧演算出的作品可以被稱為藝術嗎?——《再.創世》專題
再・創世 Cybernetic_96
・2021/10/06 ・6415字 ・閱讀時間約 13 分鐘

  • 作者/洪靖,荷蘭 University of Twente 技術哲學博士

人工智慧(Artificial Intelligence,以下簡稱 AI)能夠創作藝術嗎?演算法的作品可以被稱為藝術嗎?

早已有些藝術家利用 AI 或演算法進行創作,但一直要到 2018 年底,這兩個問題才開始進入大眾視野。契機是法國藝術團隊 Obvious 利用 AI(演算法 GAN)協助產生的畫作 Edmond de Belamy 在 2018 年初以一萬歐元賣出,另一幅畫作 Edmond 則在同年十月登上了世界知名的拍賣會佳士德(Christie’s)。雖然 Obvious 涉嫌炒作受到批評,但不可否認的是,他們確實敲開了藝術的大門,把開篇的兩個問題丟向世界。

法國藝術團隊。圖/Obvious

要回答這兩個問題,可以從藝術與技術的關係入手。從藝術角度出發的討論所在多有,尤其是這兩個問題本身就屬藝術領域的熱門話題。相較之下,從技術角度出發的探索似乎不多,而這或許是技術哲學(philosophy of technology)可以提供想法之處。

海德格的技術與藝術

要談技術哲學,不能不談海德格(Martin Heidegger)。他的名文 The Question Concerning Technology(1954)可說是開啟了整代哲學家(與社會學家)對於技術的批判和反省。海德格在文中嘗試追問:技術的本質(essence)是什麼?

《The Question Concerning Technology》。圖/維基百科

我們很容易想到技術零件、工程藍圖…等,但海德格說,技術的本質並不是那些技術的種種(The essence of technology is by no means anything technological)。海德格更認為,傳統用來說明「技術物之所是」的分析,並不足以說明技術的本質。在亞里斯多德的觀點中,一個銀製聖杯之所以是現在這個樣貌,可以拆解成四個因素:材質是銀(質料因)、杯子的樣式(形式因)、由工匠製作(動力因)、用於宗教儀式(目的因)。但在海德格看來,四因說充其量只是近因,真正的問題在於,究竟是「什麼」讓這四個因素剛好聚集在一起並造就了這個聖杯?

海德格認為,這個「什麼」是名為 Revealing(揭示)的過程,也就是一個原本被掩蓋的東西被看見、被呈現出來。用一個稍不精確但容易理解的方式來解釋:這個聖杯「註定」要成為現在這個樣子,這正是它最好的模樣,而所謂 Revealing 正是逐步找到並實現這個「註定」的過程。但這個 Revealing 的過程究竟為何、如何做到?至少有兩種方式,分別對應傳統技術與現代技術。

想想工匠如何製作聖杯。他們需要十分熟悉手中的材質,在打磨的過程不斷調整手勢、力道、角度,透過日積月累的經驗才能製作出一個精緻耐用的儀式品。這個緩慢的過程,是與世界「打交道」並迎來其最好一面的行動,海德格稱之為 Bringing-Forth(帶出)。很明顯,這並非當今各種技術產品的製造方式。

瓦倫西亞聖杯。圖/維基百科

對海德格而言,現代技術粗暴得多,雖然也是 Revealing,但它其實是種 Challenging-Forth(強索)。現代技術的目的不是逐步迎來世界最美好的一面,而是以最快速度、最大效率逼迫自然吐出有益於人類之物——名為「資源」的東西。

海德格的著名例子,是萊茵河上的水力發電廠。為了發電,人類製造水壩阻斷萊茵河,甚至因此破壞了風景。對於海德格而言,這全然不同於在萊茵河上搭一座木橋:木橋雖然也是技術,但它沒有阻斷自然的運行,沒有把萊茵河的水流變成資源、供人類享用。海德格甚至給這種 Revealing 一個專門名稱:Enframing(座架)。

海德格進一步論證,要達成這種 Challenging-Forth,就必須能夠精確掌控和預測自然,而這種精確只能透過數學來達到。換句話說,「可以控制」和「可以計算」一體兩面。從這個說法來看,現代技術並不源出現代科學,而是相反:正是因為人類已經具有以 Challenging-Forth 來 Revealing 世界的欲望與渴求,現代科學才應運而生。換句話說,科學才是(現代)技術的應用,而非相反。

