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《大英雄天團-穿戴式的超能力》Walk Again Project

Zobot
・2015/02/02 ・1931字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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還記得《大英雄天團》的阿費第一次穿上彈跳噴火龍套裝時有多興奮嗎?是什麼樣的裝束,讓人穿上時會有美夢成真的感覺呢?

Photo by Disney
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2014年六月12號,在聖保羅哥林多人體育場(Arena Corinthians)的世界盃足球賽開幕典禮上,一位下半身癱瘓的青年,利用由他自己的大腦活動,操控動力服,達成一件象徵性的成就。

https://www.youtube.com/watch?v=fZrvdODe1QI

「再度行走計劃(Walk Again Project)」由埃德蒙與莉莉薩弗拉國際神經科學研究所納塔爾分校(Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal;ELS-IINN)主導,與聖保羅的傷殘孩童扶助協會(Association for Assistance to Disabled Children;AACD)合作,於2013年一月獲得巴西科學研究與發展項目資助署(FINEP)所提供臨床階段必要資源,在巴西聖保羅另組實驗室,由長期研發神經復健(neurorehabilitation)方法和外骨骼(exoskeleton)的神經科學家尼可列利斯(Miguel Nicolelis)主持,同時也受到巴西伊塔烏聯合銀行(Itaú Unibanco)贊助。

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此計劃中所有測試階段的科學、臨床、技術上的目標都在2014年五月達成。這還只是個開始,不過研發團隊有信心,未來身體癱瘓的人們將可以丟下輪椅,實實在在地站起,再次行走。

第一階段:研發腦機介面(brain-machine interface)

https://www.youtube.com/watch?v=wpWGMVOY1E0
任職於美國北加州杜克大學(Duke University)的巴西籍科學家尼可列利斯,從1984年開始從事這個領域,直到2001年時發想能製造出全新的科技產品,有助因脊髓或神經傷害而下半身嚴重癱瘓的病人,修復他們的觸覺和運動控制(motor control)能力。

這個計劃的第一步是研發所謂的「腦機介面」技術,即能夠讀取大腦神經所放出電子訊號,並從中記錄可以給機器使用的運動控制訊號。此技術不需將訊號再從機器(robot)傳回大腦,即可完成控制圈。

首次觀察實驗是在杜克大學用老鼠和猴子進行。實驗動物們只能在有外來訊號進入大腦時,才可以移動機器手臂或電腦模擬的手臂來操作物品。在另一階段的實驗中,這些動物的大腦受到電子訊號刺激,第一次能夠將不同材質的物品區分開來。

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第二階段:外骨骼(動力服)

外骨骼技術的發展進度在第一階段是走在最前端的,而後動力服的設技也能夠馬上反應出大腦訊號。這部份的工作,由來自慕尼黑工業大學(Technical University of Munich)的Gordon Cheng領導一群工程師與研究人員進行,在法國研發,在巴西測試。

第一次的原型機測試非常成功,完全掌握住大腦活動,如同一個共享控制(shared control)裝置,將自發性的運動意念如「我想走路」、「我想停下來」或是「我想踢這顆球」傳達出來,使操控者的心理能與外骨骼的關節控制互動,產生自然流暢的動作。外骨骼上還配有多個陀螺儀,避免行進中跌倒。每一位參與實驗的病人都說,感覺好像真得用自己的雙腳在走路。

此發明對巴西科學界的重要性反應在他們為動力服取的名字上-巴西-桑托斯杜蒙一號(BRA-Santos Dumont I),為紀念亞伯托桑托斯杜蒙(Alberto Santos Dumont),尼可列利斯認為巴西歷來最偉大的科學家。

