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中國造紙術如何傳遍世界?──《中華科技史學刊》

中華科技史學會_96
・2016/03/20 ・3944字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

作者:陳大川(中華科技史學會會員)

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東漢蔡倫造紙是人類文明進展的重要推手。

原始功能、多元載體

蔡倫發明的植物纖維紙是代替竹簡與縑帛,功用是記事、傳文。世界古文明國家也各自發明有同樣功能的「紙」,如埃及用像蘆葦莖做的 papyrus,被翻譯為「埃及蒲草紙」,也可用小莖植物沾石油黑液在上面寫字。印度的 pattra,中國古稱「貝多落葉紙」,是晒乾的棕梠葉用尖針寫字後塗一層黑色粉,就可當書來讀。中東的美索不達米亞,又稱兩河流域,用河邊的泥土做成塊狀,半乾時在上面寫字,至今博物館中仍可見到實物。其他如歐洲的臘板、非洲的石壁、土耳其的羊皮紙,以及美洲及太平洋島中原住民用的 amatle、kapa 等樹皮布紙等,都可以作記事傳文用,與中國的紙載體不同,使用功能卻都一樣。中國式蔡侯紙的原料為民間廢物,製作簡單、花錢少、用途多,因此,世界文明古國自中國造紙方法傳入後,原有的載體短期內便被淘汰。

圖A為印度的pattra,圖B為埃及的
圖A為埃及的papyrus,圖B為印度的pattra。

中國紙豐富東方文化

公元 105 年蔡倫發明造紙後,原料種類、製造方法、產品、種類、官民用途等,都不斷改進,至南北朝時,造紙法已傳到新疆邊境。東晉末年,傳統上一貫使用的竹簡、木牘、縑帛等文字載體被禁止使用(桓玄廢竹簡),只有植物纖維製紙張是唯一的重要文化記載工具。東晉初因戰亂使黃河流域貴族南遷,得南方氣候溫和、物產豐富之利,直到唐宋時期,造紙印書等文化事業仍以江南為重鎮。很多人都知道的大書法家王羲之,在浙江任會稽令時,贈送朋友的紙,一出手就是九萬張,可見當地產紙的豐富。在那時期,中國書法已由慢速度的篆、隸、楷、行等書體,進入快速度的章草、行草、狂草等,共有 120 種不同書體之說,可見當時的紙已使中國進入書法藝術的時代。接著,木刻版印刷術發明,使得中國儒家的文史經典、道家的符咒經書、來自印度的讖語佛經,都在數百年中大量發行,並流傳到韓國、日本和南洋各國,讓中國文化影響東方各國達千年之久。

戰爭使造紙祕密流向西方

紙用於文化,也是商務用品。韓國以東、北越以南、新疆以西,這些邊境鄰國當時多用紙而不造紙,尤其是西域各國,多為原居中國北方的各種民族,因互相爭戰而西遷,遊牧生活缺乏植物纖維原料,更不知造紙的祕密。自從產玉的和闐國王要求下嫁的唐朝公主盜出蠶種、植桑製絲以後,造紙原料桑皮豐富;位居西方要道,文化較高的撒馬爾罕國,便成為中國造紙方法傳入歐洲的起點。造紙術傳出中國的原因為戰爭:漢朝通西域,使西域為中國藩屬。至唐朝,因守將貪汙,引起西域各國聯合抗唐。西元 710 年,新疆邊境外的「怛羅斯之戰」戰敗,唐聯軍中產汗血馬的大宛國,該國王妃由唐朝長安帶來的造紙及裱褙技術人員成為戰俘,於是中國造紙術便傳入當時叫大食國的阿拉伯國家,該國對造紙法保密,獨自銷售紙張至埃及、中東及歐洲達四百年之久。 至 11 世紀,歐洲各國發動十字軍東征,攻打伊斯蘭教國家,這場延續數十年的宗教戰爭,使西歐的英、法、日耳曼、義大利等地區人士見識到東方的豐富資產及重要的造紙技術。

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Battle-of-Talas
唐朝軍隊在「怛羅斯之戰」中落敗後,造紙工匠成了戰俘,造成造紙術傳出中國,並隨著十字軍東征遠傳至西歐。