把一切轉化為資源的現代技術,終將成為人類的牢籠,因為人類本身也開始被視為「資源」——人力資源早已成為在各大公司不可或缺的部門。海德格認為,要化解這種悲劇,並非拋棄技術,而是回到藝術。Art 一詞本來就指「工藝」,既是工也是藝;換句話說,技術和藝術系出同源。

現代社會之所以將兩者視為不同、甚至對立的領域,是因為我們太過習慣 Challenging-Forth 這種 Revealing,導致全然忽略過往技術的另一條途徑:Bringing-Forth。製作聖杯既是技術也是藝術,聖杯既是技術物也是藝術品,原因無他,正是因為那是 Bringing-Forth——真正的 Art。

因此,從海德格的角度來看,Obvious 的各種作品很難稱得上是藝術。一方面,Obvious 的作品奠基於演算法,而衆所皆知演算法就是數學,顯然是海德格多所批評的對象;另一方面,它們缺乏創作者日積月累與世界打交道的緩慢過程,全然不是 Bringing-Forth 的成果。

雖然 Obvious 的作品不一定是為了索取自然資源,但就海德格而言,這可能加強或複製了現代技術 Challenging-Forth 的世界觀,如果我們接受了它們是藝術,那麼藝術——與技術系出同源的 Art——成為救贖的機會將消失殆盡。

藝術的定義

就「真正」Art 的定義來說,技術物的原文 Artifact 的意義完全屬實:製造出來的事實(arti-fact)。前面說過,真正的技術也是藝術,是 Bringing-Forth,帶出事物最美好的一面,亦即實現它「真實」的樣子。Arti(製造出來)的事物不一定是假的。

我們之所以很常用 Arti 來暗示虛假,是因為身處現代社會的我們,已經太習慣 Challenging-Forth 意義下的 Artifact。同樣地,AI 裡的 Arti 本身就屬於高科技,所以從海德格的角度來說,AI 不可能也不應該是藝術的創作者,更不可能能名列藝術家,除非 AI 能以傳統 Bringing-Forth 的方式來創作——但顯然不太可能。

Netflix 影集 「Love, Death, Robots」中的「Zima Blue」。圖/Mohamed Aziz

我們不難感覺到,海德格對於技術和藝術的看法有一定程度的封閉性。當海德格追問「本質」問題並試圖回答時,也就不得不排除那些在他看來不是本質的東西。這種對於 Art 的嚴格規定,似乎和當代藝術所強調的開放性與可能性相互扞格。

多數藝術家總是在嘗試新的手法、新的材料;雖有藝術家試圖回到過去的工匠精神,但這畢竟不是多數。許多時候藝術仍被視為揭露真理/真實(truth)的途徑(之一),但我們幾乎不可能回到那種浪漫的 Bringing-Forth 的實踐與時代。如果現代技術真如海德格所說,是人類與現代世界的牢籠,那麼海德格的論述與觀點本身,似乎也成為藝術的牢籠,將藝術關閉在一定的界線之內。

海德格的封閉性,技術哲學界也注意到了。技術哲學的後續發展,尤其是荷蘭學派,試圖超越海德格。正是在這一點上,荷蘭技術哲學更有助於我們理解 Obvious 的藝術實踐、它對於藝術的意義,並幫助我們回答兩個核心問題。

轉向荷蘭技術哲學

當代技術哲學中荷蘭學派的核心人物是 Peter-Paul Verbeek,其著作 What Things Do(2005)爬梳並評析了過往幾位技術哲學家的論述,海德格佔據重要篇幅。Verbeek 認為,海德格對於技術本質的探問,實際上是從技術本身「向後退」,將技術還原到技術之所是的條件(condition)。

這種觀點並非沒有道理,但後果往往指向悲觀的結局:人類被技術所限制。這種觀點也忽略了一個難以否認的事實:雖然技術可能帶來災難與危害,但更多時候技術往往提供人類與社會許多的自由與可能。Verbeek 強調,與其向後追問技術是什麼,不如「向前進」,探問「技術做什麼」——這也正是書名的由來。

為了回答這個問題,Verbeek 將眼光鎖定在人類與技術的關係之上,認為技術橋架起人類與外在世界的雙向關係:技術物影響外在世界如何呈現給(for)人類,亦即「世界是什麼」,也影響人類應對(to)外在世界的行動,亦即「人類做什麼」。

