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與災共生(五):利用光纖的橋樑預警系統

李柏昱
・2013/08/18 ・2352字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)
光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

台灣島上河系眾多,在台灣的開發史中,就因為河流東西阻斷陸上交通,南北向交通往來不易,海上交通興盛促成西部沿海的海港都市最先興起。而今日,橋梁克服台灣先天環境,跨越河流與山谷串連南北,其對於經濟與民生的重要性不言可喻。然而這些橋梁缺乏統一且完善的後續維護,除了颱風豪雨來襲時屢見橋梁遭山洪沖垮,即便晴空萬里亦有橋梁突然崩塌的案例。國家地震中心的李政寬博士長期參與光纖監控技術的研發,就讓我們跟隨李博士一起了解,聽起來相當科幻的光纖科技如何讓我們行的更安全。

橋梁安全管理作業困難

台灣目前約有兩萬八千多座橋梁,由於用途以及興建單位的不同,分屬多個不同單位管轄,包含公路總局、高速公路局、各縣市政府、鐵路局、捷運局以及高鐵公司等等,絕大多數的橋梁都無自動化監測管理。目前的橋梁管理多仰賴人工巡查方式,藉由派遣維護人力至現場以目視搭配監測器具監測橋粱結構是否安全。這種方式不僅曠日廢時,人力成本高昂,且經常有許多死角與到不了的地方,讓許多橋梁結構上潛在的危險無法在第一時間發現。加以台灣的橋梁經常暴露於自然災害中,颱風或暴雨過後,缺乏有效率的安全監測,如果橋梁於災時毀損,可能導致路過民眾傷亡,並讓救災更加不易。

目前橋管單位判斷橋粱是否危險的依據為河水高度,主要是針對颱風豪雨對橋梁的影響,對於橋梁本身的結構安全並未多加著墨。另外,台灣的橋梁常受地震威脅,而且又有超載與老劣化問題,耐久性與安全性日益堪慮,所以針對橋梁結構安全的檢測工作越來越重要。有時即便晴空萬里,橋梁也會突然崩塌,像是2000年高屏大橋便在八月颱風剛過的一個晴朗午後,位於中間的二十二號橋墩突然下陷,導致「落橋」,整個橋面崩塌,導致三十多人輕重傷。最近在2013年6月初,基隆火車站的人行陸橋亦毫無預警塌落,造成一人受傷。這些事件提醒我們台灣橋梁的安全狀況有很多潛在風險,老舊橋梁時時刻刻威脅著用路人,因此有必要開發實用儀器,隨時瞭解橋梁的健康狀況。

全方位全橋光纖監測系統初露身手:二高崩山事件

在2010年4月,北二高3.25公里處的師公格山發生大規模走山,大量土石掩埋下方的北二高路面與部分橋梁。迫於搶通的時間壓力,國家地震中心臨危受命,需在6天的時間內判斷修復後的橋梁結構是否安全。在主線道橋梁的承重試驗過程中,國家地震中心亦是運用傳統的橋梁監測方法,但連續6天耗費大量人力與工作時間,讓人思考是否有更快速的監測方法。於是在半年後匝道橋梁搶通時,便首次運用上光纖監控技術,在相當短的時間內便完成了橋梁結構安全的判斷。

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那麼,到底甚麼是全方位全橋光纖監測系統呢?光纖監測系統藉由「光纖光柵(Fiber grating)」的設置,運用光學中光的繞射效應,在光源端打入寬頻光,入射到一個具有狹縫的平面,光會因入射光的波長及狹縫的寬度,而在另一端產生不同間距的亮暗相間繞射條紋。若重複放置這些有狹縫的平面,便可以獲得疊加的效果,此一週期性狹縫的結構便是所謂的光柵(Grating)結構。接著再將光纖與各種感應器結合,例如觀測橋梁結構位移量的位移計、觀測水位的水位計、觀測橋梁結構是否沉陷傾斜的高程計,以及觀察橋梁受到地震與汽車通過造成的震動的振動計,便可相當全面地監控橋梁結構受到的各種力的作用與物理變化。

光纖監測系統的優勢

光纖監測系統與傳統監測方式相較有三大優勢,第一為經濟成本上較為便宜,傳統的橋梁結構監測器具多自進口國外,而光纖橋梁監控技術的軟硬體多為台灣自主研發製造,許多相關儀器亦為台灣首創發明,能大幅減少系統的建置經費。目前光纖監控的成本每兩公里約四百至五百萬元,為進口設備花費的二分之一至三分之一,且因為這項技術在台灣已經趨於成熟,未來亦有技術輸出的潛力。第二能監控長距離多跨距的橋粱,能同時監控水位變化、橋梁是否沉陷與傾斜,以及斜張橋的鋼纜張力等等。第三能長時間全天候的監測橋梁安全,平時協助維護人員監控橋梁,並在地震與洪水來襲時即時提供橋梁結構資訊,協助封橋判斷與事後維修。