波斯滅亡,使回教獲希臘學術

阿拉伯回教興起,乘波斯與東羅馬帝國長期戰爭民窮財盡之時,一舉將兩國消滅。阿拉伯人利用波斯人及基督教徒由希臘獲得的文經科技知識,設立圖書館、辦大學、翻譯希臘文書籍等。四百年中,提高伊斯蘭國家文化,成為希臘學術及東方文化傳入歐洲的橋樑,使歐洲與希臘斷絕多年後文藝學術得以復興。現在,一些歐洲至今仍很常用的科學名辭,是從東方及阿拉伯文來的。

結合印刷、紙幣與宗教,書籍遍地發行

中國在唐宋時印刷術便很發達,成吉思汗西征,歐洲人已見識到蒙古軍休閒時玩的彩色紙牌,也見識到木版或木活字印的文件。數十年後,馬可波羅來華,看到元朝民間通用的紙鈔,回義大利告訴朋友,記載於《馬可波羅遊記》書中,提及中國的皇帝聰明,在小片的紙上寫幾個字,就可使全國百姓將自己的金銀甘心送到皇帝的金庫裡。他們後來才知道那就是鈔票。中國的紙鈔故事很多,簡單地講,起源於北宋初的公元 994 年,因戰亂停止鑄造銅錢數月,四川成都商人無法給付大量貨款,乃憑信用以白紙寫金額蓋印支付,稱為「交子」,於是大家仿傚,流行商界,以後乃由政府正式發行,成為今用紙幣。南宋時的公 元 1161-1165 年,發行太多,四年後使整個社會「民不言積,戰士不飽,吏不養廉」。現在世界各國領袖都在學中國元朝的皇帝,每一秒鐘都在用蔡倫發明的紙,用機器快速印製鈔票,同時也使技術人員大傷腦筋:要設法防止仿造的假鈔。能遍行全世界的紙,除鈔票以外,還有宗教性質的印刷品,如佛教的佛經、伊斯蘭教的《可蘭經》,不過,這些宗教印製品都不及基督教的印刷品在國際上的無所不在,並以各地區最通用的語言、文字發行。整個歐洲在 15 世紀宗教改革以前,手抄的《聖經》只有主教等少數人可以閱讀。因造紙工廠的增加及印刷術的改良,《聖經》人人可以閱讀。有些改革教派的教堂甚至將教徒奉獻的金錢投資造紙事業,成為紙廠老闆,印刷更多《聖經》供信徒閱讀。

哥倫布發現新大陸後,荷蘭人與日耳曼人最先到美國辦紙廠,美國與加拿大豐富的森林資源,使後來美、加成為世界造紙最多的國家。信奉基督教的美加地區,大量出版教會用書。據聖經公會的 1993 年的報告,單是《聖經》當年在美國的發行量就多達二億八千多萬本。

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據說聖經的累計發行量超過了 50 億冊,是史上發行量最高的書籍。

因商業需要使人人必須用紙

中國人發明造紙術,用紙也最早,比歐洲人早了一千多年。中國社會重視讀書人,知識多者才可做官,又以農立國,做生意多是小商人,而東方各國也是如此,因此紙的用途仍是多是書籍文書。歐洲人則不同,西元 1500 年之前,來自亞洲、非洲及北方強勢民族在此進進出出,社會重武輕文,在文書方面,以當地的羊皮紙或埃及蒲草紙便可應付政府及宗教之用。十字軍東征是社會商業化的轉折點,來自英、法、日耳曼、義大利等地的十字軍領袖,實際了解東方的富有及商業利益後,是強化農產品和工業原料出口,威尼斯便是最大的出口商港,用紙量也因商務需要而大增,歐洲各地的造紙廠因此不斷增加設備。接著而來的海洋探險、東方香料貿易、發現美洲等,地區性商務不久即發展成世界性的企業,紙張也隨商業大量生產銷售,遍及全球。第一次世界大戰之後,興起了以家庭用品為主的消費市場。起初家庭用的紙,除包裝食物及廁所用之外,沒有新的消耗。第二次世界大戰之後,新產品大量出籠,現在如果家中缺紙,便會全家緊張。現在,紙的三大市場包括文化用紙、包裝用紙和家庭用紙。