第三階段:觸覺

為了使「行走」更接近真實,使病人癱瘓的下肢恢復觸覺是非常重要的事;觸覺回饋技術(tactile feedback technology)或人工皮膚,對於恢復觸覺和本體感覺(proprioception;對於肢體或軀幹的位置與動作的感覺,以及對肌肉張力的感覺)是必要的裝置。
人工皮膚裡面是有彈性的印刷電路板,能感測壓力、溫度和速度,會被貼在病人的腳底板,將每一踏步的「觸覺」傳至病人的手臂或其他還有感覺的上肢。原本應該是在腳底的「觸覺」被轉移到手臂,大腦會被引導重新建構「觸覺」和「在地面踏步的感覺」,讓病人感覺下肢沒有癱瘓。

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第四階段:讓病人做做看

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2014年一月展開第一次臨床測試,共有八位病人參與,他們會先與模擬訓練裝置互動,對「新觸覺」熟悉後,才穿上動力服正式行走。

首先病人們戴上虛擬實境目鏡,看著如同在跑步機上穿著動力服行走的模擬畫面,同時手臂接收觸覺回饋-透過人工皮膚傳來的機械式震動;這個神經衝動與目鏡中行進的模擬畫面一致,此時大腦會重新學習感受雙腳與手臂。這個測試還會將虛擬實境換成從足球賽中錄下的真實畫面和聲音,當然包括鬧哄哄的環境和塞得滿滿的觀眾席。

完成以上的虛擬測試後,會讓病人們穿上動力服、戴上佈滿電極的帽子,利用腦波測量技術(electroencephalography;EEG),以非侵入的方式從頭皮測量電子訊號。電腦可以立即解碼這些訊號,操控外骨骼的液壓導線(hydraulic conductors)來產生動作。

2014年四月29號,其中一位病人用大腦命令他的動力服踏出了第一步;五月20號,八位病人平均都利用外骨骼走了120步;接著他們還想測試在世界盃足球賽開幕式的場景中跑步。

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下一步

「再度行走計畫」的目標不只是在世界盃開幕式上一展身手,尼可列利斯的團隊以及其他參與計畫的工作人員,都將會繼續努力讓技術進步,幫助下半身癱瘓的病人。至於將相關的技術應用到阿費所穿戴的吉祥物嘛……或許就太大材小用了。

參考資料:

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Zobot
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PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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賽博格時代來臨?Neuralink 的腦機介面揭密
PanSci_96
・2024/11/09 ・3060字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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2023 年 11 月 24 日,馬斯克(Elon Musk)創辦的 Neuralink 公司在官方推特上發布了一則耐人尋味的影片,標題為「Please join us for show and tell」(請加入我們的展示與分享)。這預告了他們將於 11 月 30 日美國時間晚間六點(台灣時間 12 月 1 日上午十點)舉行一場備受矚目的發表會。

回顧過去,Neuralink 曾展示過令人驚艷的技術突破,例如監測豬的腦波,以及讓猴子裝上他們開發的 N1 晶片,用腦控玩經典遊戲《乒乓》(Pong)。這些成果已經讓全球為之震撼。事隔 18 個月,這次的發表會是否會帶給我們更多驚喜?是否能看到人類親自裝上 N1 晶片,直接用大腦來「展示與分享」呢?

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遺憾的是,這一刻還未到來。但馬斯克在開場時就揭露了一個令全場歡呼的消息:在這段時間內,他們持續進行了更多猴子的植入實驗,甚至研發了假大腦模擬器進行離線測試。在確保一切安全和動物福祉的前提下,他們已完成所有備查文件。順利的話,將於六個月內獲得美國食品藥品監督管理局(FDA)的核准,進入人體實驗階段。他本人也表示,若情況允許,他不排斥成為第一個植入 N1 晶片的人。

無限猴子定理與腦機介面

提到猴子打字,不免讓人想到數學和哲學上的「無限猴子定理」。這個定理由法國數學家埃米爾·博萊爾(Émile Borel)於1913年在一本討論機率的書中提出。他假想:如果有無限多隻猴子和無限多次的打字機會,最終有可能打出莎士比亞的《哈姆雷特》。機率雖然極低,但並非零。

