跨界也能發光發熱!電腦之父圖靈在生物學上的研究被利用在濾水器上

最近,來自浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌上發表了一項最新研究成果。他們發現,通過運用「圖靈結構」來製造的一種納濾浄水膜,可以快速地將海水中的鹽分和水分離出來,速率是以往的數倍。這個「圖靈結構」,來源於圖靈在自己職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。
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photo credit: The Pink Humanist
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原文刊登於合作媒體 愛范兒 ,INSIDE 授權轉載。

身為計算機專家,圖靈(Alan Turing)對密碼破譯和人工智慧領域的貢獻毋庸置疑。但誰也沒想到,他在職業生涯晚期對生物學方面的「跨界」研究,會對如今的淨水技術產生革命性的影響。

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最近,來自浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌上發表了 一項最新研究成果 。他們發現,通過運用「圖靈結構」來製造的一種納濾浄水膜,可以快速地將海水中的鹽分和水分離出來,速率是以往的數倍。

這個「圖靈結構」,來源於圖靈在自己職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。

那個時候,剛剛完成「圖靈測試」的他,開始對生物學領域產生巨大的興趣。他發現,自然界中存在的多種多樣的圖案及形態——動物的紋理、植物的形狀等等,都有其誕生和形成的奧秘,而這也許可以通過數學模型來進行「解密」。

著名的斐波那契數列(簡單來說,就是從 0 和 1 開始,之後的數都等於前兩者之和)就在生物學界有著廣泛的應用。植物的花瓣數、葉片枝幹的排列、昆蟲的繁殖規律等等,似乎都以某種黃金比例存在著,展現出規律的數學之美。

斐波那契數列的「黃金螺旋」,photo credit: Imgur
斐波那契數列的「黃金螺旋」,photo credit: Imgur

受到斐波那契數列的啟發,圖靈也開始通過建立數學模型來對生物的形態變化進行進一步的研究。

在他的理論框架中,引發形態變化的有兩種不同的反應物(細胞):其中一種被稱為「啟動因數」(Activator),它可以促進反應的發生;另一種被稱為「抑制因數」,跟字面意思一樣會對反應產生抑製作用。

當這兩種反應物相遇之後,會出現兩種現象:

  • 反應後均勻擴散,則整個系統平衡,不會產生圖案;
  • 反應後擴散不均衡,系統開始形成具有週期性特徵的複雜圖案。

這個理論被圖靈稱為「反應-擴散方程」,被記錄在他於 1952 年發表的名為 《形態發生的化學基礎》的論文 中。而這種在「反應-擴散」機制下形成的具有規律性的生物圖形,也被稱為「圖靈結構」。

photo credit: Science

乍一看,這個理論與海水淡化技術是沒有什麼直接關聯的,不過來自浙江大學的這個團隊在一次偶然中突發奇想,決定測試一下這種模型在製備淨水納濾膜時的應用效果。他們先試驗了呱嗪(Piperazine)和三甲醯氯(Trimesoyl)這兩種反應物,但兩者的反應擴散效果差異不大,無法形成「圖靈結構」。

後來,他們又在呱嗪中加入了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)。這一次,呱嗪的反應擴散速度放緩,與三甲醯氯拉開了差距,成功啟動「反應-擴散方程」,在基底上形成了一種具有三維「圖靈結構」的濾水膜。

photo credit: Science
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在這個濾水膜的表面,「圖靈結構」的圖案能隨著反應物的不同配比而產生變化;最關鍵的是,因為增加了更多可透水的圖形,這種帶有「圖靈結構」的濾水膜在濾水效率上面更高。實驗的結果顯示,一平方米的新濾水膜可以在一小時內處理 125 升以上的水,這意味著,它的效率要比傳統濾水膜快 3 倍。

這是自「圖靈結構」被發現後,第一次被應用於實際生活中。研究團隊還指出,如果可以得到有效利用,未來在海水淡化、工業用水回收等方面,都有可能出現很大的效率突破。

所以誰說「跨界」就一定是不務正業呢,要不是有了差點搶了生物學家飯碗的圖靈,科學家今天也不會這麼容易就突發靈感了。


圖解智慧國家四大關鍵科技,從不同角度帶你了解台灣的科技應用實力

大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?我們從四個面向帶你看台灣作為「智慧國家」到底有什麼實力!
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大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?自己說不如讓國際單位做的調查更客觀顯示。瑞士洛桑管理學院(IMD)每年9月公布的世界數位競爭力(World Digital Competitiveness Ranking)評比,最近一次報告2021年台灣在全球64個主要國家及經濟體當中排名第8,獲得歷年來最佳名次。

而且值得關注的是,支持數位競爭力的核心要素之一,也就是「科技」競爭力。IMD評比報告揭露台灣拿下全球第2的佳績,從2018年的第11名年排名持續上升,顯見台灣無愧於科技強國之名。


科技小百科:
瑞士洛桑管理學院(IMD)是一個長期研究國家與企業競爭力,在國際上具盛名及公信力的評比機構,並自1989年起發布「世界競爭力年報」World Competitiveness Yearbook,其評比報告與調查結果更是各國政府擬定相關政策之參考。IMD每年會定期公布兩份競爭力評比報告,其一是「世界競爭力年報」,每年在6月公布,2022年台灣在63個受評比國家中排名全球第7名。另一份報告為「世界數位競爭力評比」World Digital Competitiveness Ranking,每年在9月底公布,本篇文章引用的資料為這份兩份研究。


也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人 

近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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