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紙在人文社會及工業革命時期

歐洲到十六世紀末,各國都會自己造紙,但產量甚少,主要因各國都需自用廢麻布原料,而新的原料還沒有發現。一百餘年後,紙的產量雖然增加有限,而用紙的人對世界的認識卻普遍提高,也對未來影響甚大。在 17、18 世紀,發生美國獨立建國和法國大革命,更出了許多知名人士,如戲劇家莎士比亞、完成英雄交響曲的貝多芬、理性批判的思想家康德、建立共產主義基礎理論的哲學家黑格爾、浪漫詩人海涅、醉心於中國的伏爾泰,以及跟德國基督教精神有關聯的文學家與哲學家等,而各界名士更多。此時,西、葡、英、法各國相繼用武力及非法手段奪取殖民地,由殖民地取得土產及原料,再將這些工業原料加工為成品銷售世界各地,於是產生資本主義與工業革命。由於學、商、工各界的繁榮,紙的需要更見迫切,造紙方式也由手工改良為簡單機械。公元 1798 年,法國工人利用灌溉用的水車,將紙料倒在緩慢移動的抄紙網,壓水後晒乾,便是原始的機器紙。由於改良不成功,將它賣給機械師,之後又經過 20 年時 間演變,到 1820 年,才完成真正的小型造紙機械。英國最先開始使用機器造紙,歐洲在 16 世紀建立的手工業紛紛設置機器造紙,而 造紙原料也擴充到凡是植物纖維都可以使用的境地,木材、非木材、使用過的廢紙等,原料充足,加上工業革命發明的蒸氣、電力等傳用機具動力設備帶來的便利,使得全世 界稍有規模的國家,幾乎都有製紙漿機器及造紙廠。在公元 2000 年的千禧年時,據國際造紙雜誌統計,全球已有紙漿廠 5,965 家,造紙 89 廠 8,858 家,每年產紙漿約 1.9 萬噸,紙及紙板約 3.2 萬噸,如以全球人口 60 億人計,平均每人每年用紙為 53.8 公斤。事隔十餘年後的今日,因電子媒體的普遍應用,紙的產銷量必然降低。

因為人們對於紙張的需求與時俱增,為了製造紙張和其他木材製品,有大量的森林正在消失當中。© Daniel Beltrá / Greenpeace

未來如何?——功能多元,載體多元

中國用植物纖維造紙,如果不考慮品質,其最大的優點是製作簡便、使用簡便、工具簡單、技術簡單,且需要的投資少,只要有水與適當的纖維就可一人生產,一日收成。最初,紙的用途只是代替用於寫字較貴的絲綢、較重的竹木簡和較寬的木板。中國以外其他文化較高的古國,各用當地的物產代用,用現代語講,真可謂「載體多元,功能原始」。現在是電子產業的世代,紙的記事傳文功能已大半被電子載體取代,舊有的文化用紙公司,多數呈現合併或倒閉,有些工業包裝紙廠也因文化產業的萎縮受到影響,與數年前的繁榮境況不可同日而語,只有約全球四分之一產量的家庭用紙,仍盛況未減,還看不出將來受電子載體影響的可能。人類的生存脫不了物質與靈命。紙是物,是屬靈思想的載體之一,思想是藉眾多載體而愈豐富,未來的載體會藉紙與電子的基地而更擴大,也可能由此基地新增出更多的功能。我們希望如此,也拭目以待。

本文選自《中華科技史學會學刊第 20 期(2015 年 12 月)

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中華科技史學會_96
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1997年12月3日,七位科技史同好在科學月刊社集會,議定每月第一個週六下午2~5時假科學月刊集會一次。1998年1月10日第2次集會,議定會名為「共工科學史討論會」。1999年5月,改名「中華科技史同好會」。2004年1月,改稱「中華科技史學會」。 中華科技史學定期舉辦與科技史相關之演講活動,自2000年起也開始發行會刊。詳見本會台灣網站(http://sciencehistory.twbbs.org/)及本會大陸博客網站(http://blog.163.com/ludiresearch@126/)。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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【成語科學】洛陽紙貴:從絲綿到用樹皮,古代的造紙簡史
張之傑_96
・2023/06/21 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢以後就是三國和西晉。西晉文學家左思,親自走訪三國的國都——吳都建康(今南京)、魏都洛陽、蜀都成都,耗時 10 年,寫成 1 萬多字的《三都賦》。

這篇賦寫得好極了,大家紛紛買紙來抄,一時供不應求,把洛陽的紙價都哄抬貴了。

這就是成語「洛陽紙貴」的由來。讓我們試著造個句吧。

  • 張愛玲的第一本小說集《傳奇》推出後,同一個月就再版了,受歡迎的程度當真可以用洛陽紙貴來形容。
  • 英國推理小說作家克莉絲蒂,每部小說都洛陽紙貴,其著作已譯成 100 多種語文,總銷量超過 20 億冊。