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這個定理也被簡化為:即使只有一隻猴子,只要擁有無限次的打字嘗試,也可能產生任何文章,儘管牠完全不知道自己在打什麼。這與這次Neuralink發表會上的猴子展示,有著異曲同工之妙。

然而,馬斯克開發腦機介面的目的,並不是讓我們與猴子溝通。在發表會上,他再次強調了Neuralink的使命:打造一個「高頻寬、泛用型的人機介面」。簡單而言,就是加速我們與智慧裝置的互動方式。

馬斯克的願景:與 AI 共存

現今,AI 技術日新月異,能夠生成精美的圖片、回答各種問題,甚至編寫程式,而且進步速度只會越來越快。馬斯克強調,如果人類希望在未來的物種競爭中與 AI 並駕齊驅,最好的策略就是「打不贏,就加入它們」。

目前,人類之所以在進步速度上遠遜於 AI,他認為主要原因在於人類接收和輸出數位資訊的速度有限。我們最快的方式是閱讀、打字、觸控或語音輸入,但與 AI 透過聯網搜尋數位資訊僅需毫秒相比,我們簡直像是石器時代的原始人。

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因此,他主張透過腦機介面的植入,我們將能以媲美 AI 的速度與電腦互動、聯網,甚至與 AI 協作、駕馭它們。試想,當你能用腦控操作手機和智慧裝置時,還會想用手指滑動輸入,鬧出一堆打錯字的笑話嗎?擁有這種超能力的你,還需要擔心 AI 搶走你的工作嗎?

我們與賽博格的距離

然而,想到要將晶片植入大腦,難免讓人聯想到各種賽博龐克作品中的可怕後果。例如,《Cyberpunk 2077:邊緣行者》中的「賽博精神病」、或是《刀劍神域》中可能燒毀大腦的完全潛行裝置。將自己改造成半人半機械的賽博格(Cyborg),著實令人卻步。

但馬斯克在發表會上指出,其實我們早已是廣義上的賽博格。否則,為何我們每天早上起床第一件事就是滑手機?為何不時低頭看智慧手錶?出門沒帶手機,是否比沒帶錢更讓你焦慮?我們已經如此習慣隨時聯網和人機互動,Neuralink 所做的,不過是提升這種互動的效率。

關於植入大腦的恐懼,Neuralink 以影片中展示的猴子為例。在他們使用高科技機器人進行手術植入後,根本無法從外觀看出牠們有任何植入物。發表會上的工程師甚至半開玩笑地說:「就算我有裝,你也不知道,我的腦後完全沒有痕跡。」

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Neuralink 的真正突破:規模化與產品化

人類對腦機介面研究其實已有百年歷史。 圖/envato

其實,腦機介面的想法和研究早已不是新鮮事。早在將近一百年前(1924年),德國醫生 Hans Berger 就首次從人類頭皮上記錄到腦發出的微弱電磁波(Electroencephalography, EEG),並開始發展非侵入性的電極腦波偵測技術。197 3年,UCLA 的 Jacques Vidal 團隊就已經提出「腦機介面」的概念。而 Neuralink 這種侵入式腦電極也非先行者。早在 1990 年代,美國猶他大學的Richard Normann 教授開發了多電極陣列,在猴子腦中植入 100 個電極,嘗試簡單任務。2002年,實驗猴就可腦控滑鼠,2008年甚至能遙控遠方的機械手臂餵食自己,控制「第三隻手」,彷彿蜘蛛人的反派「八爪博士」。

即使是相對不精準的非侵入式腦波偵測技術,只要幾百個電極,就能在人類身上實現控制機械義手的可能性。2018 年,已發展到能讓人腦控打字、玩遊戲,基本上與 Neuralink 透過 N1 植入物讓猴子能做的事情相似。

