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科學解析「蒙娜麗莎微笑」的祕密

科景_96
・2011/02/08 ・913字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

編輯 Wei-Chiao Chang 報導

604px-Mona_Lisa,_by_Leonardo_da_Vinci,_from_C2RMF_retouched美國神經生物學家於「蒙娜麗莎的微笑」畫中,發現了達文西巨匠慧心的秘密。

笑,是世界共通的語言,楊貴妃的回眸一笑百媚生、妲己的開懷一笑,民不聊生、陳圓圓的會心一笑,傾國傾城。而達文西的藝術傑作「蒙娜麗莎的微笑」,不但價值連城,更是法國羅浮宮的鎮館之寶,百年來,不知多少藝術家為之傾倒、醉心。

美國哈佛大學神經生物學家於這幅肖像畫中,發現了達文西巨匠慧心的秘密,這個理論已於2003年二月丹佛舉行的美國科學促進協會年會(annual meeting of the American Association for the Advancement of Science)中提出。Margaret Livingstone教授發現,如果欣賞該畫時,將視線完全集中在蒙娜麗莎的臉上,蒙娜麗莎的微笑會奇妙地消失。然而,若有把視線轉移到這肖像畫的其他區域時,反而可以感覺到蒙娜麗莎的微笑。

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Margaret Livingstone教授指出,人的視覺可分為小窩視覺(foveal vision)與周邊視覺兩類。小窩視覺又稱直接視覺,適宜辨識影像與色彩資訊的細節,卻不適合辨識陰影。但是,周邊視覺則負責陰影的辨識。如果專注地凝視一件物體,隨著時間增長,周邊視覺的作用就漸漸減少。舉例子來說,當越來越專注地注視著印滿字的信上一個字時,相反地,其他的字就會顯得越來越模糊。

有趣地是,蒙娜麗莎的微笑幾乎都是利用陰影加以表現,因此,當觀眾欣賞畫作時,自然地會專注地看著肖像畫人物的眼睛區域,此時的周邊視覺便落在蒙娜麗莎的嘴巴附近區域。由於周邊視覺不善於辨識細節,但善於解析陰影,觀眾便自然地意識到蒙娜麗莎微笑的存在。反之,若直接注視著蒙娜麗莎的嘴巴區域,因為直接視覺不善於解析陰影,所以觀眾反而無法得到蒙娜麗莎微笑的青睞。

君子之交淡如水是一種完美的人際關係,距離增加了美感,彼此心神交會,就如同淡淡的清茶一般,雖無香氣撲鼻、滿口生香,卻也神清氣爽,精神百倍。旁觀者清,當局者迷,看畫如此,待人接物又何嘗不是如此!

參考來源:

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本文版權聲明與轉載授權資訊:

Original publish date:Mar 17, 2003

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科景_96
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Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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和鳥類學飛翔,讓人類學會飛行奧秘——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/30 ・3697字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

飛行的物理學

「觀察在稀薄高空中飛翔的老鷹,牠的翅膀是如何鼓動著空氣,讓沉重的身體得到支撐。物體對空氣施加的力量,等於空氣對物體施加的力量。」15 世紀末,達文西在筆記本如此寫道。達文西僅憑觀察,就掌握飛行的原理了。

飛行的原理讓達文西深深為之著迷。他發明人力驅動的飛行器,試圖證明人類能否飛上天,還設計人類可以操縱的翅膀。他仔細研究飛行中的鳥,並且提出飛行的假說:「鳥類張開寬寬的翅膀,加上短短的尾巴,準備起飛,」他接著寫道,「鳥類必須用力抬起翅膀,然後放下翅膀拍動下方的空氣。」

金鵰的翅膀善用空氣分子,身體起飛與降落。圖/天才達文西的科學教室

上圖的金鵰比空氣重,但是翅膀造形卻能善用空氣分子,讓身體起飛與降落。金鵰飛行的時候,你認為氣流通過翅膀上方與下方時,哪邊的速度較快?量量看, 1 公尺有多長,是金鵰身體的長度;再量量看 23 公尺有多長?這是牠的翅膀展開的長度!再想像一下:金鵰拍動翅膀、凌空起飛的模樣。你認為翅膀上方還是下方的氣壓比較大?可以解釋原因嗎?

