2018年2月26日

科學月刊2018年3月號579期

購買2018.2月號(578期)《科學月刊》
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164 顯影

169 非關科學:內蒙古/李依庭

170 News Focus:人類乳突病毒可能潛藏在你我喉頭/腦迴圈才是語言學習的主宰?
171 News Focus:超越人腦計算能力的人工神經元誕生/朋友之間有多相像?兩個腦袋一個樣
172 News Focus:青少年、手持螢幕裝置與心理變化/獵豹高速狩獵的秘密
173 News Focus:大腦對音樂的反應可判斷是否為音樂家/找到超離子水相態存在的證據
 

180 解 數:瑪莉歐與食人花/游森棚
182 理 物:搞懂聲音的差異—看見聲音的長相/曾賢德
186 生 動:「一」的力量— 單細胞生物學許惇偉
190 變 化:鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用/王迪彥、廖湘如、林柔均、陳奕嘉
194 天 地:什麼是太陽「蛇行圖」?—太陽磁場生成及演變/黃冠翰、林佳賢、李羅權

198 封面引言
214 封面故事三:隱藏在靈魂之窗內的細節—虹膜辨識/張劍平


218 精選文章一:小腦袋大數據—大腦圖譜研究計畫/羅中泉
224 精選文章二:自動化光學檢測技術/范光照


234 青年尬科學

238 書 摘:《到世界頂尖實驗室CERN 上粒子物理課》

目標明確地踏上人生的道路—中研院生化所徐尚德專訪

文詠萱/本刊主編。



(王弘奕攝影)


一走進辦公室,徐尚德就迫不及待地指著牆壁上的荷蘭古地圖,為我們介紹他曾經前往的城市。「當時還沒有Google map,所以我一知道要去荷蘭讀書,就馬上去圖書館找荷蘭地圖研究。」 才剛坐定,他便拿出荷蘭博士論文口試的照片,分享他的荷蘭生活,可見這段留學時期給徐尚德留下許多回憶。


牆上掛的荷蘭地圖。(王弘奕攝影)


前往荷蘭攻讀博士
徐尚德在2000 年時前往荷蘭烏特列支大學攻讀博士。他在清大碩士班第二年寒假運氣很好地被通知成為國民兵、不需要再入伍服兵役,然而得知此消息時也已過了大部分美國學校的申請時間。為了不多浪費一年的時間準備,他決定申請荷蘭烏特列支大學Bijvoet 研究中心卡普坦(Robert Kaptein)實驗室尋求博士班研究機會。「我在碩士閱讀文獻時,就常見到這間實驗室出產的論文;我在碩一出國開會時也曾遇見此實驗室的學生,他們給我的感覺非常好。最重要的是,荷蘭烏特列支大學在歐洲是重點實驗室之一,他們專做核磁共振研究。在當時,我正在就讀的清華大學才剛買了600 兆赫的核磁共振儀,而Bijvoet 研究中心網站就已經宣告他們領先全球訂購了900 兆赫核磁共振儀將在近期安裝,我認為機會難得,因此決定試著申請。」徐尚德說。

申請荷蘭博士學位的方式與美國不同,並沒有制式的申請程序。「當時我寫了一封信給未來的指導老師,表示我對他們的研究相當有興趣,但其實當下他們並沒有開出博士生的缺,我是毛遂自薦去申請的。我在荷蘭的指導老師請我提供幾封推薦信,在經過幾封Email 往來後,我的老師就說:『你可以來了。』」


學術研究獎助
徐尚德在2004 年曾獲得「臺灣國科會與荷蘭國科會雙邊合作短期訪問獎助」,這是當初臺灣國科會(現科技部)與荷蘭皇家科學院簽署的雙邊協議以促進臺荷雙邊科學家互動的計畫,徐尚德參與兩方科學家合作交流。「比較特別的是,因為我當時是荷蘭研究人員,因此我是代表荷蘭科學家與臺灣科學家合作。在荷蘭,就讀博士是正式雇員,甚至還享有勞健保。我趁聖誕節假期,大概兩個禮拜左右,回到臺灣在清華大學,指導兼合作,利用我在荷蘭學到而當時臺灣還沒有的專業技術,幫清大實驗室解決了一些問題,等於我把新技術引進臺灣,幫助學弟們解決了一些生物分子結構問題。」

2005 年於荷蘭攻讀完博士並延續一年博士後研究之後,徐尚德來到英國劍橋大學擔任研究員。「當時我在英國與德國之間選擇,我其中一位指導老師凡努蘭(Nico van Nuland)推薦我到英國劍橋大學加入他從前進行博士後研究的道布森(Christopher M.Dobson)實驗室擔任博士後研究員。於是我專程前往瑞典斯德哥爾摩參加一場道布森也會參加的研討會,利用會議期間自我介紹並且問他有沒有機會加入他的研究團隊。在兩三天的討論後,他欣然答應。不過道布森實驗室的博士後研究員基本都要自己申請研究經費補助,也需要一段時間,荷蘭的指導老師卡普坦讓我待到有了明確的補助結果,再往下一站前進。」

徐尚德解釋了為什麼需要申請經費,以及申請經費的管道。......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

大腦對音樂的反應可判斷是否為音樂家

(Pixabay)

音樂家經過一連串音樂訓練與練習,腦中的神經其實會有驚人的改變。根據芬蘭於韋斯屈萊大學(University of Jyväskylä)的新研究顯示,當你聆聽音樂時,大腦的反應方式可以判斷你是否受過音樂訓練。

研究人員利用奧爾胡斯大學布拉提可(Elvira Brattico)蒐集的18 位音樂家與18 位非音樂家功能性磁共振成像(fMRI)腦部數據分析得到的成果,受試者專心聽不同類型音樂,並利用計算演算法分析不同音樂類型對於腦部的影響特徵。研究人員讓機器透過音樂分析與機器學習建立模型,而模型能夠以77%精準度判斷聽眾是否為音樂家(受過音樂訓練)。研究團隊成員沙利(Pasi Saari)表示:「此研究不單純依靠大腦靜態變化,而也有考慮到音樂持續對大腦的動態影響。」

研究還顯示,最能預測音樂才能的大腦區域主要在大腦右半球額葉與顳葉,其中包含與注意力、參與投入性、聲音處理、音樂特徵處理等相關的區域,與過去大腦處理聲音與語音工作結果符合。


Pasi Saari et al., Decoding Musical Training from Dynamic Processing of Musical Features in the Brain, Scientific Reports, Vol. 8, 2018.

青少年、手持螢幕裝置與心理變化

(Shutterstock)

現代人在食、衣、住、行和育樂上皆離不開手機或平板電腦等行動裝置,美國聖地牙哥州立大學(San Diego State University)近期研究發現花費大量時間在手持螢幕裝置,包括使用社交媒體、線上聊天或玩遊戲等的青少年,與投入較多時間在閱讀書籍、運動或面對面社交活動的青少年相比,前者較不快樂。

研究針對全美8~12 年級生、超過100 萬名青少年進行問卷,內容包括花費多少時間在手持裝置上、其他娛樂、與人面對面的社交活動和對生活的滿意度、幸福感等問題。從調查數據中發現,幸福不來自這些手持螢幕裝置——使用得越長,越不快樂。不過,研究也發現,全面禁止使用手持螢幕裝置也不會帶來快樂,最幸福的青少年每天使用的時間為1 小時內。

縱使這項研究並不能顯示其因果關係,但回顧歷史,研究人員發現隨時間的推移,手持螢幕裝置的增加與青少年快樂度普遍下降的趨勢吻合。具體來說,2012 年,在擁有智能手機的美國人一舉突破50%之際,青少年對於生活的滿意度與幸福感也明顯的下降。


Jean M. Twenge, Gabrielle N. Martin and W. Keith Campbell, Decreases in Psychological Well-Being Among American Adolescents After 2012 and Links to Screen Time During the Rise of Smartphone Technology, Emotion, 2018.

