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物聯網與大數據時代下的個人化精準醫療

活躍星系核_96
・2016/02/20 ・1855字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

作者:潘人豪助理教授,元智大學大數據與數位匯流創新中心

Source: idownload blog

2014年,當致力於電子病歷(Electronic Medical Record, EMR)分析,藉以尋找癌症機轉與治療方法的大數據公司Flatiron Health獲得Google創投(Google Ventures)高達1.3億美元投資後[1],個人化精準醫療(personalized medicine)隨即成為火紅的熱門主題,這樣一股氣勢發展,讓美國總統歐巴馬(Obama)更在今年提出精準醫療計劃(Precision Medicine Initiative),並投入2016年預算高達2.15億美金之譜[2]。

在精準醫療這般的強勢展開下,不僅僅只有過去生物資訊上基因體學、轉錄體學上的資料探勘或是電子病歷醫療健康數據分析,物聯網(Internet of Thing)的發展也同時透過行動裝置與消費型穿戴式裝置大舉進入個人化健康促進與醫學上疾病研究領域。在這機電感測裝置快速發展下,各種輕巧卻具備多種感測裝置的隨身穿戴式裝置逐漸普及於消費電子商品市場,各家廠商發展出豐富的產品功能不僅能記錄活動頻率,更能偵測活動強度、睡眠狀態、作息規律,更甚至能取得穿戴者24小時的心跳狀態與壓力疲勞狀態,並利用這些生理數據進行健康促進的提醒與建議。

EHA945 Berlin, Germany. 9th Mar, 2015. Journalists test the new so-called Apple Watch of computer and software manufacturer Apple at the Apple Store in Berlin, Germany, 9 March 2015. Photo: Kay Nietfeld/dpa/Alamy Live News
Source: Nature

然而向來以創新設計為圭臬的蘋果公司,在這一波趨勢的發展下當然不會缺席,除了在2015年正式上市首款穿戴式裝置『Apple Watch』智慧手錶外,更針對醫學健康研究,大舉開放iPhone應用程序接口(Application Programming Interface, API),推出開放源碼的軟體架構ResearchKit[3,4],透過ResearchKit,研究人員與軟體開發人員得以在iOS系統中快速開發App並且直接存取iPhone具備的各項感測器。ResearchKit的精神,在於透過iPhone的普及進行大量自願者的招募參與研究實驗,藉由更多人的個人化健康、醫療大數據蒐集,進行規模更大更多元的研究。

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Figure 1. 知情同意書個人簽章功能
Figure 1. 知情同意書個人簽章功能

ResearchKit的功能主要分為三大類別[5],問卷調查(Surveys)、知情同意書(Consent)與活動測驗(Active Tasks)模組,研究人員可以透過問卷調查模組快速設計研究問卷並且藉由App發布與統計記錄,而知情同意書模組更貼心的讓研究人員能自訂研究知情同意條文並提供志願者進行數位簽名以確保研究的進行符合人體實驗規範的要求。此外活動測驗(Active Tasks)模組更是研究人員極佳的調查工具,透過iPhone的內建功能,便可以透過iPhone 5, iPhone 5s, iPhone 6, iPhone 6 Plus和iPod touch每天甚至每小時頻繁、規律地採集數據,記錄人們的日常作息與生活變化,並且搭配內建的GPS、加速感應器、氣壓計與陀螺儀等先進感應器甚至是Apple Watch,可以更客觀、正確與精準的將數據量化並且傳送至ResearchKit app,這是過去醫療保健、公共衛生研究人員從未有過取得如此鉅量量化數據的機會[6]。

Table 1. ResearchKit活動測驗模組
Table 1. ResearchKit活動測驗模組

透過與ResearchKit共同合作的研究發佈,可以看到各種醫學研究的創意,如西奈山伊坎醫學院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)與康乃爾大學威爾醫學院(Weill Cornell Medical College)推出的Asthma Health[7,8],透過iPhone裝置記錄個人位置、個人每日活動與志願者記錄每日氣喘觸發原因,並提供地區氣溫與空氣汙染資訊以及衛教資訊供志願者進行參考。此外約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)則透過ResearchKit整合iPhone與Apple Watch所獲得的資訊,開發出應用App:EpiWatch[9],針對罹患癲癇疾病的志願者進行生理數據偵測,記錄志願者於癲癇發作時的生理、心跳數據,藉以做為未來癲癇發作的預警與預防。此外羅徹斯特大學(University of Rochester)則是與 Sage Bionetworks 共同合作,透過ResearchKit開發出 mPower app[10],量測志願者的靈活性、平衡性、記憶力與步伐等,藉以了解個人的生理資訊變化與帕金森氏症之間的關聯。