達文西的《鳥類飛行手稿》。圖/天才達文西的科學教室

上圖的字跡與插圖,出自達文西的《鳥類飛行手稿》 (Codex on the Flight Of Birds)。他的研究,造福許多後世的科學家,包括丹尼爾•白努利 (Daniel Bernoulli)。他在 1738 年解釋了空氣流動的科學原理。

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白努利認為:鳥類飛行時, 因為翅膀結構的關係,空氣通過翅膀上方的速度較快, 使得氣壓較低,而空氣通過翅膀下方的速度較,使得氣壓較高。翅膀上方與下方的壓力差,進而造成了升力。

編按:解釋飛機能升空飛行的物理概念,除了白努利概念外,尚有其他因素,例如飛行時的角度、飛機造形和其他效應等。

有許多物理概念可以解釋飛機能升空的原因。圖/天才達文西的科學教室

飛機為什麼可以在天上飛?

開始調查吧!

我們蒐集資訊,一起設計翅膀,就跟達文西一樣!我們將蒐集涵蓋翅膀形狀、空氣與運動方面的資訊,也跟達文西一樣,提出許多問題。

問題:淚珠的形狀,和飛行有什麼關係?

下圖的形狀,好像淚珠的一側。看到這種形狀,是否讓你聯想到它與飛行的關係呢?

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翼型會聯想到噴射機的機翼或鳥翼的形狀。圖/天才達文西的科學教室

答案:這就是翼型。

淚珠的形狀,我們稱為「翼型」。這樣的造形,可能讓你想起噴射機的機翼或鳥翼的形狀。翼型的前端是較厚的圓弧,後端則逐漸變薄、變窄。

飛行中的翼型向前挺進,空氣分子往上也朝下移動。翼型下方的空氣分子,移動的速度慢於上方滑過的空氣分子。空氣分子移動速度較慢,造成的氣壓就比較大。想像一下:翼型下方的空氣,等於處在被壓縮的狀態,翼型下方,較強的氣壓向上推,造成的力量稱為「升力」

模擬飛行中翼型的空氣分子移動狀態。圖/天才達文西的科學教室

受到鳥類的啟發

看到鳥翼的切面,居然就是翼型,你是否大吃一驚呢?說穿了,航太工程師就是從飛行中的鳥類得到靈感。移動的翼型會切過空氣,與周圍的空氣產生了力的作用。空氣分子——渺小不可見卻能施展強大的力量,從四面八方擠壓著翼型。翼型向前移動的時候,因為與空氣產生了交互作用而起飛。

將書本平放在桌上一隻手塞到書本下方,然後把書托起來。你的手在書下施展的壓力,就像慢速通過翼型下方的高壓。另一方面,通過翅膀上方的空氣,移動速度較快,形成了較低的氣壓。

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空氣分子在機翼上的賽跑

讓我們進一步調查

問題:通過翼型上方的空氣,是否因為空氣要通過的距離較長,因此速度才會變快?

答案:根據美國的國家太空總署 (NASA) 工程師分析,機翼上方空氣的速度很快,只是為了比下方空氣更早抵達機翼後方,而不是因為距離較長。機翼上方的低壓空氣,其實速度更快!

畫出你的翼型

畫出屬於你自己的翼型,請標示以下項目

  • 高壓區
  • 低壓區
  • 快速移動的空氣
  • 慢速移動的空氣
  • 空氣流動的方向
  • 升力的方向
嘗試畫出屬於自己的翼型。圖/天才達文西的科學教室

和達文西一起賞鳥

達文西不只觀察飛行中的鳥,他也細看鳥的各種狀態,而且反覆觀看。他寫下筆一三己,問自己問題,例如:鳥類用什麼樣的方式使用翅膀?然後想辦法找出解答。以上這些行為,就是「觀察」。

當個自然觀察家吧!住家附近就可以好好賞鳥。不管你住在哪裡,都有機會走出家門,觀察鳥類百態及其飛行方式。記得帶著筆記本、鉛筆、色鉛筆與望遠鏡,可能的話帶一台相機,現在就抽出時間邁向戶外吧!