那麼,這次發表會的看點在哪裡?其實,馬斯克帶著大批工程師報告,真正要強調的重點是「規模化和產品化」。這正是這場發表會的核心,也是馬斯克向來為人所知的魔法:「讓夢想成真」的關鍵部分。畢竟,好點子並不稀奇,最重要的是執行力。不論是 SpaceX、Tesla,或是前陣子轟動一時的機器人 Optimus,他一貫採用「先求有再求好」的思維,不做最強的原型機,而是先拼湊所有技術,做一個最有可能讓消費市場買單的產品。畢竟,兵貴神速,尤其在商用市場上。

關於 N1 晶片,馬斯克形容得很輕巧,就像是幫你的大腦裝上 Apple Watch 一樣。但智慧裝置成癮的你我,應該此時會浮現相同的疑問:手錶和手機的電池效能會越來越低,科技產品每年都會更新軟硬體,當這些「身外之物」來到產品生命週期末尾時,我們總能輕易汰換。但當這個 3C 產品是放在腦膜底下,如何確保它不僅不會故障,還能好好充電,甚至可升級呢?

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N1 晶片有辦法像 Apple Watch 等「身外之物」一樣,隨時被汰換嗎?圖/envato

Neuralink 這次可是有備而來。首先是穩定性的部分,除了上次發表會看到能腦控《乓》遊戲的猴子佩吉外,這次還展示了其他五隻猴子分別進行不同的腦控遊戲。馬斯克特別強調,牠們都很享受這些實驗,包括這次展示腦控打字的 Sake。透過重複性的實驗,穩定性已獲得一定的保證。

續航力方面,團隊已經改良電池效率,並在猴子身上實驗了無線充電的可行性,確保一整天使用無虞。最後,也是最重要的「可升級性」。畢竟,目前的 N1 就如同 iPhone 一代,當技術演進到 iPhone 14 時,應該沒有人想繼續用舊款。因此,發表會上工程師們展示了 N1 晶片的手術過程有多簡易,完全使用手術機器人,輕鬆地在 15 分鐘內自動植入 64 個電極,再安全地把頭蓋骨和皮膚縫合回來。後續無論是軟硬體升級,只需要到他們正在建置的腦機介面診所就可進行。

目前,N1 晶片的製造已在奧斯汀開始產線準備進行量產。只要 FDA 核准,人體試驗成功的話,Neuralink 就有機會成為第一個達成商用化的腦機介面服務商。

競爭對手與未來展望

然而,Neuralink 只是「有機會」成為第一個達成商用的公司。這兩年,不止一家公司追上,甚至彎道超車,推出比 Neuralink 更接近完成品的產品。在這裡先賣個關子,預告下集我們將討論馬斯克的勁敵,以及可能導致 Neuralink 被指控虐待動物的爭議。

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《刀劍神域》元年?——從實現《刀劍神域》來看現今元宇宙技術
天竺鼠
・2022/12/31 ・6047字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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  • 文/吳政佳|國立中央大學通訊研究所碩士班

《刀劍神域》小說在 2002 年開始連載於網路,而「刀劍神域」也是故事中網路遊戲的名稱。這部小說在 2012 年製作成動畫,也成為許多人踏入動漫領域的第一步。以下是《刀劍神域》中一段故事設定:

「 2022 年 5 月,大廠牌電子機械製造商 ARGUS 發佈了能夠實現虛擬實境的機器 NerveGear,人們可以通過 NerveGear 進行完全潛行以進入虛擬世界。不久,全球首款虛擬實境 MMORPG《刀劍神域》,在經過大約一千人參加的封測後正式發佈,首次共限量發售一萬份。」[2]

在故事中 2022 年 MMORPG[註1]《刀劍神域》「Sword Art Online」遊戲正式發售,而今年正好就是 2022 年。或許你也會像我一樣好奇,現實與故事裡那令人嚮往的虛擬世界距離還有多遠? 

SAO——艾恩葛朗特。圖/參考資料 25

什麼是「元宇宙」?