個人化精準醫療,這個過去無數研究學者憧憬期盼卻遙不可及的夢想,在現今儀器設備、網路通訊與大數據分析處理技術大躍進的時代裡,已經逐漸成為可以實現的目標,相信不久的未來也終將普及於健康促進與醫療模式中。

參考文獻:

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  1. Flatiron Health Raises $130 Million Series B Round Led by Google Ventures and Agrees to Acquire Leading Cloud-Based EMR Company Altos Solutions(2014-05-07)
  2. The Precision Medicine Initiative (2015)
  3. Apple ResearchKit
  4. ResearchKit open source framework
  5. ResearchKit Framework Programming Guide
  6. Apple ResearchKit launches in the UK: Here’s everything you need to know (2015-08-06)
  7. Asthma Mobile Health Study
  8. More than 75,000 People have Enrolled in Health Studies using Apple’s HealthKit (2015-07-28):
  9. Apple Brings to Light that new Research Studies have begun for Epilepsy, Autism & Melanoma using ResearchKit (2015-10-15)
  10. mPower: Mobile Parkinson Disease Study (2015)
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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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甲狀腺癌復發:次世代基因定序 NGS 協助擬定治療計畫,健保給付條件看這裡
careonline_96
・2024/07/17 ・2205字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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「那是一位 50 多歲的女士,發現甲狀腺癌後有接受治療,但是在幾年後發現甲狀腺癌復發,並轉移至肺部。」高雄榮民總醫院核子醫學科主任諶鴻遠醫師指出,「復發的腫瘤對放射碘的反應不佳,經過標靶藥物治療後一段時間,產生抗藥性、病情惡化,這位患者也漸漸出現肋膜積水,走路會喘、躺下也會喘。」

經過討論後,患者接受次世代基因定序 NGS 檢測,發現有 RET 融合基因突變。諶鴻遠醫師建議,針對 RET 融合基因突變,患者開始接受 RET 抑制劑治療。

經過一個月的治療後,患者的症狀大幅改善、肋膜積水消退。諶鴻遠醫師發現,大概四個月後,患者再次接受放射碘治療,也能夠發揮治療成效,讓患者的狀況越來越穩定,目前持續在門診追蹤治療。

甲狀腺癌初期沒有明顯症狀,多數患者是在接受甲狀腺超音波檢查時意外發現。諶鴻遠醫師指出,隨著腫瘤變大,患者可能摸到頸部腫塊、淋巴結腫大、覺得頸部有壓迫感、頸部疼痛、或吞嚥不適。如果喉返神經遭到侵犯,患者可能出現聲音沙啞、容易嗆到等狀況。如果氣管受到壓迫,患者的呼吸也會受到影響。當甲狀腺癌轉移至骨骼、腦部、肺部等部位時,便會造成骨頭疼痛、頭痛、呼吸不適或咳嗽等各式各樣的症狀。

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臨床上懷疑是甲狀腺癌時,通常會在超音波導引下做穿刺,取部分細胞出來做檢查。諶鴻遠醫師說,手術是甲狀腺癌的主要治療方式,在狀況許可時,通常會安排手術,切除甲狀腺並進行頸部淋巴結廓清。

部分甲狀腺癌患者,在開完刀還要做放射碘治療,幫助降低復發風險。諶鴻遠醫師說,完成初步治療後,患者一定要定期追蹤,醫師會視狀況安排抽血檢測包括腫瘤標記、甲狀腺功能等,影像檢查包括頸部超音波檢查、電腦斷層、腫瘤掃描等。

「甲狀腺癌患者可能在術後一、二年復發,也可能在十年後復發,所以務必定期追蹤,才能在發現復發跡象時,啟動下一階段的治療。」諶鴻遠醫師說,「復發的甲狀腺癌往往會比較棘手,而需要調整治療計畫。」

次世代基因定序 NGS,幫助擬定治療計畫

針對復發的甲狀腺癌,可能會再度進行手術與放射碘治療,然後依照患者的狀況,使用傳統的標靶藥物,一般是以抗血管新生為主的標靶藥物。諶鴻遠醫師說,隨著精準醫療的發展,目前還可以在甲狀腺癌復發時,進行次世代基因定序檢測(NGS,Next Generation Sequencing)。