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你的觀察記錄將充滿獨一無二的個人風格。看到小鳥,先用肉眼觀察。接著,以素描記錄觀察到的現象:畫出鳥類的輪廓,有沒有值得注意的花紋或樣式?先畫下外形,然後加上顏色:鳥喙是什麼顏色?腳呢?也花點精力注意體型大小:和其他鳥類相較,有多大或多小呢?有沒有攝食?歌聲或叫聲怎麼描述呢?鳥類如何起飛?如何降落?鳥類會順風起飛嗎?其他數據、記錄地點、天氣與賞鳥的時段,都要記錄下來。

用相機記錄身旁觀察到的現象。圖/Pixabay

以飛機工程師的方式來思考!

用另一種角度來看翼型。機翼後緣窄窄的後翼往上或往下,會有怎樣的效果呢?飛機工程師設計噴射機的時候,讓機翼的後緣可以伸展或彎折,透過這樣的方式讓空氣分子流動,達成特殊目的。如下圖所示請利用本小節的訊息,預測這樣設計的目的,並把假說寫在筆記本裡。

機翼不同構型讓空氣分子流動,達成特殊目的。圖/天才達文西的科學教室

下圖是根據達文西的設計而重建的機械翅膀。翅膀的形狀不像翼型,但是從喇叭似的形狀看來,功能就是壓下空氣分子,以產生向上的升力。這款翅膀有沒有讓你想起某種哺乳動物呢?

根據達文西的設計而重建的機械翅膀。圖/天才達文西的科學教室
根據達文西的設計而重建的機械翅膀很像哺乳動物蝙蝠。圖/天才達文西的科學教室

一起動手玩:創造一個翼型

實驗材料:影印紙、膠帶、30 公分長的直尺、鉛筆(最好是六角鉛筆)、吹風機

實驗步驟

  1. 輕輕彎折紙張,以垂直方向對摺。這時紙張會有淺淺的摺線,並且出現翼型般的曲面。
  2. 把紙張轉成水平方向,曲面朝下。將上半張紙的邊緣往後移 1.27 公分,用膠帶固定。
  3. 把直尺伸到紙張底下,在 5 公分處用膠帶把尺和紙黏在一起;紙張的邊緣也要和直尺黏合。
步驟 1-3 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

4. 把鉛筆放在距離直尺 12.7 公分處,和直尺垂直擺放,並以膠帶黏和。

步驟 4 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

5. 將吹風機設定最小風量模式,待會對著翼型的吹端吹。你認為吹風機啟動後,會發生怎樣的現象?請先寫出假說。

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6. 現在測試你的實驗設計與假說。找個夥伴握住鉛筆兩端,翼型曲面朝向你。這時再啟動吹風機的小風量模式,直尺會怎樣?你感到翼型的升力了嗎?

步驟 5-6 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

實驗背後的科學

如同你所認知,通過翼型上方的空氣,移動的速度比翼型下方的空氣快。翼型下方的空氣分子在較高的壓力下受到擠壓。氣壓較高的空氣分子,向上推擠。翼型下方的高壓及上方的低壓,組合起來造成了升力!

——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化

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達文西逝世500週年:地表最強斜槓天才如何養成?
Peggy Sha/沙珮琦
・2019/05/01 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

達文西被譽為世紀天才,除了留下很多達文西密碼外,他最為人熟知的,便是《蒙娜麗莎的微笑》、《最後的晚餐》等等美好細膩的畫作。不過,你知道他除了在藝術方面有卓著貢獻外,也是個超級斜槓的科學愛好者嗎?