西元 291 年,左思寫成《三都賦》。上推 186 年(西元 105 年),蔡倫改良造紙術成功。左思的《三都賦》造成洛陽紙貴,可見這時的上層社會,紙已取代了竹簡。

《天工開物》中記載古代造紙術的流程。圖/維基百科

紙是中國的四大發明之一。最早的紙是絲綿紙,是古人無意中發明的。原來我們的祖先早就會製造絲綿了,方法是將蠶繭煮過,攤在竹蓆上,浸在水中打爛。當製好的絲綿從竹蓆上取下來時,蓆子上往往還殘留著一層絲綿。等竹蓆乾了,這層絲綿就變成一張薄薄的絲綿片。

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這一無意中的發現,帶給人們莫大的啟發,於是有人從水中將一層薄薄的絲綿「抄」(撈出來)在竹蓆上,晾乾後就成為絲綿紙。

絲綿紙用蠶絲做原料,價格太高,不可能大量生產,但它的製法卻具有啟發作用:既然可以用蠶絲來製紙,那麼可不可以用廉價的植物纖維代替?到了西漢,人們開始用大麻和苧麻製紙,所用的方法和絲綿紙完全相同;但當時的麻紙又粗又厚,不適合寫字。到了東漢,經過蔡倫的改良,才算有了成效。

蔡倫從小就到皇宮當太監。他曾經管理過宮廷用品,發現當時的書寫材料都有缺點:竹簡過於笨重,帛(絲織的布)和絲綿紙又太貴;於是決心改進造紙方法,希望能找到一種又便宜又實用的書寫材料。

西元 105 年,蔡倫成功改良造紙術。圖/維基百科

蔡倫綜合前人造紙的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙了。用這種方法造出來的紙,又薄又平,很適合寫字。蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

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8 世紀時,中國人發明的造紙術傳到阿拉伯。12 世紀傳入歐洲。距離蔡倫改良紙術成功,已經有一千年了!

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張之傑_96
103 篇文章 ・ 224 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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我們與科技的距離不遙遠,再生紙是科技也是一門藝術——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/31 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

1969年7月20日,阿波羅 11 號登月小艇離開地球表面。指揮官尼爾•阿姆斯壯 (Neil Armstrong) 是第一個踏上月球表面的人,因為這句話聞名於世:「我個人的一小步,卻是人類的一大步。」

阿波羅 11 號登月小艇。圖/天才達文西的科學教室

科技的真諦

手中握著行動電話,你掌握的科技,比 1969 年美國太空總署提供給第一位登陸
月球、從月球返回地球,並且在月球漫步的阿姆斯壯還要多。以現在的眼光來看, 1969 年的太空科技很老舊,但是以當年水準,這樣的科技卻讓人類迎接探索外太空的挑戰。

運用科學來設計有用的東西並解決問題, 就是科技。科技可以是「解決問題」與「如何解決」的合體。想想手中的行動電話:世界上從來不曾有過這樣的發明,直到 1973 年。

第一個踏上月球表面的人尼爾•阿姆斯壯。圖/Wikipedia

如何應用科學原理製造產品,同樣也是問題。電信裝置製造商摩托羅拉公司,利用實室把實用的原理化為行動,設計出發展行動電話的過程以及終端產品。這些都是科技。

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關於科技,還有一個關鍵點:科技不限於高科技產品。有些科技與新型電腦相較, 看起來並不尖端,卻也是科技,「可以喝的書」(Drinkable Book) 就是經典範例。在開發中國家,這項產品提供人們安全飲用水的資訊。該書的紙張就是濾紙,可以直接過濾水源,據稱能夠減少水源中百分之九十九以上的細菌。這項科技產品用不到電力,也用不到電腦。

所以什麼才可以叫做「科技」?

