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【Gene思書齋】大黃蜂真的飛得比波音747還快?

Gene Ng_96
・2014/03/31 ・3070字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

有本具有革命性概念的好書《從搖籃到搖籃》Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things),要試圖從工業設計的角度,來真正解決地球資源有限又髒亂的環保問題〔請參見〈從搖籃到搖籃(Cradle to Cradle)〉〕。《從搖籃到搖籃》試圖提出,利用充滿巧思創意的方式,可以改變傳統的工業設計,讓消費者在享受新產品之餘,廠商能夠有效地回收舊商品,把絕大部分原料充分回收使用來製造更新的產品,創造一個雙贏的局面。

《從搖籃到搖籃》中, 作者德國化學家麥克.布朗嘉(Michael Braungart)和美國建築師威廉.麥唐諾(William McDonough)提出一種全新的解決方式,他們各自從自己的專業領域提出各種各樣,他們實際參與的解決之道和經驗。「從搖籃到搖籃」的概念非常棒,試 圖在資本主義的消費社會中創造企業、消費者和環保三贏的永續發展。除了《從搖籃到搖籃》裡頭提到的實際案例,還有什麼其他方法也能夠達到永續發展的目標呢?

我想,最簡單又實際的方式,就是向其他生物學習!畢竟,人類應該是地球上唯一會製造垃圾和污染的生物,只有人類會大量製造出沒有任何其他生物可以分解的廢 棄物!在自然界,一種生物的廢物,就是另一種生物的寶。要不然我們的屎尿怎麼能種出各種鮮美的蔬果呢?今人陶醉的美酒,基本上也就是酵母菌的尿液啊!如果 我們也學生物一樣設計和運作,或許我們將不再製造任何垃圾!

而且,人類的智商再高,實驗室和工廠再先進和尖端,能夠進行的實驗次數和時間畢竟有限,而各種生物在大自然中,有長達上億年,最短也有幾十萬年,能夠演化出應對環境中各種各樣問題,更有效的解決方案!我們或許能夠從其他生物中,學到許多寶貴無比的經驗。

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仿生學(biomimicry),或者稱為生物啟發科技,就是一種應用仿效大自然經驗,籍了解生物的結構和功能原理,來研製新的科技,或解決科技的難題。 仿生學基本上,主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本事,包括生物本身結構、原理、行為、各種器官功能、體內的物理和化學過程、能量的供給、 記憶與傳遞等。從而為科學技術中利用這些原理,提供新的設計思想、工作原理和系統架構的應用科學。

要瞭解仿生學的最新進展,可以參加2013年11月12日至13日在台大舉辦的「2013台灣仿生學國際研討會-向大自然學習」(2013 International Biomimetics Symposium in Taiwan-Learn from the Nature)。什麼?已經錯過了?那就參加泛科學主辦的「微型點子對撞機(M.I.C. XX):仿生」;啥?又錯過了?那就只好讀讀這本泛科學選書--《大黃蜂飛得比波音747還快?:仿生科技-來自大自然的下一波工業革命》The Shark’s Paintbrush: Biomimicry and How Nature is Inspiring Innovation)吧 🙂

和許多科普書作者是來自學界或媒體不同的,《大黃蜂飛得比波音747還快?》作者杰.哈爾曼(Jay Harman)是創業家,他創立並迅速發展了幾家資金達數百萬美元的研究與製造公司,進行各種創新產品的開發、專利與授權,從得獎的水上交通工具到建築連鎖磚、飛航引擎後燃氣,和非侵入性血液葡萄糖與其他電解質測量技術等。

《大黃蜂飛得比波音747還快?》指出,現代仿生學才短短15年左右的歷史,但仿生產品已經創造了數十億美元的銷售成果。透過仿生學,創意科學家、工程師和商務人士正在創造革新的、高效的、而且能賺錢的企業與產品。

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和眾多科普書更不同的,《大黃蜂飛得比波音747還快?》花了大約三分之一的篇章探討利用仿生學的研究和成果來創業之酸甜苦辣。雖然仿生產品的絕佳銷售業績,正建立在它們提供顧客更好的性能、更低的能源需要、更少的廢料、與更微乎其微的毒性,而且售價可以與市場上既有產品競爭上。