能將晚餐吃得風起雲湧,啟發小說和電影的大概也只有達文西了。圖/wikimedia commons

這位文藝復興時代的英才,對於很多事物都有著強烈的好奇心。不同於咱們凡人的三分鐘熱度,但凡是這位大大想要研究的東西,他都會努力鑽研,因此,他在音樂、土木工程、數學幾何、生理解剖、動物植物,乃至於氣象與地質,都有涉獵,在當年可謂是「上知天文、下知地理」,完勝同時代的其他畫家。

東解西剖,揭開人體的秘密

達文西很早就開始接觸人體解剖學,在他的刀下,男人、女人、青年、老人,都無所遁形,他一生中解剖了 30 具左右的屍體。而牛、熊、蛙、鳥,也都是他研究的對象。

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他曾與托爾醫生 (dottore Marcantonio della Torre) 合作進行解剖工作,並畫了 200 多篇畫作,並在死後將這些圖畫集結成《繪畫論》出版。(想想當年買的人心裡會有多驚嚇,你以為你買了一本在談繪畫的書,結果裡面充滿了屍體……)

這些解剖讓他深入了解人體的肌肉、骨骼,乃至於血管和神經系統。達文西不僅針對生殖系統、臟器和大腦都做了詳細記錄、描繪視神經在眼球和大腦間的連結,更第一次畫出了子宮內的胎兒。

達文西第一位畫出了子宮內的嬰兒。圖/By Leonardo da Vinci – Hi! Magazine, wikimedia commons

而你我都很有印象、也被無限惡搞的《維特魯威人》,這幅畫的名稱,來自於達文西很喜歡的一位古羅馬建築師。藉由維特魯威在《建築十書》中的敘述,達文西創作了這幅畫作,在其中也藏了許多數學的概念。

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圖/giphy

我們可以從圖片看出來,人體分別嵌進一個圓形和矩形中,這是怎麼做到的呢?維特魯威認為,如果以人的肚臍為圓心,可以描出一個圓形,而此人的手指和腳趾將與圓周接觸。另一方面,人們雙臂打直的長度約等於人的身高,因此,我們也可以將人放進正方形中。如此一來,你就可以得到一個又正又圓的人囉!(並不是)

一步~兩步~摩擦~有了力學天黑都不怕

達文西對於各種機械、力學都非常著迷,而他的研究成果,都藏在筆記中。幾年前,有人藉由研究他的手稿,發現達文西早在數百年前,便對摩擦力有了史上第一次系統性的研究。

研究人員認為,「達文西知道兩個滑動表面間的摩擦力與正向力有關,而與兩個表面間的接觸面積無關。」

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而他對摩擦力的認識,也有助於各種機械的設計、發明。他曾經擔任軍事工程師,根據紀錄,他曾設計過弩箭、機關槍、降落傘、潛水裝和武裝坦克車等等機具。此外,他也設計過齒輪、腳踏車等等物品。

達文西雖然愛好和平,卻設計過坦克等軍事武器。圖/wikipedia

我在天上飛!達文西的飛行夢

除了地上跑的各種機械,達文西對天上飛的東西也充滿興趣。他用了很長的時間觀察鳥類飛行,藉由觀察牠們拍翅的動作,發明出各式「飛行器撲翼機」(ornithopter)。

想要操作這樣的機器,首先呢,你需要一位飛行員,他要非常忙碌地以手腳操作滑輪組、槓桿,再加上踏板。同時,達文西也貼心地裝上了落地架,要是飛得累了,可以伸縮支架以便安全落地。可惜的是,他進行的幾次試驗都失敗了。

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而另一個看上去十分酷炫的「空中螺旋器」(aerial screw),則是用螺絲起子般的葉片來壓縮空氣、輔助起飛。恩……但是這樣的設計讓機身過於笨重,所以螺旋器還是只能留在地上轉轉轉了。

