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垂直起降無人機──《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2015/11/02 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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起降無人機
本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號),全見版請點擊圖片放大。

從現今習以為常的直升機到未來世代的自動無人機,垂直起降科技已逐漸崛起並躋身主流。

打從人類開始夢想飛行之際,便開始想像替飛機加上垂直起降的功能;其中李奧納多.達文西(Leonardo da Vinci)就是這類科技的創始者之一,他手擬了一款現代最常見的垂直起降飛機──直升機。達文西的設計雖未經實際測試,也從未真的飛離地面,但這種俗稱「空氣螺旋槳」的機器採用螺旋設計,其實早已用上了壓縮空氣製造升力的基本原理。

自那時起,有一大票發明家都希望能將自己的原型機送上藍天,但接下來五百年間,垂直起降的科技似乎沒什麼進展。達文西的自轉旋翼機(gyrocopter)儘管已經落伍許久,這位義大利天才所採用的飛行原理基本上卻沒什麼改變。

二十世紀初可說是飛行世代的開端,1907年,法國的垂直起降科技終於順利通過測試,這可是史上頭一遭。飛行界的領頭先鋒雅各.寶璣(Jacques Breguet)、路易.寶璣(Louis Breguet)與保羅.柯努(Paul Cornu)發明了可以短暫低空盤旋的垂直起降飛機,垂直飛行技術首度向成功邁開了一小步。

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接下來的數十年間,航空科技發展迅速,各式各樣的設計如雨後春筍般自世界各地湧現。第一次世界大戰期間,各國對於更新、更快、更有效率的戰機需求激增以便深入敵軍,因此直升機大抵上仍然不受重視,直到1940年代與第二次世界大戰期間,情勢才改觀。德國納粹早期會運用直升機進行偵察、運輸與傷患後送等任務,但直到1944年直升機才開始量產。

數百架由工程師伊戈爾.西科爾斯基(Igor Sikorsky)設計的R-4、R-5、R-6直升機在二戰最後一年間陸續完工出廠,提供同盟國部隊諸多支援,二戰剛結束時,垂直起降飛機更是聲名大噪。與達文西的自轉旋翼機不同,新型直升機的主旋葉可以迅速將空氣向下壓擠,製造出升空不可或缺的升力,尾端也有一組尾旋翼,可以避免直升機原地打轉。

隨著國際局勢陷入冷戰時期,許多人認為垂直起降飛機會是未來的趨勢。當時全球的確有遭受核子爆炸摧殘的可能性,災難一旦成真,所有可用跑道都將遭到摧毀,因此若有飛機能夠在任何地方隨時起降,必可稱霸天空。因此,美軍後來便陸續嘗試許多古怪的垂直起降飛機,如實驗性戰鬥機洛克希德XFV鮭魚機(Lockheed XFV Salmon),或甚至是受到飛碟啟發的飛行車(Avrocar),但絕大多數都失敗,計畫也隨之中斷,唯一成功挺過冷戰時期的只有英國航太公司(BAE)製造的海鷂戰鬥攻擊機。

海鷂機也叫鷂式戰鬥機,是第一款研發成功的垂直起降噴射機;四管向量噴嘴可以將噴射機的引擎推力導向90度內的任何角度,讓飛機能夠縱向、橫向飛行,在空中改變行進方向,或甚至滯空盤旋。

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海鷂機具備了垂直起降能力,所以特別適合在航空母艦上執行任務,其渦輪風扇引擎由勞斯萊斯(Rolls-Royce)製造,搭配卓越的靈活性與先進武器系統,令人不敢小覷。

另一架於冷戰時期出線的飛機則是V-22魚鷹機。在貝爾與波音兩公司聯手之下,具備縱向推力的魚鷹運輸機搭載了兩組傾斜式旋翼,能像直升機一樣盤旋或垂直降落,也能轉換推進方式,像渦輪螺槳飛機一樣飛行。