不幸的是,仿生的好產品不見得輕易就被大企業接受,因為他們原本的工程師要嘛本位主義,要嘛忙到沒有時間瞭解新方案,要不然就是不曉得該如何好好行銷新產 品等等。加上投資人急功進利,或者創業者沒有足夠經驗,導致經營權被奪走,所以挫敗也不算少。我們也曉得,有許多大企業壟斷市場後,就日趨保守而縮減研 發,甚至打壓新技術突破的產生(請參見〈到底是誰控制了總開關?〉)。

不過,任何優異的產品和新創公司,在創業過程中都會遭遇到類似的問題,諸多困難並非是仿生產品的專利,《大黃蜂飛得比波音747還快?》揭示出的各種問題,讓仿生創業家能夠有更多準備,是件好事。而且,作者仍對仿生產品的前景充滿樂觀和信心。

《大黃蜂飛得比波音747還快?》裡頭舉了許多有趣的仿生學案例,從仿擬葉子的太陽能板、魚鱗的龍鱗防彈衣、到以蜥蜴生物學為本發現的治命醫藥突破、到仿製鯊魚皮的抗菌塗料、就連魔鬼氈也是實際應用仿生學的典型例子。

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中華民國科技部首任部長張善政在揭牌典禮上說,未來科技部鼓勵學界在研究上以需求導向(demand-pull)取代科技導向(technology-push),要把科學研究有限的經費花在刀口上,研究必須入世,要對產業有所幫助,不要只是做好玩的。

可是,《大黃蜂飛得比波音747還快?》舉了許許多多生物學的研究啟發的應用科技,有哪一項是科學家是為了需求導向而研究的?姑且不論,科學研究在人類文明上的知性角色(請參見〈燒大錢的大科學研究,應該嗎?〉),如果要說得功利的話,極少基礎科學研究,是為了解決應用的問題而產生的,極大多數都僅是為了滿足人類的求知慾和好奇心而產生的,而應用性的發現是在蒐集了足夠多的知識後產生的。

例如過去研究鯊魚的學者是為了設計協助破世界記錄的泳衣?研究鯨魚的學者是為了解決船隻的流體力學問題?是為了設計更良好的過濾系統?設計更快更省油的快 艇?研究壁虎的學者是為了設計黏性材料?研究鳥類的學者是為了設計飛機和子彈列車?研究蜜蜂是為了建築設計?研究白蟻是為了節能減碳?研究黏菌是為了解決交通問題?

基礎科學的知識對科技的進展之重要,可以再參見這幾篇文章〈基礎科學為什麼重要?〉〈冷僻研究 救了多年後的產業〉〈科技部殺了台灣科學研究?〉,我們過去確實很難預料生物學過去百年累積的知識,對工業設計會有啥幫助。如果回到廿卅年前,那些生物學知識沒有在科學家努力不倦的發現、記錄和整理之下,幾乎就不會有任何《大黃蜂飛得比波音747還快?》提到的科技之出現,然後我們的科技也可能會走到一個瓶頸甚至侷限。

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《大黃蜂飛得比波音747還快?》裡頭提到的各種各樣的案例,只是仿生學的開始而已,有個不錯的網站「AskNature」,可供詢問並提供各種大自然的解答,其母機構「Biomimicry 3.8」,是推廣仿生學不餘餘力的團體,有許多有趣的案例可供參考 🙂

大自然給了我們美好的生命,又給了我們巧妙的解答,我們怎麼能錯過呢?

 

本文原刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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科技人才看過來!三門獨家課程 YouTube 免費看!工研院「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程現正放送中
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・2829字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 工研院 委託,泛科學企劃執行。

Hey,未來的千萬年薪人才!來一起深入了解那些正在改變我們生活的科技吧!工研院為你精心準備了三堂超有趣的線上課程:從探索醫學界的 PLGA 微米球技術,到揭秘半導體測試的幕後英雄 ATE,再到讓塑膠也能有身分證的創新方法。這不只是學習,更是一場與科技親密接觸的旅程!