然而,目前國內與國外對於橋梁的安全管理監測有認知上的不同,在國內,橋梁安全監測系統的投資額約是工程金額的0.5%,與香港跨海大橋的2%到3%有4至5倍的差距,許多地方政府或橋梁管理單位寧願將經費花在橋的夜間光雕裝飾上,卻不了解或不願意投資橋梁的安全監測,導致台灣實際運用光纖監控的橋梁並不多。相信光纖技術降低了監測費用後,未來極有潛力大量的運用在台灣的橋梁上,目前僅僅於台北市大直橋以及南投縣集鹿大橋有示範性質的設置。

防災及救災是與時間賽跑的工作,國家地震中心的全方位全橋光纖監測系統猶如千里眼,能監控遠處橋梁的安全,且擁有顯微鏡般能力,能檢查橋梁些微的變化,隨時全方位即時監測長橋,讓我們用路更加安全。

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臺灣基隆市和平島社寮橋。source: Dodd Lu
  • (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
  • 責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」與災共生(五):當橋梁遇上光纖。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

  • 編按:原延伸閱讀網址已失效,故逕行刪除。(2019/10/2)
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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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康寧光纖大變身!魚缸水質糾察隊與光劍般的夜釣釣竿 ─《康寧創星家》競賽報導2
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/29 ・2502字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

在上篇文章「可撓式玻璃能怎麼玩?來看看教你穿衣服的智能行李箱和透明停車場樑柱」中,泛科學介紹了兩組指定示範組團隊將 Willow 可撓式玻璃分別應用於行李箱和交通情境,來改善使用者體驗的概念作品,分享他們如何從生活問題中發想、設計與實踐。這些創作皆來自康寧創星家 ─  創新應用競賽,它規定「使用材料」而未限制主題的獨特遊戲規則,催生了許多意想不到的創意。

這次我們訪問到臺灣科技大學設計團隊,他們所選用的特殊材料為「康寧 Fibrance 玻璃光纖」,透過其纖細、可彎曲、高彩度、高明度的特性,把場景延伸進「水」裡,提出兩種創新應用。

幫忙把關魚缸的水質狀態,給魚兒健康的家

大家應該看過河川或海口出現不同顏色的水流吧?一般人通常會很直覺地想,這水有特殊物質,可能不乾淨。但是無色無味的水就是乾淨的嗎?如果之中有我們看不見的汙染呢?「如同空氣品質對於人類健康的影響,對住在水族箱裡的魚來說,水的品質一旦超出範圍便會對魚的健康造成衝擊、甚至死亡。因此,水的溫度和 pH 值必須嚴加控管。」臺科大團隊的施同學與我們分享此想法的動機。

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著眼於 Fibrance 玻璃纖維的特性:防水、明度彩度皆高,而且對雷射的顯色效果比一般塑膠光纖好,因此臺科大團隊決定利用這樣的特殊材料來做水質指示功能,進而達到水質控管,於是第一項作品「水底空調」誕生了。

水底空調的測量儀器旁邊裝有一塊光纖板,並於側邊接出雷射頭,在充飽電、水質正常的狀況下會持續發光,而當魚缸中水的 pH 值、溫度超過或低於正常範圍時,則會開始閃爍。談到產品設計過程的挑戰,他們表示,「當然也沒有整個設計過程都很順利,我們碰到最大的問題是『太熱』。平常大家用雷射筆用得很習慣,大概不會發現雷射發亮時其實會產生極高的熱能,讓整個測量監控系統變得很燙。起先想用盒子把它包起來,但發現行不通;後來經過設計,我們將雷射頭部分掛在外面,並用長尾夾夾住方便散熱。」。

利用康寧 Fibrance 玻璃光纖當作顯示功能的水質偵測器,此為水底空調產品草圖(圖片來源:水底空調團隊)

除了應用於水質檢測,Fibrance光纖的纖細和可彎曲的特性讓使用者能隨個人喜好設計出不同的形狀,裝飾自己的水族箱,展現出更趣味、客製化的產品樣貌。

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玻璃光纖防水、明度與彩度皆高,更可以依個人喜歡彎曲成不同形狀

你的光劍哪裡來的?不,這是我的釣竿!