如果你了解《刀劍神域》,也看過其他科幻電影,比如《駭客任務》、《一級玩家》,那你肯定不會對「元宇宙」這概念陌生。元宇宙簡單來講,是一個大家共享的 3D 虛擬世界,它可以將現實世界有的甚至是沒有的東西,在虛擬宇宙中建構出來。未來你甚至可以在裡面上班、跟朋友聚會、參加演唱會,所有你想的到經濟活動[註2]都可以裡面實現。

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(一)元宇宙熱潮和起源

2021 年 10 月 28 日祖克柏親自宣告 Facebook 將改名為 Meta,他們不再是一家社群媒體公司而是「元宇宙」公司。加上自從 2020 年的疫情爆發,人們對於虛擬互動平台需求增加,網路上開始興起了大量對於元宇宙的討論。[4]

元宇宙「Metaverse」一詞來自於 1992 年出版的小說《潰雪》,作者在裡面描述了一個平行於現實世界的網路世界名稱「Metaverse」,有趣的是人們在裡面的網路分身叫作「阿凡達」(Avatar)。而 Metaverse 一詞可以看出,它是從宇宙(Universe)演變過來的,Meta 有「之後、超越」的意思,所以翻譯也可稱之為「後設宇宙」[5]

(二)VR、AR比較

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在元宇宙提出之前,提到虛擬世界大家可能會聽過 VR 或者 AR,那他們分別是什麼? 

VR 虛擬實境(Virtual Reality),是創造出一個虛擬的 3D 環境,並透過各種技術讓使用者身歷其境般地體驗。不侷限視覺、聽覺,未來也希望加入觸覺、溫度覺、嗅覺和虛擬物件的互動回饋等感官體驗。[6]這描述就很像元宇宙,後文將介紹它們的差異。

AR 擴增實境(Augmented Reality),定義是在現實世界的基礎上疊加資訊或內容[6]。簡單講就是以真實世界為背景,在上面添加虛擬物件,舉例如前幾年爆紅的 Pokémon GO 遊戲就是使用 AR 技術。

(三)元宇宙和 VR 一樣嗎?

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元宇宙和 VR 看起來都是建立一個 3D 的虛擬環境,盡可能還原人們在現實世界中的感官體驗。不過如果單純 3D 建模世界,沒有與現實世界有更多的連結,去賦予虛擬事物價值,它無法真的稱之為「世界」。

在刀劍神域故事中,茅場晶彥說過的名言:「這雖然是遊戲,但可不是鬧著玩的。[2]」因為他訂下了規則,在遊戲中死去現實中也會喪失生命,所以遊戲就不再是遊戲,之後才會有精彩的故事。

元宇宙是一個相對複雜的概念想像,在之後陸續加入的虛擬貨幣 NFT[註3]等概念,使元宇宙裡的虛擬物件確定了價值。所以現在你可以在虛擬世界中購買土地,在虛擬世界裡工作,獲得現實世界中的薪水,如果日後普及,是不是想想就很科幻呢?

實現《刀劍神域》的「完全潛行」

在介紹元宇宙後,考慮如何實現《刀劍神域》,最大問題就是如何讓人與虛擬世界之間進行互動的裝置。我們需要先來看看故事中對於連接虛擬世界「完全潛行」一詞的技術描述。以下是以故事中初代的頭戴裝置 NERvGear 為對象。

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頭戴裝置——NERvGear。圖/參考資料 26

「它的內側還藏了無數的元件,而頭盔則藉由這些元件所產生的電場,與使用者的腦部直接連結,使用者不需要使用自己實際的眼睛與耳朵,就能因為機器直接給予腦的視覺質區與聽覺質區情報,而讓使用者有聽到與看到的感覺。其實除了聽覺與視覺外,觸覺、味覺與嗅覺,也就是所謂的五感,全都能由 NERvGear 讀取出來。」[8]

「因為(完全潛行)的使用者不只是接收假想的五感情報而已——連由腦部向自己身體所發出的命令也會遭到阻斷與回收」[8]