第一門 材料檢測與模擬設計之原理與應用系列學習

精選課程:塑膠也有指紋?如何給塑膠「身分證」來驅動循環經濟,減緩地球暖化?你要知道的光譜分選技術-材料光譜分選技術

這堂課將探討如何透過光譜智慧分選技術,為塑膠材料賦予「身分證」,進而推動循環經濟並減緩地球暖化。塑膠標籤的設置主要是為了方便辨識材質,這對於廢塑膠的回收和再利用至關重要。不同號數的塑膠因其分子組成、結構和排列的差異而有不同的特性和應用領域。

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在光譜智慧分選技術中,首先要理解電磁波的概念。電磁波是一種電場和磁場交互變化的波動現象,其不同波長可以用於不同的應用,如手機訊號、微波爐、家用遙控器、X 光攝影等。在塑膠分選中,光譜技術常用的波長範圍落在近紅外到遠紅外光的區域,即 1 微米到 300 微米。這些波段的電磁波能誘發塑膠分子振動,並吸收散射或入射的電磁波能量,從而造成光譜的變化。科學家利用這種振動光譜的變化來獲得塑膠分子的特徵光譜,從而開發出能辨識不同塑膠分子的技術。

舉例來說,最簡單的雙原子分子,如 C-H、O-H 等,會有特定的振動頻率。當結構更複雜的分子(如水分子)被電磁波誘發振動時,會產生更多的振動模式,每種模式對應不同的特徵光譜。塑膠由多種原子組成,因此其特徵振動光譜相當複雜,但這也使得每種塑膠具有獨特的光譜特徵,類似於條碼或指紋,可用於辨識不同類型的塑膠。

本集介紹的光譜技術主要聚焦於紅外線頻譜區段,其波長範圍在 900-2500 納米。在這一範圍內的紅外光能量正好能引起塑膠分子的振動,並在不同波長上產生吸收。透過紅外線感測裝置掃描塑膠分子,可以快速獲得塑膠的材質信息,這不僅有助於塑膠的分類和回收,也對環境保護和資源再利用具有重要意義。


第二門 半導體IC設計與檢測技術系列學習

精選課程:好的良率就是好的利率!考試交卷前都會再檢查、確認了,IC 生產才不會忘記你-半導體測試簡介

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在這堂課中,我們將探討自動化測試機台(ATE)在半導體測試領域中的關鍵作用。自動化測試機台是一種專為測試集成電路(IC)而設計的設備,它可以大幅降低手動測試的人力需求,並減少測試成本。每種IC根據其規格,都需要特定的測試項目。針對這些項目,專門編寫的測試程式被用於自動化測試機台,以自動檢測和篩選出不合格的 IC。

不同種類的 IC 需要不同的測試機台。例如,數位 IC 需要使用專門的數位測試機台,而記憶體 IC 則需要使用演算法來進行測試。類比 IC 和混合訊號 IC 則涉及電性測試,因為它們不是像數位IC那樣僅依賴固定的 0 和 1。

隨著系統晶片(SoC)的出現,測試機台的複雜性也隨之增加。SoC 整合了數位、記憶體、混合訊號甚至 RF IC 於一個晶片中,因此其測試機台必須同時具備上述所有種類機台的功能。這種SoC測試系統非常昂貴,每台造價可能高達數千萬。

最近,模組化測試系統成為了一種趨勢。這種系統的主要特點是其靈活性,能夠根據不同類型的IC進行不同模組的組裝,以進行測試。例如,對於數位IC,可以使用數位模組;對於類比或混合訊號IC,則可以使用相應的類比測試模組,如示波器或任意波型產生器。對於RFIC,則可以插入RF模組,如VNA等網路分析儀。模組化測試系統通常基於PXIE或LXI這樣的系統,其中PXIE是基於PCIE的擴展,加入了與儀器相關的電路;而LXI則是在LAN基礎上加入儀器相關電路。

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總結來說,自動化測試機台在提高半導體製造過程中的良率和效率方面發揮著不可或缺的作用。無論是傳統的ATE還是新興的模組化測試系統,它們都在確保IC品質和性能方面扮演著關鍵角色。


第三門:解密醫材醫藥產品開發攻略系列學習

精選課程:藥不💊隨便你~但少了「它」,藥就不能發揮最大功效!製劑的分類與開發

在這堂課中,我們將深入探討 PLGA 微米球技術及其在長效針劑開發中的重要性。PLGA,全稱為聚乳酸甘醇酸,是一種被廣泛應用於藥物釋放系統的生物相容性高分子材料。自 1989 年日本武田藥廠開發出第一款使用 PLGA 的產品 Lupron Depot® 以來,這種技術已被用於多種藥物的開發,涵蓋了小分子藥物和胜肽類藥物。