「一」的力量— 單細胞生物學

許惇偉/牛津大學生物化學博士,專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學,目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。


圖一:虎克的顯微鏡。(Wikipedia)



細胞——虎克眼底下的微觀世界
雖然英國科學家虎克(Robert Hooke)不是透明玻璃的發明者、也不是玻璃磨鏡技術的先驅者,但在17 世紀中葉,他卻是率先改進凸透鏡品質與組裝方式,並利用這個可以清晰放大物體影像,也就是後來稱之為顯微鏡的裝置(圖一),仔細觀察了許多微小事物,並詳實畫出許多平常肉眼無法觀察到的細微之處。

1665 年,他整理了58 幅精美的手繪圖,加上60 個觀察報告,出版了《微物圖譜》(Micrographia)一書(圖二)。在這些精緻的圖片中,有一幅是他將軟木塞切片後的觀察,鏡頭下他看到軟木塞是由一個一個小格子組成,他將這些小格子命名為細胞(cell,圖三),並臆測生物可以再拆解成細胞這種更小的組成單位。不過,更進一步的發現則得又多等到近200 年之後,才由德國科學家施萊德(Matthias Jakob Schleiden)與許旺(Scheodor Schwann)提出細胞是動植物個體中,最基本的功能單位。也就是說,多細胞生物是透過各種功能不同的細胞,彼此合作,才能成為完整的生物體。 

圖二:《顯微圖譜》扉頁。(Wikipedia)
圖三:《顯微圖譜》中的軟木塞細胞。(Wikipedia)

一顆細胞的命運
看看我們自己,大家都是從一顆受精卵開始,經過40 幾次的複製之後,就變成了30 兆個細胞組成的多細胞個體,而不是30 兆個一模一樣細胞組成的個體。人體的多種器官是由不同組織構成,由組織就可再細分為神經、骨骼、肌肉、皮膚等數百種型態功能各異的細胞,因此如何由當初的單一細胞,何時、何處、如何轉變成這麼多種的細胞,進而彼此相互溝通,成就了多細胞個體的完整形成,一直是生物學界極想了解的問題。

然而,多年以來,礙於研究方法與生物材料的侷限,所謂細胞學研究,幾乎都是來自一大團混雜細胞的結果,因為這些細胞即使取樣自同一組織,但也不會全然相同,即使簡單如皮膚組織裡的一團細胞,裡面也可能包含形態各異的幾種細胞,甚至也會夾帶血球細胞,觀察到的結果其實是一群細胞的現象,即使你懷疑裡面有個細胞的功能是關鍵少數,它的特異性質也會被淹沒在其它多數細胞的背景性質中,無法被觀察到。所以,連這樣簡單的一團皮膚細胞都無法好好去講之間的從屬關係,要探討一隻小鼠,甚至是一個人身上每個細胞的來龍去脈,進而去了解一個生物體,那是不可能的任務。


從一顆蟲卵到成蟲——線蟲的細胞譜系表
1970 年代,英國劍橋分子生物研究室的布倫納(Sydney Brenner )與蘇斯坦(John E. Sulston)的團隊, 以秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans, 圖四)為材料,......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

什麼是太陽「蛇行圖」?太陽磁場生成及演變

黃冠翰/中央大學太空科學研究所博士生,主要的研究領域包含太陽大氣層與太陽磁場的相關現象,及分析太陽的觀測資料。

林佳賢/中央大學太空科學研究所副教授,主要的研究領域包含太陽活動區、日冕洞、日冕物質噴射及日震學。

李羅權/中央研究院地球科學研究所客座講座,也是國際著名的太空物理學家,提出許多關鍵性的理論,主要研究領域為太空物理及地球物理學。




圖一:地球或太陽磁場示意圖:(a)左邊是目前的地球磁場示意圖,(b)右邊是約50 萬前的地球磁場示意圖,再經過約50 萬年後,左邊地球磁場會反轉成右邊,太陽磁場反轉僅需11 年。

地球磁場目前是由南極指向北極,然而根據海洋地殼等古地磁學的證據推測,地球磁場的方向並非固定,約50 萬年地球磁場即會反轉一次(圖一),太陽磁場也如同地球磁場會周期性地改變磁極方向,有別於地球磁極的改變周期,太陽磁極約每11 年即會反轉一次。歷史上已有很多太陽磁極反轉的觀測紀錄,然由於目前觀測及計算的技術尚未能直接探測太陽內部的磁場,太陽磁場的成因及變化仍是未知,成為許多科學家一直以來的研究目標。

地球的大氣溫度僅有300 K,受地球的重力束縛在地表附近,越高越稀薄。太陽大氣與地球大氣不同,它向外持續噴射,而非靜止的。太陽溫度由太陽核心往外遞減,到達太陽表面的光球層,其溫度約6000 K,再向外溫度開始升高,到了色球層升高至104 K,色球層之上就是稀薄的日冕(corona),溫度約為300 萬度(3×106 K),由於密度很低,日冕平時在地球表面以肉眼觀測是看不到的,因此在望遠鏡發明之前,只有日全蝕才會看到日冕,這一圈如同皇冠上冠冕形狀的物質,便將之稱為corona,而這圈冠冕狀物質中有些區域很暗,像冠冕破了一個洞,於是將這些區域稱為日冕洞。日冕洞的黑暗主要源於其中的磁場線會延伸到無窮遠處,因此大量電漿便順著磁場線脫離太陽,這些流出的電漿是所謂的太陽風。

日前的研究顯示日冕洞是高速太陽風的重要來源,例如在太陽寧靜期的時候,由太陽赤道面附近日冕洞吹出的太陽風速度較低,約為400 公里∕秒;在高緯區的日冕洞吹出的速度約可達800 公里∕秒。當高速太陽風打到地球,可能會對地球磁層、人造衛星和太空船造成影響,因此如果能了解日冕洞如何隨時間改變位置及面積,將會對太空天氣預報有很大的幫助。除此之外,日冕洞隨時間的變化也可以告訴我們太陽的大尺度磁場如何隨時間改變。


從蝴蝶圖到蛇形圖
太陽的磁場線可以分為封閉磁場線以及開放磁場線。所謂的封閉磁場線是指磁場線的兩端都在太陽表面上;開放磁場線則是指磁場線的其中一端在太陽表面上,另一端則接至遙遠的行星際空間中。事實上......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】




自動化光學檢測技術

范光照/臺大機械系名譽教授,臺灣精密工程學會常務理事,臺灣自動化光學檢測設備聯盟第一任副會長。



隨著高科技競爭越趨激烈,產品與科技的生命週期縮短是必然的趨勢。當廠商面臨既有科技越發成熟、新科技快速交替的威脅時,唯有不斷推陳出新、才能在激烈競爭中謀求立足之地。

自1990 年來,因高科技新興產業如半導體、印刷電路板、平面顯示器、微奈米機電、光電、能源、精密機械等的興起,帶動許多3C、新能源與智慧產品問市,如手機、手提電腦、平板電視機、太陽能面板、智慧車等。這些新興產品的市場需求龐大,所有內部零組件的生產速度已非傳統人為檢測的方式能夠勝任,任何零組件的瑕疵都會造成產品功能不良,因此不論產量有多大、都要求要做到100% 的全檢。自動化光學檢測(Automated Optical Inspection, AOI)設備的產業隨上述各新興產業的需求興起,早期AOI 設備都來自進口,其價格昂貴卻又不得不買。

在經濟部及學研單位的推動下,臺灣產商於2000 年開始意識到AOI 設備自製的重要性,也逐漸投入研發。不過,新興產業的製程技術永遠快於檢測技術,除國內必須加快AOI 快速化、精密化、智慧化的關鍵技術研發,人力的需求也不斷增加,而人才培育的速度及機構仍然不足,故目前亟需加速產學合作創新研發的腳步。

AOI 設備的產業時代顯然已經來臨,臺灣目前發展現況與未來方向如下:第一,AOI 使用廠商如國內的台積電、友達、欣興電子等,目前尚屬離線式抽檢,不影響線上製程。雖說新興產業少不了它,但價格昂貴、絕大部分來自進口,以及維護更新不易等是目前的缺點。第二,AOI 生產廠商如國內的德律科技、盟立自動化、致茂科技等,需進入光– 機– 電– 資訊整合技術門檻,產品量少樣多且附加價值高,但人才取得不易。其三為AOI 的法人研究單位如工研院、金屬中心等,需要跨領域整合開發關鍵技術,選擇市場導向的研究主題。最後則是如各大學的AOI 學術單位需具有影像處理研發與培育人才的能力,並推動產學合作以了解實務問題。

自動化光學檢測的範圍
廣義的AOI設備為結合光學感測系統、訊號處理系統與分析軟體,及自動化系統,如:太空計畫的宇宙探測、生物醫學的X 射線斷層掃瞄、機器人、無人駕駛汽車、指紋比對、字形辨認(筆跡)、人像比對、文件識別、工業生產的品質檢測、數位博物館的典藏文物、虛擬實景等皆為此類設備的應用面,而狹義的AOI 設備為目前急需於工業上使用的檢測設備,如表一。

表一:目前急需於工業上使用的檢測設備。


自動化光學檢測的通用技術
自動化光學檢測包含5 項通用技術,分別為光源系統、影像擷取、運動台、影像處理及影像判讀,除了這些必備的基本技術,其延伸於不同產業的需求技術可製造出各種自動化光學檢測設備。以下先對通用技術作些介紹:

光源系統
一個好的影像檢測系統,往往依賴良好的光源選擇及打光方式,光源不僅只是整合於影像檢測系統過程中一開始所需具備的基本元件,更重要的是要能正確且適當的架設實際可行的光
源系統,除可大幅度提昇檢測成功率,亦能節省大部分的影像處理過程,減少系統開發整合所必須額外付出的軟硬體花費,增加系統檢測的速度。無論檢測項目為何,如何使欲檢測的物體特徵能自其他無關緊要的背影中突顯出來,是光源系統設計的基本原則,也因此光源的架設方式相當重要。光源架設又有前照式及背照式兩種:前照式光源,一般使用在欲檢測物件表面特徵的應用上,這是一種最簡單的光源架設型式,光源與相機架設在同一邊、照射在物件上;而後照式光源主要應用在檢測物件的外形輪廓時,光源被物件遮擋,只有外圍形狀被取得。