以上是書中對於 NERvGear 的設定,可以看出需要以下關鍵科技。

(一)非侵入式的腦機介面

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從故事中可以看到,主角們在連接時,只需要戴上頭盔,很明顯這是個非侵入式的腦機介面[註4]。它的原理是透過,大腦裡的神經細胞活動會產生電位差,一個神經細胞所產生的電流很小,但一群神經細胞同步活化,就能匯集成足夠大的電流產生電磁場,一層層穿過組織來到頭皮,這樣我們就能將量測到腦波訊號繪製成腦電圖(Electroencephalography, EEG)。

不過由於腦內活動非常複雜,彼此區塊間負責的功能也有所不同,大腦裡約有 860 億個神經細胞[10],造成的電訊號夾雜在一起,大大增加分析的難度。加上從頭皮表面量測腦波,會受到皮膚、腦蓋骨、腦組織液的干擾。因此而有侵入式腦機介面,侵入式會穿過頭蓋骨將電極放在大腦皮層上。因為要動手術,所以不為大眾接受, 但這種方式確實能有效降低雜訊。

現在在設計給使用者時,盡量會以非侵入式的方式,但其相對量測準確度相差很多。現在技術能有效量測、判斷的腦波訊號,是比如手臂上舉、眨眼皮等特定或大型動作,及最早發現的睡眠時腦波的頻率變化。所以想要透過頭戴裝置就在虛擬世界暢遊,仍有很大的難度。

(二)感覺訊號與動作訊號

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已知人類是透過五官、皮膚等器官去感受外界,但刀劍神域的完全潛行,是透過訊號直接刺激神經或大腦,讓人們如同進入虛擬世界。這裡列舉最基本的視覺、聽覺,這也是現今多媒體主要傳播方式。還有為了使沉浸體驗更好,我們得要試著解決攔截動作訊號的問題。

  • 視覺技術

早在 70 年前,就發現以電流刺激大腦視覺皮層,會感知到閃光或者說光幻視[註5][11]。2020 年《科學》(Science)期刊上有發表了採用光幻視的技術[12],利用電流刺激在大腦中產生一個個小光斑,光斑組成簡單的圖像,而實驗結果成功讓猴子「看到」並分辨出英文字母、線條和移動的小點等這些圖案。這如同我們螢幕上顯示的畫面,也是一個個小到肉眼觀察不到的光點(像素)組合而成,但即便如此,這項技術也無法直接讓我們大腦看到如同眼球接收般細緻的畫面。

  • 聽覺技術

人工電子耳可以說是現今最成熟的醫療輔具之一,現在助聽器或人工電子耳已經非常常見。助聽器主要只是將聲音放大傳入耳朵,而人工電子耳則是如果內耳絨毛細胞受損嚴重,無法接收聲音,它則可以直接刺激聽覺神經,產生聽覺[14]。不過這仍與故事設定不同,非直接刺激大腦皮層。

以上看來感覺訊號,現今都受限於大腦電刺激技術,不過一直仍有無數人前仆後繼去研究,還是很期待有一日達成突破。

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(三)潛行中阻止身體動作

完全潛行還有一個重點,就是在虛擬世界中活動,不會影響到外界的身體,也就是我們控制的運動只會在我們腦中進行。由於攔截腦波的研究,我沒有查到,所以這邊提出假設方法。排除使用藥劑去使人無法動作,若利用身體機制可以嘗試俗稱「鬼壓床」的「睡眠癱瘓症」。

觸發原因是因為睡眠周期中的快速動眼期(REM),人們在這期間容易做夢甚至夢遊,因此大腦會發出命令分泌激素,使肌肉癱瘓避免危險,若這時清醒,就會產生大腦已經有知覺了,但全身仍無法動作的情況[13]。因此如果能夠主動誘發以上情況,或許就能達成完全潛行想像中,現實的人們如同深睡,在虛擬世界展開冒險。不過以上假設需要實驗求證可行性。