例如,溫度計呈現了一個有「度」的世界(而我們理所當然認為世界 是有「度」的);塑膠杯或紙杯的材質本身就暗示我們「用完即丟」 (即使沒有使用手冊告訴我們這麼做)。換句話說,技術是一種中介物(mediator),中介了人類的經驗(experience)與行動(praxis),不論設計師或製造者有無相關意圖。將這兩種技術中介合併起來,就是一個完整的技術中介論(如下圖)。

需要注意的是,技術雖然身處兩端之間,但它不是單純的媒介物或中間物(intermediary),亦即,它並未忠實的再現「已經在那」(already-out-there)的世界,也不僅僅是傳達人類的意志或想望。遠紅外線光譜儀只能呈現遙遠恆星的特定面向,非遠紅外線所能呈現者皆被遺漏在人類視野之外;汽車被設計來方便人類移動,沒有人預料到結果竟是每個駕駛都成為了移動污染的製造者。換句話說,技術兩側的人類與技術的之所是,並不是因為他/它們有什麼本質或真實的存在(being),而是在與技術產生關係之後才生成的(becoming)。

聚焦人類—技術關係,讓我們得以重新看待許多本來被視為專屬人類的事務。例如,Verbeek 在續作 Moralizing Technology(2011)中論證,如果人類的道德經驗和道德行動都是技術中介的產物,那麼倫理學就不能只是一門以人類為中心的學問,而必須考慮並納入技術所能扮演的道德角色

也就是說,將一個道德決策或道德行為還原到人類的意向與思考並不足夠;反之,我們應該把這些決策和行為視為人類和技術互動的產物。人類的確是能動者(agent),但光有人類不足以成事,真正的能動性(agency)存在「人類+技術」這個綜合體之上。

更有甚者,如果道德決策和道德行為是技術中介的後果,那麼道德標準很可能也是。亦即,什麼是道德的、什麼又是不道德的,這個判準會隨著技術的發展而改變。例如,隱私是從中世紀以來隨著技術發展而浮現出來的價值,但在這幾年達到高峰以後,隨著各種 ICT 技術的廣泛使用,千禧年世代卻已不再把保護隱私看成重要的道德行為。同樣地,Google Glass 問世之後,如果我們去看看使用者或試用者怎麼討論這項技術,我們就會發現,他們討論的不只是技術本身,也包括如何重新協商和定義什麼是隱私權。

如果我們隨著荷蘭技術哲學的腳步,轉向技術做什麼的問題,就會發現,技術中介論以及它的道德意涵,正好可以用於類比藝術,讓我們重新詮釋 Obvious 的行動能否算是藝術活動的問題。

藝術不只與人、也與物有關

首先,如果道德不是人類的專屬事務,那麼藝術亦然。我們常將藝術作品視為創作者意念或意圖的展現,並試圖從作品中讀出創作者賦予作品的意義,有時甚至有詮釋正確與否的爭議。但從技術中介論的角度來看,我們應當將藝術作品視為「創作者+創作工具」的產物:不只是創作者透過工具來呈現他/她的想法,所使用的工具也會反過來形塑他/她的表達。

這也就是為什麼,有的創作者會找尋並嘗試新的材料,從材料出發來創作、讓材料「發聲」。換句話說,藝術作品並非單純由人類所創作,而是人類+技術這個「創作體」的共同成果。

創作者+創作工具。圖/Pexels

一旦我們把藝術創作的單位從「人類」換成「人類+技術」,那麼拿著畫筆或雕刻刀來創作可以稱為藝術活動,使用演算法來創作亦然——兩者都是「創作體」的行為。從這個角度來看,問 AI 能否成為藝術家,似乎不具意義。人類是藝術家,但人類從未不透過技術來創作(即使拿著樹枝在地上畫圖,手上的樹枝也算是技術);同樣地,AI 當然可以是藝術家,但它即使是號稱自學的機器學習,也不曾脫離人類的編程與資料輸入。

當然,我們可能會問:「人類+畫筆」可以展現創意,但一個靠著演算法運作的 AI 加上人類,能夠展現任何創意嗎?這個問題的預設其實是:創意意味著某種出乎意料或不期而遇,但數學無法給予我們這些,畢竟它是可計算並預測的。這正是許多人對演算法作品的質疑。