達文西留下的手稿,讓人得以一窺他的創意。圖/泛科市集

…..這麼說,達文西也沒這麼聰明嘛?欸欸,可別小看人家啊,像他發明的三角形降落傘雖然看上去很神秘,卻是十分厲害的呢!曾有人在 2000 年時利用他的設計草圖打造原型機,結果完美通過測試,可以讓人隨風飄搖。

天才之星,始終閃耀

也正是因為達文西在各領域都給了我們很多啟發,大家很喜歡用他來命名各種東西,比如說,美國天文學家 Schelte J. Bus 於 1981 年發現新的小行星時,便以達文西為其命名,稱之為「小行星 3000 李奧納多」。

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近幾年引起許多關注的「微創手術」中,也可以見到達文西的名字。發明這種「達文西手術系統」(Da Vinci Surgical System) 的研發公司透露,這種器械的靈感來源便是達文西設計過的機器人。

即便過了五百年,達文西的靈光仍是讓人讚嘆。對於你來說,最吸引你的是達文西哪個部份呢?

達文西傳》(達文西逝世500周年紀念版)泛科市集 79 折優惠中!

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Peggy Sha/沙珮琦
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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科學解析「蒙娜麗莎微笑」的祕密
科景_96
・2011/02/08 ・913字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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編輯 Wei-Chiao Chang 報導

604px-Mona_Lisa,_by_Leonardo_da_Vinci,_from_C2RMF_retouched美國神經生物學家於「蒙娜麗莎的微笑」畫中,發現了達文西巨匠慧心的秘密。

笑,是世界共通的語言,楊貴妃的回眸一笑百媚生、妲己的開懷一笑,民不聊生、陳圓圓的會心一笑,傾國傾城。而達文西的藝術傑作「蒙娜麗莎的微笑」,不但價值連城,更是法國羅浮宮的鎮館之寶,百年來,不知多少藝術家為之傾倒、醉心。

美國哈佛大學神經生物學家於這幅肖像畫中,發現了達文西巨匠慧心的秘密,這個理論已於2003年二月丹佛舉行的美國科學促進協會年會(annual meeting of the American Association for the Advancement of Science)中提出。Margaret Livingstone教授發現,如果欣賞該畫時,將視線完全集中在蒙娜麗莎的臉上,蒙娜麗莎的微笑會奇妙地消失。然而,若有把視線轉移到這肖像畫的其他區域時,反而可以感覺到蒙娜麗莎的微笑。

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Margaret Livingstone教授指出,人的視覺可分為小窩視覺(foveal vision)與周邊視覺兩類。小窩視覺又稱直接視覺,適宜辨識影像與色彩資訊的細節,卻不適合辨識陰影。但是,周邊視覺則負責陰影的辨識。如果專注地凝視一件物體,隨著時間增長,周邊視覺的作用就漸漸減少。舉例子來說,當越來越專注地注視著印滿字的信上一個字時,相反地,其他的字就會顯得越來越模糊。

有趣地是,蒙娜麗莎的微笑幾乎都是利用陰影加以表現,因此,當觀眾欣賞畫作時,自然地會專注地看著肖像畫人物的眼睛區域,此時的周邊視覺便落在蒙娜麗莎的嘴巴附近區域。由於周邊視覺不善於辨識細節,但善於解析陰影,觀眾便自然地意識到蒙娜麗莎微笑的存在。反之,若直接注視著蒙娜麗莎的嘴巴區域,因為直接視覺不善於解析陰影,所以觀眾反而無法得到蒙娜麗莎微笑的青睞。

君子之交淡如水是一種完美的人際關係,距離增加了美感,彼此心神交會,就如同淡淡的清茶一般,雖無香氣撲鼻、滿口生香,卻也神清氣爽,精神百倍。旁觀者清,當局者迷,看畫如此,待人接物又何嘗不是如此!

參考來源:

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本文版權聲明與轉載授權資訊:

Original publish date:Mar 17, 2003

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科景_96
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