0

0
0

文字

分享

0
0
0

鳥事:大鳥小鳥,還有牠們的羽毛

Gilver
・2014/08/24 ・5137字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

birdsKKTIX_large

鳥的眼神百般神韻,純真如雀、尖銳如鷹;鳥的身形人心嚮往,流線型的身體輕盈優雅,強壯的翅膀騰空而飛;鳥的鳴唱,是迴盪密林的餘音繞樑,也可以是敲響農忙的晨鐘。鳥如此迷人,也難怪梁實秋在《鳥》一文直白地以「我愛鳥」開門見山,絲毫不掩飾他對這群靈巧生物的熱愛。

雖然多數人都會欣賞鳥的各種姿態,卻難有餘韻去仔細凝視牠們、觀察牠們的行為。因此,本期微型點子對撞機(M.I.C.)邀請到「台灣猛禽研究會」成立發起人之一的林文宏先生,以及中研院生物多樣性研究中心的黃貞祥研究員,分別從台灣都市與異國森林兩個完全不同的生態界域,為我們揭示那些鳥類令人驚豔的秘密和驚奇。

林文宏:漫談鳥類的生存之道

林文宏先生參與過20個以上的鳥類調查研究計畫,鍾情於鷹類等猛禽,長年與同好一起關注猛禽的生態和保育,現任「台灣猛禽研究」會刊之主編。今天要來和大家分享他住在都市觀察到的「鳥」生百態,談談這些都市常見鳥類的生存之道。

看似普通的鳥,其實也不普通!

鳥是很特別的生物,飛翔不但是牠們的拿手,還飛出各種獨門絕活。許多賞鳥人喜愛的游隼,牠的瞬間俯衝速度可達時速三百公里;飛行高度最高的鳥類,能夠拔升一萬公尺、飛越喜馬拉雅山度冬;體型嬌小、動作靈巧的蜂鳥,可以在訪花的時候「定格」在空中;有些鳥是獵魚高手,能夠俯衝至水中捕魚而不弄濕自己。然而,這些精采的鳥事對於台灣的觀眾來說,卻好像都是操著外語的科學頻道播送的畫面。台灣的鳥,尤其是都市裏面的鳥,好像就沒有那麼厲害。真的嗎? 林文宏認為,台灣的鳥看起來很普通,但若是仔細觀察下來,你會發現有些常見鳥的生存之道其實是很有趣的。在這次演講中,林文宏介紹了十二種在台北市都看得到的鳥類,且聽他娓娓道來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

要活得不起眼,也沒那麼容易

14105621208_7fe40669bc_z

若要列一張都市裡最常見的鳥類清單,麻雀必然是榜上有名。林文宏形容牠們是「不起眼的遜咖,才是超級A咖。」這話怎麼說呢? 麻雀雖然無法飛得快,也不太能瞬間起飛到幾層樓高,卻是都市裡唯一能在人類腳邊啄食的鳥類。牠們的嘴喙使得牠們易於取食穀類,在農業時代即與人類共存,也比較不怕人。不過,在取食的同時,牠們也持續警戒著周遭環境的危險,如果你靠得太近,牠們就會靈巧的拔地而起,飛向四面八方─反正只要比你的頭頂高個兩公尺,你就抓不到啦!

14312454873_13058a832f_z

另一個和麻雀體型相仿的小型鳥類是綠繡眼,林文宏形容牠是「站在尖端的小精靈」。牠只吃小的東西,卻吃個不停。牠的嘴喙細小,只能取食一些比較小的食物,例如花蜜、花粉、小型昆蟲、小蜘蛛等,而環顧整個花園庭院,這些小食物通常都位在最尖端。正因為綠繡眼的輕巧,牠才能活躍於枝梢尖端,取食那些位在其他競爭者不敢踏足之地的小食物。另外,綠繡眼的巢也小小的織在樹枝之間,常在四、五月可以在枝頭末端或人類的陽台上看到。

目中無人的中型鳥類

14105585829_911ac26d09_z

俗稱大卷尾的烏秋,體型不大不小,卻連貓狗、甚至天上飛的老鷹都敢修理,有時意外的會成為其他小鳥的守護者。牠的嘴和爪都十分銳利,主要取食昆蟲,也會吃老鼠或其他小鳥。烏秋喜歡把巢築在一些採光良好、視野開闊、沒什麼遮擋的地方,例如電纜或電線桿上明顯的位置。牠不怕迎面而來的挑戰書,反倒比較擔心其他生物的偷襲,例如巢可能會被蛇趁虛而入。