影像擷取系統
影像擷取系統包含數位相機和影像卡,數位相機又含有一組鏡頭及一顆影像感測元件。鏡頭的選配須依取像面積的大小調整,影像感測元件是將所取得的影像數位化輸出,感測元件(Charge coupled device, CCD)是由陣列分布的微小光感測器(Pixel)所組成。相機所攝取到的影像面積稱為視場(field of view),視場除以CCD的面積即為每粒像素所感測到的影像面積,這就是所擷取圖面的解析度,故CCD 的像素愈高影像解析度就會愈細。影像擷取時必須要在聚焦的條件下,否則會得到失焦的模糊影像,故檢測系統要有自動聚焦的功能,可選有自動聚焦的相機或由一移動台帶動相機上下調整達到聚焦。影像卡是將所有像素的資料轉換成數位化輸出的一種具有高速大記憶容量的印刷電路板,由於相機尺寸大小的限制,影像卡都是用軟性電路板(俗稱軟板)印刷製程生產的。影像擷取系統可能是單相機單影像卡或多相機多影像卡的組成,單相機單影像卡通常用於平面取像;雙相機如同人之雙眼,不會有被物件凸起部位遮光的限制,故常用於立體取像,如對大面積同時取像時則需設計多相機系統。

......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

隱藏在靈魂之窗內的細節-虹膜辨識

張劍平/健行科大資訊工程系教授。



國際巨星湯姆克魯斯(Tom Cruise)主演的《不可能的任務:失控國度》(Mission: Impossible – Rogue Nation)影片中出現大量生物認證技術的橋段,使觀眾印象深刻,其中包括使用掌紋辨識、步態辨識、視網膜辨識、語音辨識與虹膜辨識等先進的生物認證技術,預告了生物認證未來將大幅度的改寫人類的生活型態。由於行動裝置應用普及,虹膜辨識技術及應用發展趨勢將會更加融入人們的生活中,包括從近紅外光到多光譜影像、從人配合機器到機器配合人、從固定設備到穿戴裝置、從一般演算法到人工智慧(Artificial Intelligence, AI)深度學習方法、從限制環境到複雜場景、從各種不同規範到標準規範等。

隨著互聯網與物聯網的蓬勃發展,生物認證技術在身份認證領域越來越受到世界各國政府的高度重視,已將生物認證明定為高等級的資訊安全系統所需採用的身份認證技術。業界普遍認為生物認證正逐漸取代傳統身份認證技術,而作為生物認證的尖端代表──虹膜辨識技術,更以具有高精確性、高唯一性、高可靠性等特性,扮演著獨領風騷的角色。而虹膜辨識是什麼?你對它的瞭解又有多少呢?經由閱讀此文,將會讓你對虹膜辨識有全面性深入的理解。

圖一:人眼眼球基本構造圖。(Shutterstock)

虹膜是什麼
虹膜是瞳孔周圍的環狀顏色組織,眼球的基本構造如(圖一),中央黑色部份為瞳孔區,其外圍為虹膜區,由於它擁有豐富而各不相同的紋理圖案,構成了虹膜識別的基礎。虹膜的形成由遺傳基因決定,在母體胚胎時即已成形,不同的人種亦有不同的顏色及紋理特徵。虹膜辨識就是基於這些細微紋理分佈的變化,作為個人身分辨識的依據。此外,由於虹膜外部有透明的角膜將其與外界相隔離,因此,發育完全的虹膜不易受到外界的傷害而產生變化。

虹膜特徵的優點
目前市面上使用的生物識別可以分為指紋辨識、人臉辨識、聲音辨識、虹膜辨識與靜脈辨識等。其中,指紋辨識應用已經極為廣泛,而人臉辨識應用正興起,這2 項識別技術最為大眾熟知。近年來,不少硬體廠商為增加商品賣點,將指紋辨識、人臉辨識作為熱門的廣告宣傳重點,但仍有可能發生偽冒情形。

以業界來看,生物識別領域中能夠長久有其存在價值的技術,應是虹膜辨識技術。虹膜辨識具有唯一性、穩定性、不易偽造性、活體檢測等特點,在安全性能上佔絕對優勢。虹膜辨識技術需要活體的虹膜資訊,眼球剝離人體後,虹膜會隨瞳孔放大失去活性,將被機器拒絕。因此,虹膜辨識的安全性極高。

經過英國政府通信電子安全性群組(Communications Electronic Security Group, CESG)委託,英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory, NPL)通過廣泛的實驗研究,對各類人體生物特徵辨識技術作了分析比較,目前最流行的三大生物認證技術之分析比較如表一所示。

表一:三大生物認證技術之分析。

日本自動識別專題研討會(AIM)經廣泛科學的論證得出結論:虹膜識別準確率是指紋識別的1200 倍,是人臉識別的12000 倍,更是聲音識別的40000 倍。對不同人體生物識別技術,還可從以下方面2 個具體比較進行分析:......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

難以偽造的辨識認證-手掌與手指靜脈特徵辨識

洪西進/臺灣科技大學的講座教授。發表了200 多篇論文和獲得許多獎項,如93 年國科會傑出研究獎。研究興趣包括生物辨識和深度學習。



生物辨識到底是什麼?最近iPhone X 採用臉型解鎖,大家才恍然大悟原來可以利用人臉做身份認證,而且是那麼方便!其實近年來,社會上的竊盜事件頻傳,以最接近我們生活的交通工具來說,傳統的汽、機車所使用的保護機制都是鑰匙。而使用這種保護機制容易遭到有心人士在短時間內破解,就算駕駛者加上再多鎖,頂多只能多拖延幾分鐘,此機制僅能達到嚇阻的作用,卻無法完全抵禦破解。當然這種情況不單只發生在汽、機車等交通工具上,居家的門禁、電腦、手機也是有相同的問題。為了增強安全性,人們也積極的針對這個弱點進行研究和強化,各種身份認證系統乃應運而生。

以近期的研究來說,針對擁有唯一且獨特的生物特徵辨識系統成為電腦科學中熱門的研究領域之一,生物特徵在實作上很難模仿及偽造,因此提供了更加優良的安全性。生物特徵辨識具備免攜帶、不會遺失損毀、不易仿造、獨一性等特點,透過非侵入的方式擷取特徵,以使用者角度而言,較不會產生排斥感。另外,藉由不同的生物特徵技術的結合,身分認證系統的設計將更多樣化。


生物特徵種類和產值
生物特徵辨識,是指利用人體的生理或行為特徵來進行身分辨識的方法。目前在此領域中,又以腦波、指紋辨識、人臉辨識、虹膜辨識及靜脈辨識等應用及研究最為廣泛。各種生物特徵有其優缺點,圖一指出各種辨識偽造難易的程度。比方說,對於靜脈辨識而言,幾乎是不可能被偽造的,它是利用紅外線照射手掌或手指所呈現出來的靜脈血管生物特徵來進行辨識,目前有掌靜脈、指靜脈、手背靜脈及手腕等部分,不過還是以掌靜脈和指靜脈為主流。由於指靜脈的面積小,所能擷取的特徵點也少,所以如何在較少特徵點的條件下,進行正確的辨識,就是指靜脈辨識的一大挑戰。在人臉辨識的部分,雖然他可能被偽造,但由於其辨識過程有著非接觸性且取像較容易,因此可應用的範圍較廣泛,大眾也較容易接受。但是在自然的環境下,人臉影像極易受到內在(表情、角度)及外在(光源)等因素的影響,尤其在低分辨率的人臉情況下,如何取得穩定的人臉特徵去進行辨識一直是極具挑戰性的問題。有iPhone X 手機的人就會感受到FaceID 並不是永遠都是正常運作的!各種生物特徵辨識的研究比率如圖二。根據 ......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

圖一:各種辨識認證技術的比較。

圖二:各種辨識認證技術的研究比率。

獨一無二的身體特徵-生物辨識起源與演進

黃炳森/銘傳大學電子工程學系教授、英國 University of Southampton 電子與計算機科學博士、美國電子電機工程師協會(IEEE)Senior Member。



根據日常生活經驗,在每天所接觸的人群當中,我們可以依據五官接收到這些人的外在資訊(影像、聲音或氣味等),輕易地識別出自己的親友。仔細想想,我們究竟是如何處理這些資訊,並做成正確的判斷?這些經由人類五官所接收到的人體外在資訊,稱為生物特徵。