PLGA 的關鍵特性,包括乳酸與甘醇酸的比例、分子量及高分子末端基團,對藥物的釋放速率和持續時間有著顯著影響。在製程技術方面,溶劑揮發法和溶劑萃取法是兩種主要的製備方法,它們對於親水性和疏水性藥物的包覆都至關重要。這些製程不僅決定了微米球的形成,也影響著藥物在微米球內的分布和最終的藥物釋放行為。

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此外,微米球製程的工藝還包括乳化、coacervation 過程、溫度、攪拌速度、微米球固化和乾燥速度等因素,這些都對藥物包覆效率、微米球的粒徑大小分佈及藥物在微米球中的分佈位置產生影響。而不同的製程設計往往會導致藥物釋放行為的顯著差異,這對從實驗室到試量產階段的轉換是一大挑戰。

在台灣,工研院在經濟部的支持下建立了一個無菌製劑試製工廠,該工廠配備了微米球製程設備、高壓均質機、in-line均質機、噴霧乾燥機等關鍵製程設備。這些設備不僅能夠支持微米球的生產,還包括了關鍵的分析儀器,如液相層析儀、氣相層析儀、微米/奈米粒徑分析儀等。工研院的團隊擁有豐富的特殊製劑開發經驗,能夠提供從製劑配方研發、分析方法開發、放大製程開發到客製化產線設計的全方位服務。這些資源和專業知識使得工研院能夠有效地支持新藥的臨床前開發和商業化進程。

總的來說,PLGA 微米球技術在藥物釋放系統的開發中扮演著關鍵角色。透過精確的材料選擇和製程控制,這項技術有望為醫藥界帶來更多創新和有效的長效針劑產品。


還想看更多?不用掏出信用卡,三門線上課都在 ITRI Lab on-line 的 YouTube 頻道獨家放送中,手機打開就能看。但……雖然不用急,但是科技進步也是不等人的,快跟上吧!

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最硬核線上課程來了!工研院不藏私開課的原因是?
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・2023/12/14 ・1114字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 工研院 委託,泛科學企劃執行。

「ITRI Lab on-line」線上學習平台,讓複雜的科技原理簡單學! 圖/envato

你有沒有想過,是什麼驅動著今日產業的創新與變革?答案就在工研院的「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程中!這是一個與眾不同的學習機會,讓你深入了解並參與到台灣產業創新的核心。

首先,來說說「環構計畫」的緣起。這個計畫是為了配合國家創新產業政策而生,它的目標是建置和維護創新技術與服務平台。這不僅幫助企業開發新產品和服務,推動新興產業和新創公司,還能加速創新技術的產業化,促進企業的轉型升級。為此,工研院不斷擴建新研發場域,涉及各主要技術領域,實驗室分為檢測/認驗證、試量產/試營運、軟體與硬體設施服務等類別。

工研院的目標是推動台灣產業的創新優化與轉型,幫助業界把握新契機,布局自主創新和產業韌性所需的基礎設施。為此,工研院提供「ITRI lab on-line」特色技術系列數位課程,這些免費的線上學習資源將幫助你快速掌握產業新趨勢,增強企業技術升級與轉型的意願。

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對於晶片生產來說,必須借助科技力量除錯。 圖/envato

這系列課程包括三大主題:「永續高值材化」、「智能晶片」和「精準健康」。每個主題都有專門的課程,總共22支數位課程影片,涵蓋從技術原理到應用範圍的各方面知識。這些課程不僅介紹了工研院實驗室的專業技術,也為企業提供了學習和轉型的寶貴資源。想先試看嗎?點這裡看看我們推薦的三堂課吧

無論你有興趣的是材料檢測與模擬設計、半導體IC設計與檢測技術,還是醫材醫藥產品開發,這些課程都會給你全新的視角和知識。每個課程都是精心設計,旨在幫助企業和個人掌握關鍵技術,並在低碳化與智慧化的時代中保持領先。

現在,只需點擊下方的連結,就能免費加入這個精彩的學習旅程。快來發掘和學習那些塑造當代產業未來的關鍵技術吧!

材料檢測與模擬設計之原理與應用系列學習
半導體IC設計與檢測技術系列學習
解密醫材醫藥產品開發攻略系列學習

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【ITRI Lab on-line】系列影片可在工研院產業學院YouTube頻道觀看:點我前往

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