14105653120_faa2e97266_z

在都市的河濱常見的鳥類中,喜鵲是體型較大的鳥類,牠沒什麼天敵,喜歡在河濱活動。牠是都市鳥界的豪宅主人,林文宏就曾在內湖拍攝到一個高達1公尺的誇張大巢,好像在宣示地盤一樣。另一種鳥類黑領椋鳥則像是蓋違章建築的怪客,由於都市裡的河濱地區適合築巢的樹較少,競爭激烈,因此牠的築巢地點較為隨便、巢形較為凌亂,甚至曾把巢築在工程車臂上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

時代變了,習慣改了,競爭來了

在農田裡,常見的鳥類之一是牛背鷺。過去農民仍用水牛犁田時,牠們喜歡停在牛背上,吃那些從被牛踩踏的植物間隙遁逃出來的昆蟲。如今進入農機時代,牠們轉而逐「鐵牛」覓食,林文宏說,反正牠們「有牛就是娘」。另一群水鳥像是小白鷺夜鷺等,也隨著都市開發和人為活動改變捕魚的方式,過去牠們都是在水邊和魚塭自己捕魚,但最近牠們開始會尾隨釣客,現場撿食釣客不要的魚,比如朱文錦或吳郭魚之類的。 在台北的河口地區散步,常可以見到在爛泥上優雅漫步的埃及聖鹮。牠們在古埃及文明中是神聖的鳥,被認為可以驅魔;然而在二十幾年前開始出現於台灣各地河口地區,疑似是從動物園裡脫逃,並在野外繁殖、成為外來種。牠們在深深的爛泥地上適應得很好,和本土的河口鳥種(例如白鷺鷥) 競爭棲位和資源。

14288953201_7648b4c265_z

同樣類似外來種競爭在地種在都市的案例,便是本土八哥鳥 vs. 外來的三種八哥。本土八哥需要天然的洞穴來繁殖,但外來種喙利用的洞卻很都市化、多樣化,像是紅綠燈上的支撐管中,這種高強的適應能力使得本土的八哥反而敗下陣來,在都市中不易見到。這些外來種八哥包括家八哥爪哇八哥輝椋鳥

城市裡的遠眺者

在人造城市裡,聳立的水泥建築製造了許多制高點,有些猛禽因此遷入都市,成為君臨水泥叢林的城市之鷹。蛇鵰充分利用人造建築的制高優勢,拓寬了牠的獵場;鳳頭蒼鷹獵鳥功夫十分了得,原本住在樹林裡的牠,現在常以公園裡的鴿子、老鼠和松鼠為食。而全世界打獵飛行最快的鳥游隼,是懸崖上的閃電殺手,喜歡以摩天大樓的縫隙作為根據地,並俯衝出去獵食鴿子。 無論是兇猛如鷹、或是平凡如麻雀,其實光是在都市裡找到自己適合的位置、發揮適合自己的生存策略,就是件不容易的事了。林文宏以這句話作結:「對自然界的萬物而言,只要能活著,就是人生勝利組。」

黃貞祥:鳥羽之美

黃貞祥研究員(Gene Ng)目前任職於中研院生物多樣性研究中心,長期經營公眾科學議題部落格 The Sky of Gene,也是泛科學的專欄作者之一 ( 發表文章請按此 )。他在中研院李文雄院士的實驗中研究鳥羽多樣性的遺傳基礎,今天帶來的講題則是「鳥羽之美」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所謂鳥樣,該是什麼樣?