生物特徵的分類大致可區分為生理特徵(physiological characteristics)與行為特徵(behavioral characteristics)。常見的生理特徵包括指紋、人臉、虹膜、靜脈、掌紋及掌形等,又稱為靜態的特徵;行為特徵涵蓋聲紋、心跳、步態及簽名等,則屬於動態的特徵。圖一為科學界普遍用來識別身分所使用的生物特徵。而發展最成熟且實際運作的辨識系統則大都使用指紋、人臉與虹膜等三項特徵。生物辨識技術(biometrics)泛指利用生物特徵之比對來達成識別身分的方法。


驗證或識別
利用獨一無二的生物特徵,我們可以辨識出個人的身分。在實際比對時,辨識(recognition)將區分成兩種模式:「驗證(authentication)」與「識別(identification)」。通常在設計生物特徵辨識系統之前,必須先行決定所採取的辨識模式。「驗證」屬於一對一的比對,先由擷取裝置(如指紋掃描器)取得使用者之生物特徵,再由系統將事先儲存之該人特徵與此資訊進行比對。「識別」則歸類於一對多的比對,則是在使用者提供個人特徵資訊後,接著系統在龐大的生物特徵資料庫內進行搜尋比對,找出最佳的比對結果,最後確認身分。「驗證」模式的比對速度快且準確性高,不需建立資料庫。「識別」模式則需事先建立資料庫,比對速度較慢且準確性略差。為了提高準確性,「識別」模式通常需結合多項生物特徵進行交叉比對以降低誤判率,例如指紋與人臉。

圖一:辨識個人身分常用的生物特徵。(Pixabay)


圖二所示為一般的「生物辨識系統架構」。首先,系統需先藉助擷取裝置(如攝影機或麥克風等)取得受測者的生物特徵(指紋、人臉或語音等),接著再經由演算法從中萃取出利於比對的特徵(feature)。之後的運作方式可以分成兩個階段:註冊階段(enrollment stage)與辨識階段(recognition stage)。

(1) 註冊階段:系統在取得欲建檔的個人特徵後,會將其儲存至資料庫中,同時賦予一個相對應於該人的識別碼。

(2) 辨識階段:系統在取得受測人的生物特徵後,首先萃取其特徵(feature)集合,接著根據辨識工作為「驗證」或「識別」,再與資料庫當中的資料進行一對一或一對多的比對,最後按照設定的標準決定比對結果。


起源及演進
生物辨識技術發展的構想起源在於,人類具有藉由個人外在的靜態或動態生物特徵,識別出特定人員身分的能力。根據這個推理基礎,科學家們即開始設計演算法與利用計算機來發展生物辨識技術,設法從各種不同的生物特徵當中,萃取出足以區分每個人不同身分的唯一特性並進行識別。設定的目標為,希望將來能讓電腦具有超越人類的能力,可以藉由蒐集到的個人生物特徵,自動判斷出正確的身分。

生物辨識的起源可以追溯至1869 年於英國通過的慣犯法案(Habitual Criminals Act)。該法案要求所有的犯罪者都必須留下可以辨識身分的記錄(如照片、疤痕及外觀特徵等)。若將來以此記錄來比對身分為再犯者,將會被加重刑罰。在1896 年,法國的貝迪永(Alphonse Bertillon)警官(如圖三所示)進一步設計了一個方式。他利用較精準的人工丈量法,量測與記錄犯罪者的資料(如身高、體重、臂長、頭圍與膚色特徵等),以便將來進行比對。然而,因為此系統的記錄過程繁瑣且易出錯,很快地就被人工比對指紋的方法所取代。指紋辨識技術的興起則要歸功於高爾頓(Francis Galton)爵士等3 位專家的貢獻,他們在1892 年分析蒐集到的指紋檔案,並找出許多特定紋路的唯一性。這些特徵也都成為爾後開發自動指紋辨識系統的重要參考。這些珍貴資料都記錄於《指紋》(Finger Prints)一書當中。根據文獻記載,最早利用生物特徵進行自動辨識身分的研究可回到1963 年,由陶溫(Mitchell Trauring)在國際知名的Nature 期刊所發表關於自動指紋比對的論文。其他的生物特徵,如語音、人臉及簽名等識別技術,也在1960 年代開始萌芽。經過了50 多年的發展,同時拜電腦軟硬體技術進步之賜,生物辨識技術現已開花結果,並衍生出不同的分枝。同時,已有許多實際的應用,如指紋與人臉辨識系統,出現於各大國際機場,擔任海關出入境旅客身分認證的重要工作。

圖二:生物辨識系統架構。

指紋辨識技術
......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用

王迪彥、廖湘如、陳奕嘉、林柔均/東海大學化學系王迪彥教授實驗室,主要開發新型態之奈米材料合成,並應用於光電及儲能、深入探討其材料反應機制。



從量子點說起......
螢光奈米晶體主要是具有自發螢光特性,且為奈米尺寸之材料,當中以量子點(quantum dot)最為特殊,此種稱之為量子點的材料主要是將激子(即電子電洞對)束縛在三維空間方向上的半導體奈米結構。當這種半導體奈米結構尺寸小於他的波爾激子長度(Bohr exciton length),且粒子的能階會趨於與分子相似的性質,導致其能帶(energy band)產生量子限量化效應,此時形成不是連續的能帶;當粒子尺寸變得更小,其能隙(band gap)會變得更大,造成此量子點奈米晶體之光電性質會與其塊材有很大的差異(圖一)。

圖一:螢光量子點尺寸相對於直接能隙大小與放出之螢光波長之示意圖。(作者提供)


量子點始於1983 年,由哥倫比亞大學化學系教授布魯斯(Louis Brus)證明而得,若改變硫化鎘膠體的大小,其激子能量也將隨之變化,膠狀量子點(colloidal quantum dot)的概念首次被提出。1993 年,麻省理工學院教授巴溫迪(Moungi Bawendi)實驗室第一次利用三種氧族元素(硫、硒、碲)溶解在三正辛基氧膦中,而後於攝氏200~300 度的有機溶液中與二甲基鎘反應,並在有機溶液中合成出了大小均一的量子點,成功產出硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘等量子點材料。之後在量子點的研究大部分都基於此種方法為合成基礎開發,包括Ⅲ-Ⅴ族(GaN, InP),Ⅰ- Ⅲ-Ⅵ 族(AgInS2 , CuInS2)量子點等等。

鈣鈦礦結構躍升主流
2010 年後出現一種新型態的量子點研究,以鈣鈦礦結構之螢光奈米晶體為主,其化學式組成為ABO3,其中還分為「全無機類型」及「有機- 無機混合類型」。全無機鉛鹵素之鈣鈦礦,如CsPbX3(X 為Cl-、Br- 以及I-),晶體結構與半導體性質在1950 年代就已經被發現;而擁有此種結構的有機- 無機混合類型之化合物,如CH3NH3PbX3 及CH(NH22PbX3,也於1970 年晚期被發現,一直到了2010 年後,此種鈣鈦礦奈米尺度下之光電特殊性質才被大量研究,並在太陽能電池及發光二極體有卓越的效能。許多文獻裡,鈣鈦礦所形成之奈米晶體,其螢光發光波長主要易受到不同鹵素離子之比例不同而有所改變,因此種奈米晶體尺寸多大於10nm(超過其激子波爾長度),尺寸改變對於螢光放光波長影響較小,也因此較為不適合稱之為量子點。本文將分別介紹新型態鈣鈦礦奈螢光奈米晶體之基本製備方法、光學物理性質以及它在光電領域上的應用價值。

基本化學結構、合成方法與自組裝


圖二:(a)無機鉛鹵素鈣鈦礦之各種晶體結構圖。
(b)代表性之CsPbBr3 奈米晶體穿透式電子顯微鏡影像圖。(作者提供)

鈣鈦礦奈米晶體目前最主要分成兩種:全無機鉛鹵素或有機- 無機混合鈣鈦礦。其晶體結構與一般傳統金屬氧化鈣鈦礦(BaTiO3)相似,主體為八面體的PbX6,圖二(a)的A 位置為主體與主體間縫隙,由1 或3 個大型陽離子分子(Cs+、CH3NH3+ 或CH(NH22+)佔據,形成APbX3 的組成。......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】


搞懂聲音的差異---看見聲音的長相

曾賢德/國立東華大學物理學系副教授。專長為光電物理實驗,喜歡自造實驗系統,興趣為探究實作科普推廣。



(shutterstock)

你可曾想過,當不同樂器彈奏出同一個音符時,為何聲音聽起來可以截然不同?你可以分辨笛子和吉他的聲音、男生跟女生的聲音,但可曾「看見」過這些聲音的波形與頻譜?跟隨我們,用電腦程式觀察聲音,動手玩幾個跟聲音有關的科學實驗吧! 