魚鷹機的飛行距離超過740公里,能夠迅速運送30人的部隊,在美國海軍陸戰隊執行重大潛入與撤離任務時扮演了重要角色;魚鷹機甚至還能將25公尺長的機翼收攏,將機身縮到只剩5.6公尺寬,因此非常適合停放在航空母艦上。

時代不同,工程師須克服的挑戰也隨之不同。軍方現今面臨的問題除了製造飛機要經濟實惠,靈活性高,飛機還要具備智慧才行;未來軍火商與國防部會愈加重視將垂直起降科技應用到軍用無人機上。

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雖然目前操控這些機器的電腦已經走在時代尖端,但讓機器升空與平安落地的物理學基本上並未改變。

不管是透過遠端遙控還是自動飛行,垂直起降無人機能完成的任務將相當多元,包括運輸、偵察或甚至發起攻擊。到目前為止我們已經介紹了幾項令人振奮的願景,這些都是航空產業中最棒也最聰明的發明,垂直起降科技勢必稱霸下個世代。

NASA垂直起降無人機正式啟航

美國航太總署(NASA)的混合式電動飛機別名「滑溜閃電GL-10」(Greased Lightning GL-10),翼長僅三公尺,但卻把垂直起降科技利用得淋漓盡致。十具獨立螺旋槳可加大垂直攀升的效率,接著機翼與尾板可一同傾斜改變角度,並轉為橫向飛行;兩具螺旋槳提供全部動力以節省能源,其他螺旋槳則依據空氣動力學的概念暫時收攏。

由於動力來自潤滑油般的燃料與電池電力,所以GL-10才得到滑溜閃電的別名。引擎採混合動力設計,代表這架飛機不會像一般的噴射機一樣笨重,機體設計自然俐落得多,能源消耗也減低不少。

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GL-10原型機顯然體積太小,運輸酬載量不大,但NASA透露,GL-10屬於「無尺度」(scale-free)設計,亦即其重量與量度規格也能套用到更大的尺寸;也就是說,如果進一步測試順利,與GL-10相似的大型機種將愈來愈普及。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號)

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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飛天車即將登場,科幻電影夢想成真?
PanSci_96
・2024/09/01 ・1321字 ・閱讀時間約 2 分鐘

飛天車的革命性技術:從無人機到 eVTOL

你知道嗎?今年巴黎奧運,大家終於能親眼見證那個在科幻電影中反覆出現的夢幻交通工具——飛天車。這項技術或許會改變我們的通勤方式,讓塞車成為歷史,隨時隨地想飛就飛。

德國公司 Volocopter 將在巴黎奧運期間推出空中計程車服務,來驗證飛天車的可行性。這不僅僅是技術創新,Volocopter 還強調他們的飛天車非常環保,而且噪音極低,不會像直升機那樣帶來城市上空的巨大噪音轟炸。其實,不只是 Volocopter,包括現代汽車在內的多家汽車製造商也都宣布加入這場飛天車的競賽。

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那麼,飛天車會是未來十年交通工具的主角嗎?這項技術值得投資嗎?還是僅僅是商業噱頭,實際需求並不大?如果你對這些問題感興趣,那我們就需要先了解一些背景知識。

首先,什麼是飛天車?2023 年 6 月的巴黎航空展上,Volocopter 展示了他們的成品,取名為 VoloCity。雖然名字是由「速度」(velocity)而來,但 VoloCity 其實並不是真正的車,而是一種電動垂直起降飛行器(eVTOL)。這類飛行載具更像是放大版、可以載人的多軸無人機,是私人飛機和直升機之外的另一種選擇。

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儘管 eVTOL 看起來像是大型無人機,但它可能徹底改變現有的飛行載具生態系統。傳統飛機和直升機由專業飛行器製造商生產,而 eVTOL 則結合了無人機和電動車的技術,使得更多企業可以進入這個市場,並且設計變得更加多樣化和創新。例如,奧迪和空中巴士在 2018 年推出了一款模組化概念飛天車「Pop.Up Next」,能在汽車和 eVTOL 之間自由切換。