鳥,就長得一臉鳥樣,但鳥該是個什麼樣呢?牠們披羽,有翅膀,有喙、沒有牙齒。在生物學上最嚴謹的定義上,鳥屬於爬蟲類。牠們最近的近親是鱷魚,和其他現生爬蟲類有共同的祖先。

鳥的祖先可能就是披有羽毛的恐龍,像是電影《侏儸紀公園》裡大名鼎鼎的迅猛龍,若和化石證據比對,會發現牠們其實是披著羽毛的。因此,羽毛其實不是鳥類獨有的特徵。

 

14105667920_282cb9887f_z

現今,沒有任何一隻鳥長得像迅猛龍或鱷魚。鳥的祖先經歷了幾場驚奇大演化,讓牠們出現許多有趣的特徵。有些讓牠們變得漂亮,有些讓牠們找到新的生存之道。牠們是地球上分布最廣的脊椎動物,從熱帶雨林到酷寒的南極,都可以是「鳥地方」。 黃貞祥說,公鳥的羽毛通常比母鳥的漂亮。面對登門造訪的眾多求愛者,母鳥的審美標準很高,不需要教育部來教她們何謂美感 (笑)。鳥類多樣性所造就的羽毛能有多華麗?除了我們能想像得到的各種華美斑紋,甚至還能出現3D立體感的驚奇圖案。就算不談及不同種鳥類的鳥羽多樣性,光是同一隻鳥身上羽種之多就夠叫人嘖嘖稱奇,且各具有不同的功能。 黃貞祥說:鳥是藝術家。接下來,他就要帶領聽眾看看幾種鳥類,牠們的羽毛和行為保證讓你瞠目結舌。

華麗至極的鳥羽絕活,都是為了求偶

14105669840_5214be2436_z

馬來西亞、婆羅洲一帶的冠青鸞 (Great argus),在亞洲地區有人叫牠鳳凰。公鳥在求偶時,會把所有華麗的飛羽張開。飛羽上,密布著大大小小如珠的斑紋,更誇張的是它們竟然還有立體感,在光線透射下簡直具有3D效果!但畫面上這隻母鳥似乎有點無動於衷 (笑)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

新幾內亞有42種的天堂鳥,又稱為極樂鳥,牠會以「變身」來博得異性的芳心。新幾內亞的食物豐富,使得雄鳥們有餘韻去布置一個華麗的巢,把心思都花在求偶上。在站上舞台之前,還得先把雜亂的樹枝和碎屑清掉,才能開始展示牠的行為藝術。有的雄鳥比較聰明,會先鳴叫吸引母鳥的注意再開始跳舞,像是影片中這隻華美極樂鳥(Lophorina superba),牠用尾巴開出一個屏幕,好像變形金剛一樣。 華美極樂鳥是新幾內亞所有天堂鳥裡競爭最激烈的,研究發現一隻母鳥必須要從15-20隻公鳥的舞蹈中挑選牠的最佳伴侶。

14269183666_3f894bd8bb_z

另外,有些求偶色,其實存在人眼所能看見的範圍之外。鳥的視覺感官比人類厲害太多,能看見的波長範圍極廣,其中就包括UV光 (紫外線)。Arnold等人於2002年發表的研究中指出,若是在鸚鵡的羽毛上塗上抗紫外光的防曬乳,母鳥的興致就會大為降低,影響交配的機率!

以羽為弦的鳴響

棲息於南美洲的梅花翅嬌鶲(club-winged manakin)求偶的招數是音樂表演。牠的移動速度非常快,需要用高速攝影機捕捉其身影,要快到1秒500幅攝影才抓得到。康乃爾大學的研究團隊發現,牠所發出的求偶之歌,竟然是來自於飛行羽,震驚了整個學界!梅花翅嬌鶲的聲音是從第五根翅羽撥動第六根,其振動頻率高達每秒100次,類似於小提琴發出弦音的原理。另外,還有一種求偶行為非常酷炫的紅頂嬌鶲(red-capped manakin),甚至還會表演月球漫步

14291786964_82e2be8212_z

除了嬌鶲,利用聲音來吸引母鳥青睞的還有蜂鳥。美聲女神蜂鳥(calliope hummingbird)是北美洲體型最小的蜂鳥,身長只有11cm、體重僅有23公克。牠振翅時會發出聲響,在高速攝影機的捕捉下,能夠看到牠每拍幾次翅膀會暫停一次。值得注目的是,牠會飛高20-30公尺,並高速俯衝向下,一面張開尾羽展示,發出特別的聲音吸引母鳥的青睞。在北美洲,蜂鳥的尾羽演化得很快,出現各種特別的尾之鳴唱。不同的蜂鳥尾羽形狀不一,透過風洞實驗和高速攝影機,科學家發現蜂鳥尾羽的振動方式、羽毛構型、頻率、承風角度、羽毛數目都會影響發出的聲響。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