大自然中有著各種美妙的聲音。聲音是一種波動,除了用耳朵聽之外,也能透過麥克風將空氣中的聲波震動轉換成電壓變化。而電腦或手機上的音效卡則可將微弱的類比電壓訊號轉換成電腦裡的數位訊號,再透過電腦或手機應用程式將這些資訊呈現在螢幕上,即能看見聲音的波形。本文中,我們以電腦程式:音效卡示波器(Soundcard Oscilloscope)示範容易動手玩、跟聲音有關的科學實驗。

首先, 上到https://www.zeitnitz.eu/scope_en 這個網站下載與安裝Scope 程式[註一]。啟動程式後,程式介面上方選擇Oscilloscope(示波器)即可看到麥克風接收到的聲音波形。圖一中顯示的波形,是將一根喝珍珠奶茶的粗吸管在約20 公分長的位置處對折成閉口,然後用嘴巴在開口端吹氣時所發出的共鳴聲[註二]。從波形圖中橫向的時間軸可以看出,20 毫秒(20ms)時間內聲音主要震盪約8.5 次。也就是大約每秒425 次(425 Hz)。從這頻率跟吸管的長度,我們就可以推算出聲音的速度是大約每秒340 公尺喔!怎麼算的稍後再跟你說。

頻率最低的主要震盪,我們稱其為基頻(fundamental frequency)。除了基頻,圖一中的波形還有許多細雜的高頻振動。這些震動的振幅雖然比較小,卻很重要,他們構成了這根吸管的「音色」。若沒有不同的音色或聲紋,所有樂器的Do(middle C)音就都會是一模一樣的聲音。為了看清楚這個波形是由哪些頻率成分所構成,我們可以將波形透過傅立葉變換(Fourier transform) 將波形轉變成頻譜。別擔心, 電腦程式會幫我們做計算, 只要在示波器程式介面上方選擇Frequency(頻率),如圖二,就可以看到這吸管的聲音頻譜。......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】


瑪莉歐與食人花

游森棚/任教於臺灣師範大學數學系及空軍官校。


最近和一些高中數學老師聊天,他們發現第一冊開宗明義談「數(numbers)」,學生很沒有「安全感」:整數、有理數或無理數的介紹多半是概念,,沒題目可以「算」,真是不安心。復以第一個關鍵是:√2是無理數

基本上學生早已經知道 有多大:單位正方形的對角線長度,大概1.414 嘛!它是無理數這件事對認知不會有衝擊,證明它也就看來不那麼重要。況且用到反證法,遠超過大部分高一學生的思維和經驗,於是草草帶過,直接跳到 N⊂Z⊂Q⊂R 的結論。關於無理數的描述大概就這樣結束,這是很可惜的,稍微設計一下,從√2開始可以引出很多有意思的結果,這個月的專欄介紹幾個容易讓學生「有感」的數學,給教師們參考。

影印紙的形狀
現在常用的影印紙有A系列尺寸(A3、A4……)和B 系列尺寸(B4、B5……)。這2 種紙都有一個非常好的特性:將A3 裁半之後就變成A4,或將B4 裁半之後就變成B5,兩邊的比例仍維持一樣。要能夠這樣,紙張可不能亂來,選正方形當影印紙就是一個不智之舉,因為正方形裁半後不會是正方形,我們可以計算要能夠這樣裁時,兩邊的比例會是如何。

假設下圖短邊為a,長邊為b;因為裁半之後短邊比長邊的比例要保持相同,因此得到:


也就是說,要能夠裁半並保持同樣比例(如同A3 或B4),紙的兩邊比必須是:1:√2

這是有趣也簡單的數學,由此可設計一系列的教學活動。但是我不解的是,擁有最先端高科技的美國,日常用紙卻是一種奇怪的尺寸,叫「Letter Size(8.5×11 英吋)」,這種尺寸裁半之後,整個比例就完全不對了。


瑪莉歐與食人花
無理數的「行為(此處借用數學常用的behavior 一詞)」,其實是非常神秘而有意思的。既然 √2=1.414213562373095048…是無理數,所以它的任何整數倍都不可能是整數。換句話說:

如果數線上每個正整數點上都有一隻食人花,瑪莉歐從原點開始,每一步都往右跳 √2 ,那不管跳多遠都不會碰到食人花。

但是現在請學生用計算機按出底下幾個數:70√2、985√2、80782√2、470832 √2

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2018年2月23日

2017 年加密貨幣與公開代幣發行回顧

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。



加密貨幣

加密貨幣(cryptocurrency)又稱為「虛擬貨幣(virtual currency)」或「數位貨幣(digital currency)」,是使用區塊鏈(blockchain)技術所創造出來的貨幣,它基本上是由許多電腦科學(computer science)的演算法所創造出來的程式,並不是實體的硬幣或紙鈔,因此稱為「虛擬(virtual)」,也因為它使用了許多加密演算法,因此稱為「加密(crypto)」,關於比特幣與區塊鏈的技術細節,請讀者自行參考《科學月刊》2017 年11 月第575 期的詳細介紹。


首次代幣發行

首次代幣發行(Initial Coin Offering, ICO)是指新創公司經由區塊鏈平台,公司首次將它的代幣(coin 或 token)賣給投資人(個人或法人)來募集公司營運所需要的資金。私人公司經由這個過程轉化成什麼呢?其實在法律上它什麼也不是,只是在公開的區塊鏈平台上可以查到這家公司而已。而投資人以其他加密貨幣(例如:比特幣或以太幣)來交換私人公司的代幣,通俗的說就是「以代幣換代幣」,由於直接以加密貨幣交換法定貨幣可能涉及違法吸金,因此這種交易類似「以物易物」,很巧妙地規避了法律上的問題。


2017 年加密貨幣市場回顧

2017 年可以說是加密貨幣最精彩的一年,比特幣由2017年初約1 比特幣(btc)兌換100 美元,狂漲到2017 年底約19000 美元,漲幅將近200 倍,卻又在2018 年初暴跌到大約8000 美元,大量的投資客與投機客湧入加密貨幣市場,讓這種看不見摸不著的「虛擬貨幣」瞬間炙手可熱,同時也讓更多廠商搶著到區塊鏈平台上發行自己的加密貨幣,加密貨幣種類一下子暴增到超過1500種之多,大部分公司不但沒有獲利、甚至只是寫了一份企劃書而已,就能夠讓自己發行的加密貨幣跟著大盤上漲,有的還帶動了公司股價上漲,例如:已經申請破產的傳統相機廠商柯達公司(Kodak)宣布推出「柯達幣(Kodakcoin)」,協助攝影師與版權機構作出更有效的影像權管理,消息公布後柯達股價一度暴漲77%,就是一個例子。

其實這些加密貨幣也不是都隨便亂漲,事實上市值排名前面的加密貨幣背後都有它們的故事,有的使用新的規則、有的提出新的技術、有的產生新的應用,這是他們排名前面的理由,接下來我們簡單介紹市值前十名的加密貨幣,如表一所示。

表一:市值排多前十名的加密貨幣(2018 年1 月28 日)。(https://coinmarketcap.com/)


比特幣

2008 年由日裔美國人中本聰(Sotashi,筆名,真實姓名待確認)發表了一篇名為《比特幣:一種對等式的電子現金系統》的論文,經由電腦科學的演算法所創造出來的程式「節點軟體(node software)」與「比特幣帳本(Bitcoin ledger)」,建立了可以不經由金融機構就能在交易雙方之間直接傳送的「比特幣(Bitcoin, BTC)」, 是目前知名度與市場總值最高的加密貨幣。

要獲得比特幣有兩種途徑,一種是自行架設電腦經由數學運算找到滿足特定條件的「區塊(block)」來儲存「交易(transaction)」,就可以得到比特幣獎勵金,這個行為稱為「挖礦」, 而進行挖礦的人稱為「礦工」; 另外一種是直接拿法定貨幣(例如:美金)到加密貨幣交易所兌換比特幣,正是因為有人願意拿19000 美元兌換1比特幣(btc), 才會造成比特幣的暴漲。

比特幣是第一個加密貨幣,為了維持比特幣的總量避免通貨膨脹問題,比特幣數量上限為2100 萬個,採礦難度高發行數量少是它維持高價格的重要原因,但是比特幣所使用的規則老舊,為了維持大約每10 分鐘採出一個區塊,產生新區塊的難度會定期調整,每採出2016 個區塊(大約兩週)會自動調整接下來2016 個區塊的採礦難度,比特幣的區塊大約1 MB,一筆交易大約256 B,一個區塊大約儲存4096 筆交易,平均每秒最多只能處理7 筆交易(4096 筆交易∕600 秒= 6.82),和目前廣泛使用的VISA 這樣能夠每秒處理數萬次交易的支付系統相差很多,大家想想,每秒鐘「全世界」最多只能處理7 筆交易,怎麼可能應付我們日常生活頻繁的小額交易?因此比特幣不適合即時大量的小額交易,或者說比特幣根本不可能取代傳統貨幣,為了改善這些缺點,後來才產生了「比特幣現金(Bitcoin Cash, BCH)」。

每次說到比特幣根本不可能取代傳統貨幣,就有許多朋友反問我:那為什麼日本和臺灣都出現可以使用比特幣交易的商店?這個答案很簡單,大家想想,我開了一家早餐店,要請到所有的一線主流媒體來做廣告,要花多少錢?有什麼方法可以花小錢就讓所有的主流媒體全部到場做免費廣告,答案很簡單,只要我準備一支裝有比特幣電子錢包APP 的手機,再發新聞稿說「本商店即日起接受比特幣付款」,所有主流媒體攝影機立刻都到場了,這不是免費的廣告嗎?

