引擎是把熱轉成運動的一種裝置，除了傳統的氣體加熱膨脹以外，其實還有其他種方式，例如之前介紹過的熱泳粒子引擎，或是輻射計 Crookes radiometer。這影片是展示怎麼用橡皮筋做出熱引擎（在費曼物理裡有提過這例子）。
一般的橡皮筋是由糾結的高分子所組成的，當加熱時候因為各個分子段可以動的方式更多，所以就像纏的越複雜的線會越小一樣，加溫的高分子橡皮會因為纏的越複雜而收縮拉緊（與一般的熱漲冷縮不同）。影片中的燈可以幫橡皮筋加熱，加熱後的橡皮筋因為收縮所以把那部份的邊緣往中間拉一點，這樣一來重心的位置就向沒有加熱的那邊偏移，一旦重心偏移發生，整體就受到一個力矩開始轉動。
雖然是簡單的原理，不過這樣簡單的設計就能把熱能轉成動能，或許有更多聰明的設計可以在不同的場合（太空或是微小化的元件）做為合適的熱能轉換裝置！
本文原發表於 科學影像 Scimage
本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文
林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。
「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。
這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。
高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？
科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。
回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。
林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。
因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。
太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。
熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。
儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。
學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。
他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。
他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。
這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。
林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。
訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？
林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。
在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。
大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。
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一級方程式賽車（F1 賽車）與電動方程式賽車（FE 賽車）聽來沒什麼不同，但實則南轅北轍。
F1 錦標賽歷史源遠流長，風靡全球，以單座賽車飆出競速運動的極限。 F1 賽事中有最快的車、有自 1950 年來的悠久歷史，還有各世代車迷津津樂道的傳奇車手。另一方面，FE 賽車帶來的是創新與突破。FE 錦標賽始於 2014 年，參賽車種全由電力驅動，比起狂飆耗油，更重視節約能源。而 FE 錦標賽為了吸引觀眾目光，參賽車的外觀也與 F1 賽車非常相似。 近年來 F1 賽事也開始引進環保科技， 導入能源回收再利用系統，賽車因此搖身 一變為油電混合車。2014 年，F1 賽事的主管單位國際汽車聯盟（FIA）下令，所有 參賽車輛都須減少三分之一的燃料消耗。
FE 賽事不太可能威脅到 F1 賽事的商機，因 F1 賽車以全球頂級賽道為舞台，場地路況佳；FE 賽車則主跑道路賽事，不適合電視轉播。另外，賽車的魅力部分來自於引擎全力運轉的轟鳴聲；FE 賽車有氣無力的電動引擎聲，實在無從比擬。因此 FE 賽車短期內不會喧賓奪主，反倒是有機會看到 F1 車隊在未來引進純電動車科技。
F1 賽車目前採用的開放式駕駛艙，雖能讓觀眾掌握駕駛的一舉一動，但也讓車手的頭暴露在外，導致發生碰撞或被車體殘骸擊中的風險大增。2014 年，瑪魯西亞車隊選手儒勒．比安奇（Jules Bianchi）發生事故身亡，促使各車隊以安全為考量，大幅改變駕駛艙設計。兩種新設計於焉誕生：一是由賓士與法拉利車隊研發的車頂防護桿「halo」，外觀像人字拖，可讓車手免受迎面而來的撞擊；一是由紅牛車隊開發的透明車頂罩「aeroscreen」。但國際汽車聯盟表示，可能要到 2018 年賽季才會引進上述的改良式設計。
賽車引擎的噪音是看法兩極的議題。對賽車迷而言，賽車引擎的怒吼聲只是比賽體驗的一部分。然而，引擎噪音除產生噪音汙染，更會造成聽力受損，其責任歸屬不容忽視。目前賽車迷似乎占了上風：2015 年時，F1 賽車引擎改為渦輪增壓後引發民怨，觀眾不喜歡新引擎的單調聲音。2016 年賽季排氣管規定改變，經典的猛烈引擎聲得以部分重現，但許多粉絲仍不買帳。 FE 賽車方面，賽事部高層曾考慮以假的引擎聲蓋過電池的無力運作聲，以饗看倌。但這個想法不久後便遭擱置。究竟異常安靜的 FE 賽車，能不能像吵雜的 F1 賽 車那般受到車迷青睞，還有待觀察。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 28 期（2017 年 1 月號）
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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。
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。
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。
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。
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。
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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