貓頭鷹的無聲飛行

14291794684_64ab1feba6_z

有時候,飛行時會發出聲音是很糟糕的事情,例如說貓頭鷹捕食動物。貓頭鷹的飛羽在迎風面長得像梳子,使得通過飛行羽亂流極小化,頻率低到嚙齒類聽不見。而翅膀較內側部分的羽毛是很蓬鬆的,當作吸音板的功用。以「梳形」降低亂流,以「蓬鬆」吸收噪音,就是貓頭鷹無聲飛行的成功關鍵。 最後,黃貞祥也推薦商周出版的《鳥羽》給大家,在這本書中你將能看到如何見微知著,從鳥羽窺見鳥的生命。

Q&A (節錄)

14292327075_67590b16b9_z

Q:都市中是不是能有能讓鳥類棲息的結構? 林文宏:都市鳥類多以椋鳥科為主,例如八哥。除了演講中提到的紅綠燈,所有沒接好的結構都會變成他們的築巢洞。另外,我們偶爾會見到鐵絲、塑膠等材質變成鳥類築巢的素材。Q:鮮明的色彩和形狀會不會讓他增加被捕食的機率? 黃貞祥:「感官偏好」可能使得鳥的求偶色變得多樣化。至於被捕食的機率和求偶色鮮明之間的關係,可以從「好基因理論」(Good genes hypothesis)「不利條件原理」(handicap principle) 去做討論。

14105615329_0718d6c4d8_z 14312518883_e05efc3e96_z

Created with flickr slideshow.

 

【關於 M. I. C.】 M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

本場演講由科技部「科普資源整合運用推廣計畫」支持,PanSci泛科學與國家高速網路與計算中心共同舉辦。歡迎大家到科技大觀園閱讀更多科學內容。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
Gilver
28 篇文章 ・ 3 位粉絲
畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

0

3
3

文字

分享

0
3
3
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(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。
文章難易度

討論功能關閉中。

賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
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。

0

3
2

文字

分享

0
3
2
誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3228字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

查看原始文章

參考資料

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
不為人知的鳥秘密?全都藏在羽毛裡——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/19 ・2471字 ・閱讀時間約 5 分鐘

比孔雀還要顯眼、高調的鳥類並不多,但如果可以的話,我想請各位先忽略牠那華麗又色彩斑斕的尾羽。我們要將關注焦點放在孔雀頭上形成冠羽的那些硬挺羽毛。

細節藏在羽毛的「振盪頻率」裡

這些長得像鍋鏟的羽毛雖然也很醒目,卻常常被忽略。蘇珊.阿瑪德.康恩(Suzanne Amador Kane)從專門繁殖鳥類的鳥舍與飼養員那裡找來了一些孔雀,再加上一隻來自動物園、曾經不小心飛進北極熊圍欄裡的倒霉孔雀,想要研究孔雀冠羽的用途。

她的學生丹尼爾.凡.貝爾倫(Daniel Van Beveren)在孔雀冠羽上裝設了機械振盪器,並且觀察冠羽的擺動。當機器的振盪頻率為二十六赫茲時──也就是一秒振盪二十六次──冠羽擺動得特別劇烈。這是會令孔雀冠羽產生共鳴的頻率,也正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率,因此康恩對我說:「這不可能只是巧合。」

孔雀冠羽產生共鳴的頻率,正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率。圖/pexels

凡.貝爾倫對著架設好儀器的孔雀冠羽播放各種錄音,假如播出的是真正的孔雀搖動尾羽的聲音,冠羽就會產生共鳴;若是播放其他聲音,例如 Bee Gees 的〈Staying Alive〉,就沒有這種效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

該研究結果顯示,站在求偶的雄孔雀面前的雌孔雀或許真的能夠感知到雄孔雀尾羽製造出的氣流。除了看見雄孔雀賣力的求偶動作以外,雌孔雀或許也能感覺到這一番努力。(這種現象也會反過來,有時候雌孔雀也會對雄孔雀展現自己。)

康恩想要拍攝真實的孔雀求偶時冠羽的模樣,觀察牠們擺動冠羽的頻率是否真和尾羽相同,藉此證明她的論點。假如真是如此,就表示孔雀求偶的過程中除了有浮誇的視覺效果以外,其實還存在著人類一直以來都沒注意到的元素;而我們會忽略這些細節,是因為缺少適當的配備。

假如連大自然中如此耀眼浮誇的行為展演中,都有被我們忽視的環節,我們到底還錯失了多少東西?