問題是,消費者真的用比特幣付款的人又有多少?依照目前比特幣的現況,先不考慮比特幣暴漲暴跌,由於小金額又沒有手續費的交易無利可圖,沒有礦工願意把它打包到區塊鏈裡的,沒有被打包的交易代表沒有礦工做確認,也就代表收款人無法拿到這筆錢,試想那家商店願意先把貨物讓消費者帶走,卻在一兩個月後才收到貨款?甚至沒有礦工打包就永遠收不到貨款,如果只是1、2 位消費者用比特幣認賠就算了,但若每位消費者都用比特幣付款,那商店不是要關門倒閉了嗎?

最弔詭的是,比特幣暴漲的重要原因之一,是許多人誤以為比特幣會取代傳統貨幣,擁有無限的前景與未來,所以才瘋狂搶進,拿大把的美金到交易所兌換比特幣的,看到這裡,你還覺得可以繼續押寶比特幣嗎?


以太幣

以太坊(Ethereum, ETH)是一個開放原始程式碼並且具有「智慧合約(smart contract)」功能的公共區塊鏈平台,在這個平台上使用加密貨幣「以太幣(ether)」,這個平台提供去中心化(decentralized)的「以太虛擬機器(Ethereum Virtual Machine, EVM)」給所有想要使用區塊鏈技術開發產品的開發者, 因此稱為「公共區塊鏈平台」。

大家都知道區塊鏈有許多應用,不只是拿來支付用的加密貨幣而已,問題是不同應用必須分別定義自己的區塊鏈協定(共識規則),造成只有少數區塊鏈應用相容,與其他區塊鏈應用無法相容的問題。以太坊創始人布特林(Vitalik Buterin)希望讓區塊鏈技術應用在加密貨幣以外的領域,讓開發者建立可擴展、易開發、可相容的各種區塊鏈應用,因此建立了「以太坊」,這是在比特幣之後區塊鏈技術又一個創新,說穿以太坊就是要大家都使用它的區塊鏈協定(共識規則)來開發各種應用,在以太虛擬機器(EVM)上使用以太幣來交易,那大家猜猜,如果全世界大部分的區塊鏈應用都是架構在以太虛擬機器上,最有價值的加密貨幣會是那一種呢?賺最多的又會是誰呢?

以太坊提供很好的「智慧合約(smart contract)」可以協助和驗證合約的談判和執行,同時建立通用的區塊鏈協定,讓程式設計師在以太坊區塊鏈協定上撰寫程式語言,可以快速開發應用,與其他區塊鏈應用相容,開發者可以在以太坊平台上創造一個全新的加密貨幣(例如:科學幣),投資人再以其他加密貨幣(例如:比特幣或以太幣)來交換科學幣。2014 年7 月以太坊就是用這個方法募集了31591 個比特幣(當時市值1840 萬美元),隨著加密貨幣的膨脹吸引更多開發者、投資者、投機者投入。


瑞波幣

瑞波公司利用區塊鏈技術做國際金融交易的公司,透過企業區塊鏈網路「瑞波網(RippleNet)」,協助商業客戶提升跨國支付交易效率,提供跨境支付解決方案。其實瑞波幣(ripple, XRP)的功能就是兩種法定貨幣之間的橋樑,企業可以使用瑞波幣在全球執行所需的資金流動,而且不需要支付額外的手續費。根據瑞波實驗室(ripple labs)官方網站的介紹,瑞波幣最大的特色就是支付結算只需要3.6 秒,和比特幣需要超過1 小時,以太幣需要超過2 分鐘以上的時間相比,幾乎是目前交易最快的加密貨幣之一。


比特幣現金

由於比特幣不適合即時大量的小額交易,為了提高區塊鏈交易的處理速度,2017 年8 月比特幣經由「硬分叉(Hard fork)」產生了新版本的「比特幣現金」,比特幣現金的區塊大小為8 MB,並且複製了比特幣完整的區塊鏈資訊與幾乎所有模式。硬分叉是指區塊鏈發生永久性分叉,在新的共識規則發布後,部分沒有升級的節點無法驗證已經升級的節點所產生的區塊,通常就會發生硬分叉。


艾達幣

由IOHK(Input Output Hong Kong)公司開發、以太坊的前CEO Charles Hoskinson 主導成立,是利用區塊鏈的技術設計給Cardino 遊戲的玩家使用,Cardino 是沒有被運營商所支配的遊戲平台,參與Cardino 遊戲的玩家必須持有平台的艾達幣(Cardano, ADA)代幣,透過和其他玩家對戰來取代幣,電子遊戲產業原本就是一個很大的市場,因此艾達幣有它的發展潛力。


恆星幣

由Mt-Gox 和Ripple 原創始人McCaleb 推出類似於瑞波幣的新支付系統,做為法定貨幣與加密貨幣之間的的交易媒介,恆星幣(Stellar, XLM)具有交易快速的優點,確認時間僅需大約4 秒即可完成,利用各個伺服器組成恆星(Stellar)網路,伺服器利用扣除帳戶餘額的方式進行交易,恆星幣屬於美國加州「恆星發展基金會(Stellar Development Foundation, SDF)」,為非營利機構,他們的理念在建立任何人都能自由使用的支付網路。


萊特幣\

萊特幣(Litecoin, LTC)同樣也是受到比特幣的啟發而生的產物,改善了比特幣的一些缺點,具有三個主要的差異:萊特幣網路大約每2.5 分鐘產生一個區塊,比特幣大約10 分鐘產生一個區塊,因此可以提供更快速的交易確認;萊特幣預期產出最多8400 萬個,相較於比特幣期產出最多2100 萬個多出四倍;萊特幣在工作量證明(proof of work, PoW)演算法中使用了scrypt 加密算法,使得個人電腦更易運算出萊特幣。


新經幣

新經幣(New Economy Movement , NEM)是由bitcointalk.org 論壇的UtopianFuture 開發,最大的特色就是使用「重要性證明(proof of importance, PoI)」, 重要性證明機制是指一個用戶的重要性取決於他擁有多少數量的新經幣和他的錢包交易數量,這樣會鼓勵用戶不僅持有新經幣,同時也積極在新經幣的區塊鏈系統內開展交易,和比特幣所使用的「工作量證明」不同。


結語

加密貨幣與區塊鏈無疑是近十年來影像金融業最巨大的創新發明,隨著加密貨幣的種類不斷增加,以及加密貨幣的價格不斷被炒作,愈來愈多的投資客與投機客紛紛投入這個市場,暴漲暴跌成為加密貨幣交易市場的常態,2017 年12 月2 日美國商品期貨交易委員會(CFTC)核准芝加哥商品交易所集團(CME Group)與芝加哥期權交易所全球市場(cboe global arkets)推出比特幣期貨。儘管近來虛擬貨幣價格回檔,相關概念股仍持續發燒,洶湧資金流入兩檔新上市的區塊鏈指數股票型基金(Exchange Traded Fund, ETF),一週內就吸金2.5 億美元,金額之高讓人咋舌。最令人擔心的事情終於要發生了, 一檔又一檔的區塊鏈衍生性金融商品問世,接下來就是衍生性金融商品之間理不清的關聯性,下一場金融海嘯是不是正在慢慢成形了呢?

此外,加密貨幣的交易安全管理是另外一個令人擔心的問題,2018年1月26日日本加密貨幣交易所「Coincheck」遭駭客入侵,竊取價值約580 億日圓(約臺幣156 億元)的「新經幣」,是加密貨幣發明到目前為止最大宗的竊案,這件事震驚全球。目前加密貨幣最大的問題就是安全性,這種完全虛擬的貨幣就是一種電腦程式,駭客主要應該是從使用者帳號密碼來下手破解,而不是針對區塊鏈來破解,其實使用者帳號密碼的安全性問題到處都有,只是一般股票市場的交易比較好追蹤,而加密貨幣追蹤的困難度很高而已,如何做好安全管理是一個值得大家討論的問題。

流感疫苗無效? Google 創投挹注廣效流感疫苗的研發

林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,本刊總編輯。

(shutterstock)


流行的,還有一般的感冒

入冬以後的臺灣氣候多變化,感冒的盛行率(prevalence rate)一如往常地正悄悄地進入到高峰期。感冒,是一種由病毒所引起之呼吸道感染的疾病,但真要詳細地說,感冒的成因其實有些複雜,到目前為止,科學家發現超過200 種以上的病毒與感冒的發生有關,我們最常發生的疾病,事實上成因並不簡單。