元宇宙概念相關的遊戲

回過頭來看元宇宙,除了刀劍神域等科幻作品與它的概念有關,遊戲作為人們對於幻想實踐嘗試的方法之一,隨著元宇宙的熱潮,也伴隨之相關的遊戲誕生。前陣子,因為可以在虛擬遊戲中買地交易,甚至賺取收入爆紅的 The Sandbox、Decentraland 等,前者已經有如愛迪達等大品牌進入,後者則如名人林俊傑在裡面持有 3 塊地,但兩者同樣價格不斐,以今年 5 月底以太幣的匯率,價值都在 20 萬台幣以上[15]。除了以上新遊戲,不少經典遊戲也能幫助我們審視未來元宇宙的發展。

(一)Minecraft

Minecraft 幾乎人人都知、人人都玩過,發行已超過 10 年,但人氣依然不減,每日仍有大量玩家活躍在線。儘管畫面簡單,但卻能使玩家有良好的沉浸式體驗,Minecraft 也逐漸成為許多玩家們的社交場所。

下面列出兩個得元宇宙借鏡的優點。

Minecraft 遊戲畫面。圖/參考資料 27
  • 去中心化[16]

每個玩家在裡面擁有自己的世界,它就像是屬於你的元宇宙,你可以邀請朋友造訪,一起經營起一個龐大的世界。相比現在各大科技公司爭相所提出的元宇宙未來,營運仍控制在企業手上,Minecraft 或許更加符合理想中屬於玩家、使用者的專屬世界。

  • 高自由度[16]

這也是 Minecraft 最迷人的地方,它需要你發揮創意改造,官方不限制你開發新的遊戲模組[註6](Mod),這使的遊戲自由度大大提升,使得 Minecraft 已經不是一個遊戲,而是一個眾人合力組成的遊戲平台。

(二)Roblox

Roblox 於 2005 年問世,在台灣的玩家與討論熱度較少,但在美國尤其是疫情之後,統計超過一半 16 歲以下兒童青少年在玩該遊戲[17]。作為一款大型多人線上遊戲平台,由樂高積木組成世界,玩家們透過開發工具,設計出專屬於你的遊戲,上傳到遊戲平台上[18],現在上面已有超過 4000 萬種遊戲,不少人因此一夕爆紅,賺到大筆收入[19]

Roblox 被稱作「元宇宙第一股」,除了一上市估值破 450 億美元外,大家看好它實現創作者獲得利潤,由玩家們去參與定義元宇宙該要有的樣子。就像是 Youtube 一樣,所有人都有可能是創作者。

Roblox 。圖/參考資料 28

(三)Second Life

第二人生發行於 2003 年,在 2006、2007年獲得媒體關注[20]。這款遊戲的存在似乎就是想訴說,元宇宙不是一個新東西,而它就是先行者。開發商當初就是想要實現《潰雪》裡面所描述的世界,這是一款 3D 仿真實社會遊戲,玩家在裡面對話交流、開店經營,同樣也可以換成真實貨幣。

當年這款遊戲也掀起熱烈討論,大大小小企業、團體入住。在 2011 年 IBM 在裡面購買了 12 座島嶼,作為員工訓練、線上開會。哈佛大學在遊戲裡開過課,政治人物在裡面接受記者採訪[21]。但從現在回頭看,它也漸漸淹沒在時光長河裡,直到元宇宙熱潮再起,它才重新回到大眾面前,不知它將會見證成功還是歷史的重演。

《Second Life》遊戲畫面。圖/參考資料 29

結語

雖然目前的技術還無法實現像《刀劍神域》等科幻作品中的場景,不過隨著技術日新月異,只要還有人研究,那麼總有可能成真的一天。

如今元宇宙相關技術發展,除了很多先行應用在遊戲產品上,還有祖克伯的 Meta 公司,計畫改變未來社群媒體的型態,讓人們在 3D 虛擬世界中社交、開會等等,如果普及化就搞不好會像當年 Facebook 的誕生一樣,對我們的生活帶來巨大的改變。

前方看來還有很多挑戰,是否現在的使用者產品可以讓大眾接受,成為下個革命性產品,有許多質疑。不過作者私心希望這個熱潮不會那麼早消退,畢竟我還期待有一天可以在《刀劍神域》虛擬世界中冒險呢!