孔雀細小的纖羽會告訴我們答案

從孔雀冠羽底部細小的纖羽(filoplume)就能找出線索。纖羽的樣子就像一根尖端為簇狀的茅,還能做為機械性受體之用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當空氣流動擾動了冠羽,便會擠壓到纖羽,進而觸發神經。大部分的鳥類都有纖羽,而且幾乎都會伴隨其他羽毛一起發揮作用。

鳥類可以透過纖羽掌控羽毛的狀態,因此或許能夠在鳥羽澎亂時即時整理羽毛,重整態勢。不過纖羽還有一項最重要的功用──幫助鳥類飛行。

從孔雀冠羽底部細小的纖羽就能找出線索。圖/pexels

避免失速墜落技巧

鳥飛行的樣子看起來是如此地輕鬆自在,因此我們很可能根本想不到那是一件多費力的事。為了維持在空中飛行,鳥必須一直調整翅膀的型態與角度。如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。

然而如果鳥的翅膀角度太大,原本順暢的氣流會形成擾流,抬升的力量也就隨之消失,這種現象叫做失速(stalling)。一旦鳥無法避免這種狀態產生或即時修正,就會從天上掉下來。不過這不常發生,一部分原因是因為纖羽能為鳥類提供必要資訊,因此能夠因應各種情況快速調整翅膀的狀態,避免不幸。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

老實說,這種能力實在相當驚人。我記得有次站在船上看著一隻海鷗緊跟船身飛行;那天風很大,而我們──也就是我坐的船和那隻海鷗──都在高速移動。當我伸出手感受從手上與指間吹過的風時,不禁讚嘆海鷗的翅膀竟然也能產生同樣的作用,讓鳥類能夠在天空中飛翔。

如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。圖/pexels

然而我當時我根本不知道鳥類還會運用纖羽判讀氣流,在飛行時不斷微調姿態。法國的眼科醫師安德烈.羅尚-杜維尼奧(André Rochon-Duvigneaud)曾描述鳥是「一對靠雙眼引導方向的翅膀」,不過這個說法還不夠正確──鳥的翅膀其實會為自己找到方向。

蝙蝠翅膀長得不一樣,功能卻一點都不差

蝙蝠的翅膀也是如此。牠們翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。蝙蝠的翅膀薄膜上布滿有敏銳觸覺的毛髮,這些毛髮從小小的半圓球狀上凸出,並且連接著機械性受體。

蘇珊.斯德賓發現這些毛髮大多數只會對來自蝙蝠背後往前吹拂的氣流有反應,而這種現象通常在蝙蝠快要失速時才會出現。因此蝙蝠其實就跟鳥類一樣,都能感覺出快要失速的狀態,也能夠及時採取行動修正。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

多虧這些毛髮,蝙蝠能以陡峭的角度飛行、在空中盤旋和後空翻,捕捉在尾巴附近的昆蟲,甚至還能以頭下腳上的姿態降落。當斯德賓以除毛膏去除蝙蝠翅膀上的毛髮,並讓牠們飛過障礙物後,可以發現毛髮消失對牠們產生的影響非常明顯。

蝙蝠翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。圖/pexels

牠們雖然不會墜落,卻會選擇與周邊的物體保持相當的距離,轉彎的角度也比平常更大,姿態更笨拙;反之,假如牠們翅膀上的毛髮完好無缺,就能夠以離物體僅僅幾公分的姿態飛行,還能做出過髮夾彎一般的飛行動作。

對牠們來說,氣流感受器的存在與否決定了牠們只能用一般方式飛行,還是能夠進一步做出各種飛行特技。

對於其他動物來說,這些感受器的存在很可能更是存亡與否的關鍵。這或許就是為什麼它們會演變為這世上數一數二敏感的器官。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

——本文摘自《五感之外的世界:認識動物神奇的感知系統,探見人類感官無法觸及的大自然》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
88 篇文章 ・ 255 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。