一般的感冒(common cold)又稱傷風,由於成因複雜,醫生多半都會囑咐患者多喝水、多休息或開些減緩鼻塞、發燒、頭痛等症狀的藥,改善病人不適的症狀。不過,流行性感冒(influenza)則是完全不一樣的故事。流行性感冒(流感)主要是由屬於正黏病毒科(Orthomyxoviridae)的流感病毒所引起的,它是一種以RNA 為基因體的病毒,有別於一般生物以DNA為遺傳物質的情況。一般而言,流感的症狀比一般傷風嚴重許多,除了前述的症狀之外,還伴隨著強烈的肌肉痠痛與併發腸胃道不適等症狀,對於老人與小孩也有較高的致死率。近年來,藥廠已針對病毒生理研發治療流感的專屬藥物—— 包括國人所熟知的「克流感(Tamiflu)」,這種藥物是以流感病毒的唾液酸酶(neuraminidase)為主要的抑制標的。在病毒感染細胞、製造了數億顆病毒後代之後,需要唾液酸酶的作用才能順利地釋放散播,所以,克流感藥物的使用可以阻礙並減緩病毒散播的速率,替體內的免疫系統大軍爭取寶貴的時間。對於一般性的感冒而言,由於病毒的作用機轉並不相同,克流感藥物幾乎沒有什麼效果,這也是醫師在用藥之前,會使用快篩試劑檢驗病人罹患感冒種類的原因。

流感疫苗二三事

若說疫苗之間也有想成為「網紅」的種類,我想流感疫苗應該是最能搏版面的疫苗了吧!似乎每年都會出現令人難以忽視的、有關流感疫苗的相關新聞。前些日子新聞報導, 由於世界衛生組織(World Health Organizationm, WHO)的預測失準,2017 年的流感疫苗保護效力欠佳,所以無法達到有效控制疫情的目的。或許有人心中會納悶,怎麼疫苗的製作,是用「猜」的呢?這是由於流感疫苗所要對付的是一種RNA 病毒,地球上的生物對遺傳訊息的看法大多希望保持其忠實性,精確的將族系繁衍下去,但其實有另一類的生物則喜歡求新求變,像是以寄生為主的生物,會不斷的進行突變,來迷惑宿主的免疫系統,在夾縫中尋求生存。就像是RNA 病毒,一般而言就比DNA 病毒更容易產生變化,這就是傳統疫苗多半設計用來對付DNA 病毒的原因。由於流感對人類健康具有相當之威脅性,因此從1973 年起,世界衛生組織便開始提供流感疫苗來防堵疫病的擴散。也因為流感病毒的變化多端,世界衛生組織建立了「全球流感監控網路系統(Global influenza surveillance network)」。這個網路主要由散佈於世界各地的實驗室所組成,在這些實驗室中的主要工作,就是分析當地流感病例中病毒的型別,並對它們的RNA基因體進行基因解序的工作,然後將結果向上匯報給世界衛生組織。世界衛生組織的專家會議會將這些匯報彙整之後,歸納出未來數個月內病毒的流行趨勢,決定啟用病毒庫中的哪株病毒進行疫苗的製備,整體的工作有點像是氣象預報員,預測未來可能擴散的病毒類型。

Google 創投挹注研發廣效流感疫苗

最近生技界的一大新聞是Google 集團旗下的創投單位,最近挹注了一筆高達2700 萬美元給英國的Vaccitech 公司,協助該公司所發展的廣效型流感疫苗(universal flu vaccine)在北美進行近年來規模最大的臨床試驗(clinical trials)。Vaccitech 公司是由劍橋大學(University of Cambridge)的研究團隊所組成,他們宣稱,有別於以往流感疫苗需要逐年施打,該公司的廣效型流感疫苗可以提供長達數年的保護效力,其關鍵技術在於疫苗的設計揚棄原本以病毒外部蛋白為主要抗原,而以病毒內部的蛋白為主。相對於外鞘蛋白,病毒內部的蛋白質基於執行特定功能的需要,一般會有高度的保留性。又或者說在天擇的壓力之下,產生突變的病毒株會因為無法執行功能而被淘汰,只有能執行正確功能的病毒才可存活。

整個故事聽起來宛如童話故事般的美好,不過我想,稍微具備病毒學與疫苗學的科學家們,應該都會想到這樣的策略關鍵在於:如果說抗原位置是位在病毒的內部,人體內免疫系統又該如何偵測到它們,將其辨認後殲滅呢?像是目前世界疫苗大廠—— 賽諾菲(Sanofi)、格蘭素克林(GlaxoSmithKline )還有諾華(CSL’s Seqirus)等生技製藥公司就對這樣的說法存疑。Vaccitech 公司是由牛津大學金納研究所的研發團隊所創立,而這所以牛痘疫苗發明人—— 金納(Edward Jenner)醫師為名的研究所在2005 年成立,並以發展新型態疫苗防治全球性傳染疾病為主要的研究宗旨,我想,應該能在這樣的問題上有其解決方案,只是礙於商業機密,恕不奉告。

另外值得一提的是,Vaccitech 公司的這項計畫並不只有Google 這個金主,其他的名單當中也包括中國的紅杉資本中國資金(Sequoia China),充分顯示對岸積極跨足國際生技醫療產業的強烈企圖心。


延伸閱讀
1. Influenza vaccine viruses and reagents,https://goo.gl/9bNWtT。
2. Ben Hirschler, Google venture arm backs UK universal flu vaccine company,
Reuters, 2018/1/15.

超越人腦計算能力的人工神經元誕生

(Unsplash)

隨人工智能軟體的快速發展,其能力已超乎人類想像,Google 自動化的相片分類及語言學習程序等演算法,皆使用人工神經元的網絡來完成這些複雜的過程。然而由於傳統電腦硬體並非以類人腦演算的目的設計,因此這種機械學習的計算能力需求較人腦大上許多。

《科學進展》( Science Advances)相關研究指出,以神經元為範本打造的超導計算晶片(superconducting computing chips),其資訊處理的速度與效能更勝人腦,這項先進的電腦裝置設計展現出模擬生物系統的標準。即使在商業上的使用仍有限制,卻也為機械自學軟體(machinelearn software)開啟另一扇窗。

美國國家標準技術研究院(NIST)物理學家史涅德(Michael Schneider)與其團隊,運用鈮(niobium)超導體研發出類神經電極(neuron-like electrodes),使導電過程暢行無阻,而為人詬病的超導體間縫隙則以奈米等級的磁性錳團(nanoclusters of magnetic manganese)填補,使其在任何電力或磁場大小下皆能針對資訊進行編碼,且耗能量僅人體的萬分之一。

該技術所產生的合成神經元在電腦模擬下,可在傳至下一個電極前整理高達9 個來源的輸入,唯該技術用於複雜計算前需要組織數百萬個突觸(synapse),能否擴展到這樣的水平還有待進一步追蹤觀察。



Michael Schneider et al., Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions, Science Advances, 2018.

腦迴圈才是語言學習的主宰?

(Unsplash)

人們是如何學習語言的?普遍認為,僅是透過腦中特定區域或要素來進行這個活動,然近期於《美國國家科學院刊》(PNAS)發布的一項研究,可能翻轉這個既定事實。研究員經多項研究調查顯示,人類其實是透過演化上較古老的腦迴圈(brain circuit)來學習語言的。喬治敦醫學大學神經科學教授歐爾曼(Michael T. Ullman)表示,有別於過往理論中由人類獨有的特定中樞主導,這種古老的通用系統才是語言學習的真正所在。

這些腦系統同樣能在其他動物身上找到,如老鼠可利用此系統在迷宮裡找到正確的方向。肯特州立大學的漢瑞克(Phillip Hamrick)表示,無論這個系統經歷什麼改變來支持語言學習的能力,其無疑在人類社會裡扮演至關重要的角色。此項研究不僅能讓人們更了解語言在生物學與演化學上的進程(如基因對應的學習能力),對於外語學習、或語言障礙患者如自閉症、失讀症或失語症等,皆有莫大幫助。

此外,研究亦統計16 項過往研究結果,在經充分研究的2 個腦系統中檢驗語言學習的能力:陳述性記憶,以及程序性記憶。研究顯示,對語言及單字的記憶有多好,端視陳述性記憶的能力而定,如記得購物清單內容、公車司機的臉、晚餐食用的餐點等;程序性記憶則在文法組成上相對重要,而在諸如學習駕駛、樂器等任務時將會派上用場,即兩者分別在學習前後期有著相當的比重。


Phillip Hamrick, Jarrad A. G. Lum and Michael T. Ullman, Child first language and adult second language are both tied to general-purpose learning systems, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018.