精準醫療的精神是分析腫瘤的基因,然後針對不同的標靶基因,選用對應的標靶藥物來抑制腫瘤生長。諶鴻遠醫師說,在甲狀腺癌復發後,精準醫療的角色就越來越重要。

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針對特定標靶基因的藥物,作用機轉較專一,能準確發揮效果,副作用也較少。諶鴻遠醫師說,例如利用次世代基因定序 NGS 驗出 RET 融合基因突變時,便能使用 RET 抑制劑,抑制腫瘤生長、促使腫瘤凋亡。

具有 RET 融合基因突變的甲狀腺癌往往惡性度較高,較容易復發、轉移,也較容易對放射碘產生抗性。諶鴻遠醫師說,接受次世代基因定序 NGS 檢測,有 5% 至 10% 的機會找到 RET 融合基因突變,年輕型的甲狀腺癌可能會有 25% 的機會找到RET融合基因突變。使用 RET 抑制劑可以幫助讓復發的腫瘤縮小、惡性度下降、讓放射碘治療無效的患者再恢復治療效果。RET 抑制劑的發展對甲狀腺癌復發的患者有很大的幫助。

取得腫瘤組織後,次世代基因定序 NGS 能夠一次檢驗多種腫瘤基因,檢測費用會隨著檢測基因的數量而有所差異,從新台幣數萬元至十萬元以上不等。諶鴻遠醫師說,如今次世代基因定序檢測 NGS 已納入健保給付,符合給付條件的患者,便能以部分負擔的方式進行次世代基因定序檢測。

由於腫瘤基因相當多,究竟要檢測哪些基因,需與臨床醫師討論後取得共識。目前健保給付甲狀腺癌患者的條件與檢測基因,也已公布如下:

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貼心小提醒

甲狀腺癌患者在接受初步治療後,仍有復發的風險,請務必定期追蹤。諶鴻遠醫師提醒,在甲狀腺癌復發後,次世代基因定序 NGS 能夠幫助擬定治療策略。藉由次世代基因定序 NGS,有 5% 至 10%(年輕型高達 25%)的機會驗到 RET 融合基因突變,利用 RET 抑制劑有助於讓復發的腫瘤縮小、惡性度下降、讓放射碘治療無效的患者再度恢復治療效果,達到較佳的治療成效!

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從販賣機到智慧設備:物聯網的發展歷程
數感實驗室_96
・2024/06/23 ・1135字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在這個通信技術普及的年代,我們不斷介紹各式各樣的通信技術。大多數的通信技術都是為人服務的,這似乎是理所當然的。然而,有一種通信技術並非直接為人服務,而是為物體之間的交流提供支持。這種技術不僅存在,而且在現代已經成為最主要的通信形式之一,我們稱之為——物聯網(IoT)。

物聯網,Internet of Things,簡稱 IoT,顧名思義就是物品,機器、設備連上網路。

在我們生活中,如智慧手錶和藍牙耳機這些穿戴式設備,它們各自擁有特定功能,同時又能透過藍牙技術相互連結,這就是物聯網的一種應用。

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你可能會問,手機也算是物聯網的設備嗎?

這取決於你如何定義和使用手機。如果是人們使用 5G 或 4G 技術彼此傳訊息和溝通,那麼這不屬於物聯網的範疇。但當手機與藍牙耳機或智慧手錶連接時,它們之間的互動更符合物聯網的概念。因此,物聯網的基本定義是,不直接涉及人跟人、或是人與設備的互動。基本上都是設備跟設備之間的溝通。

通信是人類最基本的需求,同時也帶來無限商機,就像我們不想跑到別的地方買可樂,卻發現賣光了一樣,科技為能解決這些需求,促使通信技術的持續成長。

如同手機的普及帶動了市場需求,從一家一部的電視和冰箱,到人人一支的手機,並且每隔幾年就更新換代。這種商機吸引了企業的投資,也推動了強大的研發動能。

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而現在,我們正生活在一個設備數量遠超人類數量的時代,從藍牙耳機、智慧手錶,到遍布全球的智慧設備,物聯網的技術已經無處不在。

不妨思考一下,還有哪些需求尚未被滿足,也許它們正是下一個物聯網應用的起點。

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/