此外,摩根士丹利預測,2040 年全球 eVTOL 市場規模將達到 1 兆美元,2050 年更會達到 9 兆美元。這些數據顯示,投資這個領域可能會是一個明智的選擇。

摩根士丹利預測,eVTOL 市場在 2050 年將達 9 兆美元。圖/envato

飛天車的噪音與環境挑戰

飛天車不僅技術上有所創新,它的噪音控制也十分值得期待。與傳統直升機相比,eVTOL 的電動系統使其運行噪音大幅降低,這也是它的一大優勢。然而,儘管如此,我們仍需關注飛天車噪音對環境和健康的影響,尤其是在城市中頻繁起降時可能帶來的問題。

至於飛天車的起降地點,現有的直升機停機坪、大型建築物或停車場的屋頂都可以被改建為 eVTOL 的起降點。一些公司甚至設計出可以在任何平坦表面起降的飛天車,真正實現了「門到門」的夢想。

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現有的直升機停機坪和屋頂可改建為 eVTOL 起降點,實現「門到門」飛行夢想。圖/envato

當然,這一切的實現還有待更多的試驗和技術驗證。目前,歐盟航空安全總署(EASA)規定,飛天車的安全標準必須與大型噴射客機相當。至於巴黎奧運期間的示範飛行,儘管目前仍在等待最終許可,但這已經是朝著飛天車商業化運營邁出的一大步。

飛天車的夢想正在逐漸成為現實,你會考慮搭乘嗎?

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獨佔先「機」?無人機如何改變全球戰爭與經濟版圖?
PanSci_96
・2024/08/26 ・2342字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在現代戰爭中,無人機的角色越來越不可忽視。從俄烏戰爭到中東衝突,無人機已經從戰場的輔助工具,逐步成為戰術的核心力量。例如,伊朗對以色列的空襲,以及胡塞組織在紅海對美軍的攻擊,無人機的身影隨處可見。這些無人機不僅成本低廉,還具有驚人的靈活性,從偵查、干擾到實施精確打擊,它們的功能無所不包。

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舉例來說,在 2024 年 4 月伊朗對以色列的空襲中,伊朗發射了 170 架無人機與數百枚導彈。雖然以色列防空系統成功攔截了絕大部分攻擊,但一枚防空導彈的成本往往是無人機的數倍甚至數十倍。同樣的情況發生在 2023 年底,胡塞組織利用僅需 2000 美元的無人機攻擊美國驅逐艦,而美軍為了防禦,使用了造價高達 200 萬美元的標準型導彈。這些數字顯示出,在不對稱作戰中,無人機的高性價比給傳統武器帶來了巨大挑戰。

這樣的發展讓各國紛紛投入無人機技術的研發與應用,美國的「地獄計劃」(Hellscape)便是其中之一。該計劃將數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機投放到台灣海峽,藉此增加中國艦隊登陸台灣的難度,並將整個海峽變成「地獄」。此外,美國也在研發無人機與有人戰機的協同作戰,透過無人機在前方吸引敵方飛彈,保護戰機的安全。

台灣的無人機發展之路

那麼,台灣在這股無人機浪潮中扮演什麼角色呢?

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根據《華盛頓郵報》的報導,美軍印太司令部的新司令塞繆爾‧帕帕羅四星上將表示,美國正計畫打造「地獄計劃」,一旦中國朝台灣發動進攻,美國將派出數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機,封鎖台灣海峽。這樣的防禦策略突顯了無人機在現代戰爭中的關鍵地位。

儘管台灣尚未完全掌握無人機技術的核心,但政府已意識到其重要性。2023 年底,經濟部成立了無人機產業發展專案辦公室,目標是讓台灣成為「無人機民主供應鏈的亞洲中心」,並在 2030 年達到 400 億元的產值。這項計畫無疑展示出台灣在無人機產業上雄心勃勃的願景。