內蒙古

李依庭/嘗試從每篇過往的扉頁中,念出成就一生的獨白,本刊編輯。



內蒙古首都——呼和浩特。(照片皆由作者提供)

隨手翻開國中時期的歷史課本,細讀從古自今的中國編年史,隨著長江、黃河流域傳遞千年的時間橫軸中,在一個紛亂的時代洪流裡,最終由當時北方的遊牧民族一手結束南北政權對峙的局面,打造了橫跨歐亞的蒙古帝國,創建中華文化歷史中,近1 個世紀的元朝時代。

在國中課本裡,對於蒙古民族的介紹也隨著滅亡戛然而止,但這並不代表其歷史因著教科書上未提及而消失。隨著黃袍加身與杯酒釋兵權等事蹟被一筆筆的編纂入編年史後,下個屬於漢人的朝代又再次奪回主權,這時的蒙古人退出中原,回到熟悉的北方塞外疆域,重新拾起逐水草而居的遊牧民族生活。

時間快轉至清朝,持續定居北方的蒙古民族,在透過長年以來的和親聯姻、談判或征服,已逐步被當時的統治者納入版圖中。而當年在官方書籍中被定義為外藩蒙古的民族,也依地理位置逐步一分為二,分為內札薩克蒙古和外札薩克蒙古。並隨著時間的推移,遂形成當今內蒙古自治區與外蒙古(蒙古國)的前身。

如今,遊牧於歷史上千年的外蒙古已落腳在中俄之間、獨立建造一個以實施半總統制的共和國;而緊鄰中華人民共和國的內蒙古雖已被納入麾下,不過,在多次的自治運動與革命後,於1947 年成立內蒙古自治區,讓地方政府在內部事務處理上擁有較多的自主權。

繼承歷史上北方遊牧民族的美名,內蒙古自治區擁有中國最大的草原區,自治區中包含多個草原,像是呼倫貝爾草原、輝騰錫勒草原與希拉穆仁大草原等。站在一眼望去能瞅見天與地相交的地平線,腳下踩踏著的土壤不只是能騎乘馬匹、馳騁在這片草原間,與之相融,佇立在草原上藍白相間的蒙古包,推開紅色門後,更多的呈現是生活在此的點滴歲月。

輝騰錫勒草原上飼養的馬匹。

輝騰錫勒草原上的蒙古包。

然而,在內蒙古西部的草原則未如此幸運,因位處中溫帶大陸,降水稀少。面對西部草原的沙漠化、土壤鹽化,自治區於2001年發展出保護生態環境的產業——蒙草生態的成立,嘗試幫助貧脊土壤區進行生態修復。將各地區的土壤樣本、植物種苗等逐一蒐集後,建立草原種子、生態資源數據庫,並透過生物技術進行大量的植物培育,嘗試透過科技復育內蒙古的草原生態。

蒙草生態博物館中的種子試管。

走進蒙草草原生態博物館,可以看到內蒙各大草原的抗旱植物種子被保存在試管中,而所研發的土壤植被改良、雨水利用和灌溉系統等技術也透過縮小版的模型呈現在館中。而在另一頭的溫室中,則培育出各式各樣,具不同特性、型態的植物種苗或牧草草種,以供不同區域的生態修復。

蒙牛生產工廠中產品的自動化運送。


而在這碩大的草原環境之中,不只是豐富了土壤下的資源,同時也孕育著綠地上的動物,造就內蒙古酪農、畜牧產業的發達。現今內蒙古的酪農產業,從飼養牛隻、擠奶、檢疫到乳製品的產出,一連串的生產鏈皆已全自動化。在生產廠房中,從乳品殺菌、製造、包裝到成品運送至各倉儲,皆以機械化和極少數人力監管的方式完成,如此完善的電子化設備也讓內蒙古在奶製品的生產能力年年攀升。

蒙古奶茶。

經濟的提升帶動著城市的發展與繁榮,內蒙古的首都呼和浩特,所呈現出的已不再是往昔風吹草低見牛羊的蒼茫,取而代之的是諾大、筆直的街道與高樓大廈的林立。當夜晚來臨時,此起閃爍的大樓霓虹、映著五光十色的街道,點綴出此城市的絢麗光景。市區中的大召寺、鄰近的塞上老街則已成為首府標竿,吸引許多觀光客的佇足與參觀。

夜晚的塞上老街。

夜晚的大召寺。

聖母瑪利亞的意外祝福──微光精靈迷迭香

郭家銘/可以跟青蛙一起出去找蝴蝶玩的,本刊編輯。


(Pixabay)

傳聞,迷迭香的花原為白色,直到聖母瑪利亞(Virgin Mary)帶著耶穌逃往埃及的途中,將洗好的披肩掛在上頭,才使它開起了淡藍色的花朵……。

迷迭香(rosemary)的學名為Rosmarinus officinalis,由拉丁文ros(露水)及marinus(海洋)組成。在過去,歐洲一些國家會將其製成花圈、蘸些香水給新娘配戴,其代表忠貞、愛與友誼,以及作為對婚姻的紀念,甚至在中世紀時易被人們放置於家門口,以祈在黑死病的紛亂中平安度過。這個原生於地中海地區葉面小巧可愛的植物富含草木的清新香氣,其帶有如鐵杉般針狀的葉子,並開著白、粉、紫、藍等色的花朵,且這種常綠植株非常耐乾寒,長得好的話最高也能長到1.5~2 公尺不等。作為一個用途變化相當豐富的植物種,我們常常能在園藝店、各式料理內見到它的身影,甚至近年亦有研究指出,其精油具有維持記憶力、減輕焦慮等強化腦部功能的效用。

(Pixabay)

在植物化學裡,迷迭香被發現含有迷迭香酸(rosmarinic acid)、樟腦(camphor)、咖啡酸(caffeic acid)、熊果酸(ursolic acid)、樺木酸(betulinic acid)與抗氧化劑等成分,其所帶有的抗鬱、增強記憶、緩解各式疼痛等功能可謂眾所皆知。然而除了傳統醫學與過去大眾認知中的功用,在一篇關於系統性硬化症(systemic sclerosis)的個案研究裡,發現個案在分別使用迷迭香精油與橄欖油後,前者促使個案血管擴張,且熱成像溫度明顯上升,進而減緩此病症裡最惡名昭彰的雷諾現象(Raynaud’s phenomenon)。其它關於迷迭香可強化記憶力的說法,亦在近年獲得研究支持,包括摩斯(Mark Moss)等人針對國小3 ~5 年及孩童做的工作記憶(即短期記憶)標準測試,發現在使用迷迭香精油後,孩童在測驗上的表現是有進展的;而菲利浦索瓦(O.V. Filiptsova)等人也在近年研究發現13 ~15 歲青年在香氣的影響下,其圖像記憶(image memory)與數字記憶(numerical memory)方面的表現都有提升。

細觀迷迭香的化學組成,就能明白這些效果其有來自。如迷迭香酸與咖啡酸是非常有潛力的抗焦慮劑,樟腦具增進心跳速率及緩和呼吸之用(甚至還可以拿來驅蟲),而熊果酸則為化妝品常見原料,且與樺木酸在過去幾年都被證實有抗癌功效。這個人類世界再熟悉不過的香草植物,無論是在食品、醫藥與環境營造上皆能達到一種平衡感官的境界,也不枉作為「露珠與海」的最佳代表,無論為何所用,它們總是平凡自居在這個世界上。

(Pixabay)


延伸閱讀1. Gabriela L. Da Silva et al., Antioxidant, analgesic and anti-inflammatory effects of lavender essential oil, Anais da Academia Brasileira de Ciências, 87(2 Suppl.): 1397-1408, 2015.2. Lu Hui et al., Chemical composition of lavender essential oil and its antioxidant activity and inhibition against rhinitisrelated bacteria, African Journal of Microbiology Research, Vol. 4 (4): 309-313, 2010.

2018年2月7日

生命三角—地震避難處選擇的爭議

劉坤松/任教高苑科技大學通識教育中心暨防災研究中心

為有效減低生命財產損失,必須落實地震防災教育。日前關於生命三角的討論沸沸揚揚,但此法與傳統躲在桌子下的作法大相逕庭,吾人如何抉擇?

日本東北外海3月11日下午發生日本有史以來最大的地震,震央位於三陸外海,震源深度24公里,地震規模達9.0 ,其釋放出的能量相當於1萬5848顆原子彈威力,是921 大地震的355倍。引發超過30公尺高的大海嘯,並造成房屋倒塌和核電廠、煉油廠起火,二萬多人失蹤死亡,滿目瘡痍,慘不忍睹,甚至包括台灣、紐西蘭、智利等太平洋沿岸30 多國也都發布海嘯警報。此外,更令人心驚的是核電廠爆炸起火,輻射外洩,恐釀成人類浩劫,不僅喚起了台灣全民及政府的災害警覺,也觸動了我們的危機神經。

2018年2月2日

2018年1月號閱讀意見調查問卷 獲獎名單~出~爐~囉~



獲得《燒杯君和他的夥伴:愉快的實驗器材圖鑑》的讀者有:

白〇維陸〇靜郭〇璞張〇嘉郭〇彬

恭喜以上讀者,我們近日將以email與您聯繫,確認寄書地址。
感謝各位讀者對於1月份「填問卷.拿新書」活動的參與!