如何定義科技呢?以下是科技的幾個特徵:

  • 利用科學的過程、終端產品,或是過程與終端產品。
  • 解決問題。
  • 有用途的成果,例如尖端科技改善人類與其他生物的生活品質。
  • 將理論知識付諸實際用途。有了科技,知識不僅是理論,還能化為行動。

開創嶄新科學方法或材料的,就是高科技,通常牽涉到電腦科技或電子科技。通訊專家馬丁•庫柏 (Martin Cooper) 發明行動電話,就是開創高科技。這項科技解決了問題,以創新及實用的方式,運用已知的科學與電子學知識,讓人類享有更安全、更便利的生活。

文藝復興還沒有過時

在達文西的年代,紙張與造紙等過程都可稱為科技。時至今日,從回收資源中得到紙張,也是科技。根據科技的定義,再生紙的生產符合科技條件:

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  • 將使用過且可回收的舊紙製成新紙的過程,需要運用科學。
  • 再生紙解決了幾個體積問題。你曉得嗎?美國一天所丟棄的紙張重量,居然比 250 萬個相撲選手體重加起來都重。這樣的紙量,相當於大約 81.5 萬棵松樹的紙漿量。
  • 再生紙本身就是全新有用的產品。因為紙張資源回收,人們不必再砍伐森林來取得紙漿。再生紙是一種解決方案,對家庭、學校、圖書館與企業都有幫助。
  • 回收紙張的過程,必須實際運用已知的科學,這種運用方式讓大家受益;真是實用。

達文西總是竭盡所能,在紙張盡量多寫、多畫。由達文西的習慣,可以推測他一生當中,紙張一直都是重要且珍貴的科技。從他的筆記本挑幾頁,發現材質是亞麻,且可以追溯到 1508 至 1512 年。

達文西的筆記本為亞麻材質。圖/天才達文西的科學教室

松樹林提供野生動物棲所、保持大地水分,並且讓土壤健康。同樣的場景,少了松樹,試問可堪想像嗎?要有紙可用卻不伐木,紙類回收是選項之一。

因為需提供造紙紙漿,許多提供野生動物棲息的松林遭到砍伐。圖/天才達文西的科學教室

造紙的原料有那些?

1494 年左右,另一位義大利人法蘭西斯科•馬力亞·葛拉帕多 (Francesco Mana Grapaldo) 誇耀義大利紙張的高品質。他這樣描述義大利的造紙科技:「現在我們用破舊的亞麻布或麻布來造紙。」文藝復興時期的義大利造紙工匠發現:質地強韌的麻類植物與亞麻,可以製造強韌的紙張——這樣的紙張流傳數百年,因此達文西的筆記能夠傳世不朽。

時至今日,500 多年過去了,紙張的材質仍然包括麻類植物與亞麻,也包括棉花、黃麻、竹子,當然還有木漿。除了上述材質,也可以採用海藻、香蕉樹漿、花朵與雜草。這些材質有什麼共通點呢?它們都是植物。植物幾乎都可以用來造紙,這是因為纖維質的關係。你的骨骼支撐著身體,纖維質也支撐著植物。

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上圖是顯微鏡底下的洋蔥細胞,也可以看出纖維質為什麼讓結構強韌又有美感。
圖/天才達文西的科學教室

想像一下,纖維質到底是什麼模樣?想像一把長長的、尚未烹煮的義大利麵。同樣的,纖維質也是由葡萄糖(單醣)鏈形成的長條分子構成。從植物抽取出來的纖維質,就像長、韌、黏的白色絲線——最強韌的紙張就是這樣做成的。

上圖是纖維質分子模型,從模型結構可知,為什麼植物與紙張都算強韌。圖/天才達文西的科學教室

造紙也是一門藝術

造紙的時候,必須將纖維搗爛,讓纖維變成紙漿。不過,纖維的分子依舊緊密結合!這是什麼道理呢?因為纖維質由葡萄糖組成。

葡萄糖是食用糖的常見成分,也是大部分植物性食品的成分。根據科學家的歸類,葡萄糖屬於碳水化合物。如同碳水化合物的字面意思,這種化合物由碳、氫與氧組成。你掌握這個資訊,審視纖維質的角度就如同化學家與生物學家囉!

纖維質要怎麼變成紙張呢?這時就需要科學家加入了!事實上,你在造紙的過程裡,也身兼科學家、藝術家與工程師的角色。現在就開始造紙,以回應當今的問題——需要回收以及重新利用紙張的問題。手工造紙完成後,等於同時實踐了科學藝術!

手工造紙的紙漿取自可回收紙張,在模板上攤開就可以變成一張新紙。圖/天才達文西的科學教室

紙張纖維質的長度與強度,決定紙張品質。處理不同類型紙張,可以感受不同的強韌程度。品質愈好的紙張,纖維質的長度愈長。紙張回收愈多次,因為製成紙漿的次數愈多,強韌度也愈差。一張紙大約可以循環使用七次。

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各式不同類型的紙張。圖/天才達文西的科學教室
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化
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