石印術一種：列印摺紙術為複雜結構提供新技術

Printed origami offers new technique for complex structues
http://www.physorg.com/news190442323.html

April 14, 2010

雖 然它看起來小，也不出鋒頭，不過這種座落在 Illinois 教授 Jennifer Lewis 實驗室樣本碟中的微小摺紙鶴（origami crane），為那些擁有複雜三維結構的生物相容性裝置（biocompatible devices）、微支架（microscaffolding）以及其他微系統的創造預告了新方法。這隻硬幣大小的鈦金屬鳥，一開始時是一張以氫化鈦 （titanium hydride）印出來的薄片（printed sheet）。

該團隊將把他們新奇的技術發表在 4/14 的 Advanced Materials 期刊線上版。小型、以複雜形狀製成的金屬、陶器或聚合物包含種種應用，從生醫裝置、電子裝置到快速原型製作（prototyping）。製造這種結構的方 法之一是透過直寫組裝（direct-write assembly），那是 Lewis 小組協助開拓的技術。在此方法中，一台大型印表機將包含金屬、陶瓷或塑膠粒子的印墨沈積，一層層組合出結構。接著，此結構在高溫下退火 （annealing）使墨水中的液體蒸發並使粒子結合，剩下一個固態物體。

然而，當所添加的層次愈多，較低層傾向下垂或因為自身重量而 塌陷 -- 當博士後研究者 Bok Yeop Ahn 試圖為組織工程製造鈦支架時遇到這種問題。他決定採用不同方法：印出一張平面的薄片，接著將它捲繞成螺旋型 -- 或甚至將它摺成各種形狀。將印出來的薄片摺疊並不像剛開始看起來那樣容易。

"我們的印墨絕大多數都是基於水性配方，所以它們乾得很快。它 們變得非常堅硬，而且在摺疊後很容易碎裂，" Lewis 說，Thurnauer 材料科學與工程教授，同時也是該校 Frederick Seitz 材料研究實驗室主任。於是挑戰就變成要找到一種解決方法，能使印出來的薄片柔軟到足供操作，卻又夠堅韌，能在摺疊後與退火間維持它們的形狀。

Lewis、 Ahn 以及他們的研究團隊藉由仿效溼摺摺紙術（wet-folding origami，在其中，紙張部份浸濕以增強它的可摺疊性）從而解決此問題。藉由在印墨中使用一種快乾與慢乾溶劑的混合物，薄片部份乾燥但仍維持足夠的彈 性，耐得住多重步驟摺疊 -- 在鶴的例子中為 15 摺。

U. of I. 研究者與 David Dunand（西北大學的 James and Margie Krebs 材料科學教授） 教授合作，他最初找 Lewis 商量使用氫化鈦的可能性。"我知道如何在不受印墨污染的情況下，將氫轉變成金屬鈦，基於我實驗室先前的研究，" Dunand 說，他聚焦在將柔軟的、氫化鈦摺紙結構退火成強健、金屬的鈦物體。

列印與摺紙技術的緊密結合，容許更大的結構複雜性 -- 諸如鶴突出的雙翼，這種特徵是無法透過直接列印方法產生的。此外，Lewis 的團隊能以各種圖案（patterns）列印薄片，又增添另一種層次的結構細節。

"藉由結合這些方法，你能夠迅速組裝出非常複雜的結構，那單靠傳統製造方法是辦不到的，" Lewis 表示。

根據 Dunand 表示，接下來，該團隊希望透過擴展中的印墨陣列，擴展其摺紙術大全（origami repertoire），以包含更大與更小的結構。例如，此法能拓展成各種陶瓷以及從鋼到鎳的一系列金屬。

研究者們也在計畫探索可能的應用，包括輕量化結構、生醫裝置、感應器等。

"我們才剛開始解放此法的威力，" Lewis 表示。

※ 相關報導：

＊ Printed Origami Structures
http://www3.interscience.wiley.com/journal/123353872/abstract

Bok Yeop Ahn, Daisuke Shoji, Christopher J. Hansen,
Eunji Hong, David C. Dunand, Jennifer A. Lewis
Advanced Materials 2010
doi: 10.1002/adma.200904232

＊ 可建造月球基地的 3D 印表機
＊ 華盛頓大學 Solheim 實驗室示範玻璃 3D 列印
＊ 奈米管＋墨水＋紙＝即用電池
＊ ROLLED「印出」OLED 彈性顯示器
＊ 日科學家希望「印」出心臟
＊ 科學家以新方法利用噴墨印表機操縱基因

「人造葉子」的藍圖模仿大自然

中文：http://only-perception.blogspot.com/2010/05/blog-post_14.html

Blueprint for 'artificial leaf' mimics Mother Nature
http://www.physorg.com/news188740600.html

March 25, 2010

科學家今天展示一種設計策略，藉此製造期盼已久的人造葉子，那能夠駕馭大自然在光合作用這種過程中，從日光與水產生能量的能力。這種新竅門，是基於自然葉子的化學與生物能力，可導致有效的人造葉子原型。他們宣稱，人造葉子能捕捉太陽能，並有效地利用它將水轉變成氫燃料。

他們已預定在本週舉行的第 239 屆 American Chemical Society (ACS) 國際會議中報告。這次會議上，約有 12,000 篇科學報告已排定進行簡報，是 2010 規模最大的科學聚會之一。