第二種概念發想則出現在釣竿上,光纖釣竿感應器 ─ Night Flash 夜漁玩家。

「釣魚是一件很花時間的事,夜釣尤其有趣。一般專業釣客通常會有兩三支釣竿,以竿架固定同時使用,那麼夜釣時,要怎麼知道魚有沒有上鉤?是哪一支釣竿中獎?除了仰賴釣客的感官經驗外,就是用釣竿警報器。在這種既有產品的基礎上,我們想設計出更炫、更便利的應用。」臺科大團隊的林同學如是說。

他們將警報器別在釣竿竿頭上,並串聯至 Fibrance 玻璃光纖、再掛上釣線,魚一旦吃餌,拉動了感應器,光纖就會發亮。Night Flash 夜漁玩家在配色設計採用現有的雷射模組 RGB 三種基礎色(紅、綠、藍),搭配基本的黑色,讓釣竿在黑夜中像光劍一般搶眼,或許也能讓夜釣過程更有趣。套句臺科大設計團隊的話,就是「很炫、很好玩啊!」

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Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)
Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)

有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)
有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)

設計講求實踐,可行性是成功關鍵

特別的是,兩款產品的負責同學都不是電子背景。林同學表示,「過去我只要碰到電子領域就會選擇放棄,這次算是突破了以前的障礙。雖然我們的作品是買現成晶片板來修改程式,一開始還是什麼都不懂,甚至只能土法煉鋼地一個個戳電路板,觀察反應。但後來慢慢摸索、學習,實際去做之後,才發覺好像也沒有想像的那麼難。」而這次經驗也讓他們想了解更多不同的領域,接觸更多設計的可能性。

臺科大團隊指出,「創星家競賽一定要做出實品這點也是有所成長的原因,我們必須考慮設計可否『實現』,以及產品有沒有市場。這很符合現況,現在設計領域很講求實踐,產品可行性是成功的關鍵。」接著他們補充,做使用者研究也很有趣,負責到釣具行買測試用釣竿的林同學回憶,他隨口向店裡一個五、六十歲的伯伯介紹團隊的新設計,伯伯竟然表示有意願購買,直接問一個要賣多少錢,讓他相當驚訝,「原來從舊有產品中做改良,因為消費者已經很熟悉了,所以會更有共鳴,更容易接受。」

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「我們想透過 Fibrance 光纖,把看不到的東西視覺化。」

聊到產品理念,兩位同學說他們的發想起點同樣是材質本身。在魚缸和釣具之前,兩人考慮過很多主題,例如測量空氣品質和配電盤,最後決定從身邊的議題下手。「不過這些想法都圍繞著同一個概念,」他們說,「Fibrance 玻璃光纖明度、彩度高,在視覺上非常漂亮,希望能做出能充分凸顯這項特點的應用。Making the value / action visible 是我們的設計初衷,就好像蒲公英的種子讓人『看見』風的存在,我們想把看不到的東西視覺化,送到大家眼前。」

水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器
水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器

Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用
Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用

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讓好點子落地生根!《康寧創星家》複賽暨工作坊紀實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/15 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

文/梁晏慈

由台灣康寧舉辦的第一屆「康寧創星家」希望培育創新人才,並期許企業在營利的同時能回饋社會,因此他們深入校園,向台灣大專院校的學生發放英雄帖。有別於其它創新競賽以某一議題進行概念發想,「康寧創星家」的參賽者從生活中找尋好點子,並利用康寧的特殊材質-玻璃、陶瓷、光纖為命題方向,構思可以改善人類生活的新產品。本次活動共235團隊投件,其中20組團隊憑藉著他們的創新點子,獲取進入11月28日複賽暨工作坊的入場券。

台灣康寧深知唯有創新才能帶領產業的發展。然而,好點子不會從天而降,更可惜的是一般人在靈光乍現時常常思考的卻是:「這個怎麼可能做到。」、「應該很貴吧!」。康寧創星家為了鼓勵學生不只停留在發想,而是能夠考慮實作的要件,特別在複賽中安排參賽團隊與康寧科學家及奧美導師對談:前者帶領同學了解材質、改進設計,讓發想更有機會變成產品;後者則提供企劃上的建議,指導參賽者將產品包裝得更能吸引受眾與投資者。

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三張圖
每組隊伍在複賽中需完成三道關卡。

 

有想過產品要賣給誰嗎?沒有,因為你只想到你自己

在複賽簡報暨提問中,各團隊有7分鐘時間向評審分享自己的創新點子。評審們除了就投影片的呈現方式給予初步建議,也教導參賽者釐清產品的受眾。例如同樣是和飲食相關的設計,其中一組計畫利用康寧的可撓式玻璃製作出能依據食物重量持續播放影片的幼兒餐墊,讓專注力不足的孩子乖乖吃飯。另一組則將目光聚焦在單身外食族,以康寧的大猩猩玻璃(Gorilla glass)打造具有點餐服務、影音功能的個人化餐桌,降低單身者外食的尷尬