台灣力推無人機產業,2030 年目標 400 億元產值。圖/envato

無人機技術的核心:通訊

要掌握無人機,首先要掌握的是其通訊技術。無人機的發展歷史顯示,通訊技術的突破是其成長的關鍵之一。早期的無人機僅能進行簡單的視距內操作(VLOS),但隨著科技的進步,現在的無人機已經可以進行超視距操作(BVLOS),這大大提升了它們的戰術應用範圍。

大疆是中國無人機技術的領導者,其發展的 2.4G 高清圖傳影像系統「Lightbridge」便是無人機技術的重大突破。這一系統能夠將無人機拍攝的畫面即時傳回給操作員,並維持一定的解析度與低延遲。這意味著無人機不再僅僅依賴肉眼操控,而是能夠進行更遠距離、更精確的任務。

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然而,2.4GHz 的頻段雖然穿透力強,但也面臨頻率擁擠的問題,容易受到干擾。為了解決這個問題,現代無人機開始使用 5.8GHz 頻段。這一頻段雖然傳輸距離較短,但資料傳輸速度更快,抗干擾能力也更強。在這兩個頻段之間,大疆開發的 OcuSync 2.0 技術能夠自動切換,確保始終使用最佳的訊號頻段,提供穩定的飛行控制和圖像傳輸。

這些技術上的突破使得無人機在戰場上變得越來越不可或缺。例如,無人機不僅能進行偵查和打擊,還可以通過蜂群技術同時發動多點攻擊,擾亂敵方的防空系統。無人機之間的通訊技術也發展迅速,無論是表演性的燈光秀,還是軍事上的蜂群作戰,無人機都展現出極大的應用潛力。

反無人機系統的崛起

無人機的迅速發展同樣引發了反制無人機技術的需求。反無人機系統(C-UAS)大致可分為兩種類型:軟殺與硬殺。軟殺主要是針對無人機的通訊進行干擾,利用無線電干擾槍發射強大訊號覆蓋 2.4GHz 和 5.8GHz 頻段,使無人機失去控制。而硬殺則是直接摧毀無人機,例如使用火力攻擊或網子捕捉。

以色列本古里安大學的教授格拉‧維斯提出了一個新的思路:透過無人機的飛行軌跡來追蹤操作員的位置。由於無人機的動作會隨著通訊信號的強弱變化,這些變化可以用深度學習模型來分析,從而反推出操作者的位置。這一技術目前的準確率已經達到 78%。

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此外,美國的軍工企業開發了一款名為「路跑者 M」(Roadrunner-M)的自殺無人機。這款無人機不僅能像飛彈一樣追蹤目標,還能在完成任務後自動返航進行回收,降低了作戰成本。

台灣無人機產業的未來

台灣無人機具潛力,兼具軍事與災害通訊用途。圖/envato

儘管台灣無人機產業的起步較晚,但政府和產業界已經意識到其巨大的潛力。無人機不僅僅是一種武器,它還可以成為通訊網路的關鍵節點。例如,雷虎科技的 T-400 無人機不僅用於軍事,也正與中華電信合作,將無人機作為訊號中繼站,在災害發生時提供通訊支持。

隨著 5G、B5G 及 6G 的發展,無人機將成為未來通訊基礎設施的重要組成部分。台灣無人機產業的發展不僅關係到國家安全,更涉及到未來的數位基礎建設。無論是在軍事還是民用領域,無人機的應用將越來越廣泛,未來有望成為台灣科技產業的一個重要支柱。

總而言之,無人機技術正在改變戰場生態,而台灣也正在積極參與這場技術革命。隨著更多資源的投入,台灣有機會在全球無人機市場中佔有一席之地。無人機的發展並不僅僅是一場技術競賽,還是一場關乎國家安全與經濟未來的戰略賽跑。

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