然而,事實上並非如此,很多時候 AI 會丟出超乎編程人員預期之外的結果,有時候編程人員甚至無法在事後提出相關且合理的解釋。這正是許多論者視 AI 為危險的原因,然而,這種「危險」卻恰好反過來說明了 AI 也可以充滿創意。

另一方面,技術中介論表明,「什麼是道德」會隨著技術而改變,那麼「什麼是藝術」又未嘗不是?《觀察者的技術》一書,足以說明這種現象。作者 Jonathan Crary 認為,藝術史經常把藝術家看成是觀看方式的定義者,用藝術作品來引領大衆的視覺,但實際情況其實相反,是因為大眾的觀看方式早已轉變,才使得某些形式的作品得已被視為藝術。更重要的是,這種轉變與技術的發展互為表裡。

Crary 論證,17-18 世紀的技術物「暗箱」,引領並反映當時人們——包括科學家、藝術家、文學家——的觀看方式:人類只是被動的觀看者,外在世界會透過暗箱的透鏡投影到牆上,既無扭曲也沒變造。這種觀看方式意味著人類如何認識世界:透過不斷仔細描繪和收集外在世界的種種景象。在藝術上,是寫實主義的盛行,而在科學上,則是博物學的當道。那是一個「所是即所見」的時代。然而,到了 19 世紀初期,這種觀看方式一去不復返。

暗箱的原理。圖/維基百科

「後像」(afterimage)問題讓人們開始不再信任眼睛,也懷疑「所是及所見」的基本預設。利用各種視覺暫留與錯覺的技術產品大為盛行,其中以「立體試鏡」(stereoscope)為最。這種技術的流行,造成並反映當時人們的觀看方式:人類是主動的觀看者,外在世界究竟如何不得而知,人類能夠確定的只有眼睛所見的景象;換句話說,所見及所是。

這種觀看方式帶來了雙重的吊詭:一方面,人類失去了對真實的信心和掌握,只能依賴眼前的各種影像,有時甚至認為那些影像才是真的;但另一方面,人類開始試圖追逐甚至複製外在世界,以確保真實不會流失。之於前者,我們看到印象畫派的興起,認為「純描繪」印在眼睛上的像(尤其是光和影)才是真正的真實;之於後者,則是攝影技術的發展,有的人認為攝影只是複製真實毫無創意,而有的人則認為攝影也是一種藝術創作。

透過 Crary,我們可以看到,技術的發展確實改變了藝術的內涵。一方面,過往不被描繪的印象變成可以描繪的主題,甚至成為所謂現代藝術的發端;另外一方面,當所見比所是更加重要時候,視覺的各種可能性被完全打開,使得什麼是藝術有了更大的發揮空間。就像當年有人爭論印象派根本算不是好的藝術作品、有人大力質問攝影能否列為藝術,我們如今也在推敲 AI 或演算法的作品算能否算是藝術。這些正是藝術邊界因為技術而悄悄改變的明證。

藝術與技術的相互敞開

AI 可以創作藝術嗎?演算法的作品可以被稱為藝術嗎?這些問題,技術哲學可以提供一點想法。如果從傳統的技術哲學(海德格)來看,答案是否定的。由於海德格認為現代技術的 Challenging-Forth 是一種糟糕的 Revealing,有違技術與藝術系出同源的 Bringing-Forth,並且反對現代科技所隱含的數學性與計算性,使得我們不得不導向AI或演算法和藝術相互排斥的結論。然而,這種觀點限縮了藝術的開放性,也忽略了藝術不斷挑戰自我邊界的各種實踐。

當我們不再追問技術是什麼的時候,我們也得以從藝術是什麼的泥沼中逃脫。轉向荷蘭學派的技術哲學,讓我們得以把藝術創作的行動者從人類轉換成人類+技術這個綜合體,並且再次將技術算進藝術內涵的變化之中。AI 當然可以創作藝術,但它從來不是獨自創作,正如同過往的偉大藝術家也未曾脫離他/她的繪畫工具。演算法的作品也有被視為藝術的可能,就像印象派和攝影都因為技術改變了藝術的內涵,而開始被稱為藝術一樣。

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再・創世 Cybernetic_96
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由策展人沈伯丞籌畫之藝術計畫《再・創世 Cybernetic》,嘗試從演化控制學的理論基礎上,探討仿生學、人工智慧、嵌合體與賽伯格以及環境控制學等新知識技術所構成的未來生命圖像。