針對幼兒餐墊的設計,評審詢問同學:「你們知道2至4歲的孩子吃甚麼嗎?」、「如果孩子碰碰碰地拍打餐墊,是否會干擾重量的偵測?」,藉此提醒參賽者永遠別忘了「誰要用」,當產品使用對象是嬰幼兒時,就不能以大人的角度去評估適用性,而要將嬰幼兒的行為研究透徹,並依據可能發生的狀況來更動產品設計。另一方面,評審們則提醒單人餐桌的團隊,雖然受眾是單身族群,但買家可是餐廳,因此產品行銷的困難是如何說服餐廳願意投資這項技術。再者,若影音功能太過精彩,客人一直滯留在店內,反而會影響餐廳最重視的翻桌率。由此可知,該如何吸引業者願意投資新產品,並在買家及受眾的需求間取得平衡,也是規劃產品功能時很重要的一環。

簡報提問結束,同學表示:「我們以為產品只要能解決某個問題就大功告成了,卻沒想到還有那麼多人的意見需要被納入考量。」透過與評審的對答,同學們學會從業者、一般大眾、受眾等不同角度切入產品設計,使他們產品能更完整,更有可行性。

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複試簡報暨提問的評審現場。

「這樣可行嗎?」問,就對了!

為了創造更自由的設計環境,康寧創星家初賽強調發想,但這次的複賽可不只是提案競賽,更重要的是讓每件作品的設計都能將材料的特質和現實環境狀況納入全盤考量,因此台灣康寧特別在複賽中加入了與科學家對談的關卡。在這個關卡中,科學家會給同學更多實務上的建議,一一化解大家腦中滿山滿谷的問題。例如有一組團隊為了解決駕駛人視線被汽車A柱擋住的問題,決定拿掉原本的金屬A柱,利用堅固透明的大猩猩玻璃,將前擋玻璃一路延伸到前座車窗。他們想知道:「製作一體成形、彎曲形狀的大猩猩玻璃會很困難嗎?」、「大猩猩玻璃可以承受的撞擊力如何?」。

科學家首先讚許該團隊的大膽創意,另一方面也提醒同學,汽車工業的材料要求非常嚴格。現在的玻璃製程技術可以將玻璃塑造成他們所設計的,但金屬A柱仍為必要,因為當意外發生時,金屬可以吸收碰撞力道,並撐起車蓋,避免駕駛受到更大的衝擊。同學的發想雖然可以解決視線死角的問題,可是在車禍的撞擊力太大時,大猩猩玻璃仍有可能會碎裂。破裂的玻璃將造成乘客的二度傷害,不僅如此,在講求輕量化的時代,玻璃的重量勢必會成為很大的問題。類似的設計是利用攝影機將死角的影像播放給駕駛,若同學想利用玻璃A柱的設計,避免轉播影像有視差的問題,那就得解決碎玻璃的危險性。在兩片玻璃間夾入聚碳酸酯纖維層,達到防彈玻璃的效果,也許是可行的方法。

透過「康寧創星家」創造的自由發想平台,以及科學家強大的技術支援,參賽者天馬行空的發想才有機會成為影響人類生活的重要設計。

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康寧科學家和同學正熱烈討論各種產品改進的方法。

以好故事包裝好產品

好點子及技術支援都到齊了,一項產品能否吸引買家及投資者,還要依賴設計者們說故事的能力。包裝產品的能力就靠奧美導師幫忙了!首先,每組團隊先向奧美導師分享其對於產品包裝的想法,導師便會藉此確認產品的賣點,接著深入地協助同學重整簡報的架構,並引導同學找到適當的報告邏輯。透過投影片順序的調換、內容融合,強化這些賣點。導師不斷提醒同學,製作及使用簡報的每一刻都要想到聽眾,目標是帶領他們理解「這項產品為什麼重要?」、「我為什麼要在乎?」。

尤其當聽眾是投資者時,更要把產品和對方企業做連結。因此簡報中需要強調康寧材料的獨特性,並且努力說服對方相信只有「我們」可以把材料的特性發揮至淋漓盡致。

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奧美導師專注聆聽同學講述產品的包裝概念。

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創星家精神永遠與你同在

我們常以為好點子像中樂透一樣,是幸運兒的專利。但事實是累積完整的思考流程(問題是什麼?這個問題中我可以扮演的角色?),才可能在適當的時機抓住靈感。從發想到實現的每個階段都得時時分析產品是否具有市場競爭力。設計者還須跳脫框架,從贊助者及一般大眾的角度審視產品的價值;同時,以說故事的力量讓產品的行銷更貼近每個人的心。

「康寧創星家」引導同學完成一趟創新思考的流程,並幫助大家實現好點子成為好產品,期許這個活動在同學心中埋下一顆種子,比賽過程中培養的「自主發現並解決問題的能力」可以伴隨著這群創星家繼續在臺灣各產業發光發熱。

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複賽參賽者與專題演講老師合影。

 

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