註解

[註 1]大型多人線上角色扮演遊戲(MMORPG)為電子遊戲的一種,是電子角色扮演遊戲按電子遊戲人數分類分別出來的一種網路遊戲。[23]

[註 2]經濟活動主要是以勞力等「生產資料」換取商品和服務,貨幣只是交易的媒介。[24]

[註 3]非同質化代幣(Non-Fungible Token,簡稱:NFT),是一種被稱為區塊鏈數位帳本上的資料單位,每個代幣可以代表一個獨特的數位資料,作為虛擬商品所有權的電子認證或憑證。[25]

[註 4]腦機介面(Brain-computer interface, BCI),是指大腦與電腦的連接口裝置。[9]

[註 5]光幻視(phosphene)是在沒有光實際上進入眼睛的情況下看到光的現象。[26]

[註 6]遊戲模組,「Mod」(全寫「Modification」),多指遊戲廠商或者熱心玩家對於原版電子遊戲在功能方面的修改。[27]

  1. 刀劍神域 , 維基百科
  2. 不可不知的元宇宙熱潮,IEK產業情報網
  3. 元宇宙, 維基百科
  4. VR、AR、MR 介紹:AR 擴增實境、VR 虛擬實境,有何差異? , AR PLAZA
  5. Link Start- 以電機工程與神經科學的角度研究《刀劍神域》中「完全潛行」技術之可行性,班尼.史克斯, 巴哈姆特
  6. 腦機介面 (Brain-Computer Interface) 專題 (上) ,The Investigator Taiwan
  7. 不可思議的大腦-《知識大圖解》,PanSci 泛科學
  8. Beauchamp, M. S., & Yoshor, D. (2020). Stimulating the brain to restore vision. Science, 370(6521), 1168-1169.
  9. 1Chen, X., Wang, F., Fernandez, E., & Roelfsema, P. R. (2020). Shape perception via a high-channel-count neuroprosthesis in monkey visual cortex. Science, 370(6521), 1191-1196.
  10. 《睡眠麻痺症》不用怕 症狀很快就消散,亞洲大學附屬醫院
  11. 人工電子耳和助聽器有什麼不同?,衛生福利部國民健康署網站
  12. 在元宇宙裡買塊地?區塊鏈虛擬土地購買全攻略【2022 最新版】,INSIDE
  13. The Metaverse Is Already Here — It’s Minecraft | by Clive Thompson | ,Medium Debugger
  14. Over half of US kids are playing Roblox, and it’s about to host Fortnite-esque virtual parties too ,The Verge
  15. 你從沒聽過的電玩 讓這些青少年成了千萬富翁,天下雜誌
  16. Roblox如何成為元宇宙第一股?創作者與平台互利共生,背後模式是什麼?,數位時代
  17. 第二人生 (網際網路) ,維基百科
  18. 可創業賺錢的線上遊戲-「第二人生」,天下雜誌
  19. 第二人生兔子集體長眠事件,香港01
  20. 大型多人線上角色扮演遊戲,維基百科
  21. 經濟活動,香港教育城
  22. NFT,維基百科
  23. 光幻視,維基百科
  24. 遊戲模組,維基百科
  25. SAO——艾恩葛朗特,(2012) (imdb.com)
  26. 頭戴裝置NERvGear ,(2012) (imdb.com)
  27. Minecraft遊戲畫面 ,(2009) (imdb.com)
  28. Roblox Facebook封面2017年
  29. Second life Facebook 2014年官方相簿
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