" 此概念也許為基於生物學典範之人造光合作用系統的設計帶來新願景，而且提供一種有效的原型，能利用永續的能源資源，" 范同祥（Tongxiang Fan）, Ph.D. 以及同僚張荻（Di Zhang）, Ph.D. 與周漢（Han Zhou，音譯）, Ph.D. 表示。他們屬於中國上海，上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室（State Key Lab of Matrix Composites at Shanghai Jiaotong University）。

范指出，利用陽光將水分離成它的成份：氫與氧，是脫離目前對煤、石油與其 他傳統燃料的依賴，最有前途且永續的策略之一。當然燒時，這些燃料會釋出二氧化碳，主要溫室氣體。相較之下，氫的燃燒，只會形成水蒸汽。這項訴求正是經過 許多討論的「氫能經濟（Hydrogen Economy）」的中心，例如 Toyota 已開發出氫燃料車。然而，目前缺乏具成本效益的永續方法來製造氫。

范等人念玆在玆，決定要進一步觀察葉子，大自然的光合作用系統，並計畫 將其結構作為他們次世代人工系統的藍圖。並不太令人意外，綠葉的結構賦予他們極高的光收成（light-harvesting）效率。在他們的架構內，包 含負責將太陽能聚焦與引導至葉子之光收成部份以及其他功能的結構。

在發展人造的、葉子般結構的藍圖時，這些科學家決定模仿大自然的設計。 這導致他們報告他們的「人造無機葉（Artificial Inorganic Leaf，AIL，人造無機樹葉、人工無機葉）」，那基於自然的葉子與二氧化鈦（TiO2） -- 這種化學物質已被確認為氫生產的光催化劑。

這 些科學家首先在一種二階段過程中使二氧化鈦滲入野棉花（Anemone vitifolia，小白頭翁，一種中國原生植物，屬於銀蓮花屬）的葉子中。利用先進的光譜學技術，這些科學家接著能證實，葉中有利於光收成的結構化特徵 已複製在新的二氧化鈦構造中。令人振奮的是， AIL 在氫的製造上比那些以這種方式「生物模板化（biotemplated）」的二氧化鈦更加活躍八倍。AILs 也比商業化的光催化劑更加活躍三倍。接著，科學家們將鉑的奈米粒子嵌入葉狀結構中。鉑，以及可在天然葉子中發現的氮，協助使人造葉的活性增加額外的十倍。

在 他的 ACS 簡報中，范報告人造無機葉製造的種種面向，他們的光譜學使他們更了解光催化劑的巨觀與微觀結構，以及與先前所報告系統的比較。這些新「葉子」的活性顯然高 於其他利用傳統方法所製備的。范將這些結果歸因於源自自然葉子的階層式（hierarchical）結構：

"在朝著基於自然典範 -- 尤其是基於結構性設計的探索與模仿 -- 之新人造太陽能轉能（transduction）系統的邁進上，我們的結果也許代表了重要的第一步。大自然仍有許多東西能教我們，而人類的心靈手巧能夠修改自然系統的原理以強化效用。"

※ 相關報導：

＊ 研究者成功模擬光合作用並設計更好的葉子
＊ 植物如何輸送糖的研究攸關全球暖化
＊ 催化劑：科學家模仿植物儲存能源系統的精髓
＊ 科學家發現量子力學在光合作用中起作用
＊ 研究者確認光合作用中的關鍵分子
＊ 科學家解開光合作用階段中的謎

＊ 研究者改造細菌將二氧化碳轉變成液態燃料
＊ 可直接將水分解成氫的太陽能電池
＊ 合成催化劑模仿自然的「氫經濟」
＊ 破壞某些最強化學鍵的新方法

靈感來自生物的電腦網路會自我組織與學習

中文：http://only-perception.blogspot.com/2010/05/blog-post_5227.html

Bio-inspired computer networks self-organise and learn
http://www.physorg.com/news186413363.html

February 26, 2010

(PhysOrg.com) -- 以物理上分離的模組所組成的強大電腦、自我組織的網路以及靈感來自生物系統的運算，這三大熱門研究主題現在在一項歐洲計畫中聚首。

歐洲研究者已開發出一種創新的運算平台。在這套系統的中心是許多小型模組，每個模組以晶片製成，具有內建的學習能力。一個自我配置的無線網路會連接這些模組，讓它們像一個一致的群體（coherent group）般運作。

演化成合於正在進行中的任務，並且會對於它們所處環境的資訊產生作用，這樣的系統被它們的開發者描述成「來自生物的靈感」。它們非常適合建構科學問題的數學模型，在其中複雜（complexity）源自簡單的基石，例如腦部、股市以及新點子的擴散。

研 究者已使用能夠學習的程式 -- 神經網路 -- 來研究像這樣的問題。如果他們能將指令硬體接線（hard-wire）成電腦晶片而非將它們當成軟體載入，他們的模擬將能跑更快，不過，這通常會阻止機器 「繼續學習」。若晶片能透過在實體上重新配置它們自己（physically reconfiguring themselves）而學習（新事物），將能夠呈現出這兩種世界中最好的結果。

大量電腦平行運作以解決複雜問題並不是新構想。然而，這 樣的網路並非十分有彈性，因為電腦必須以專為每種任務量身訂做的軟體個別設定。這項 European PERPLEXUS 計畫因而利用此研究中另一種熱門主題：自我組織的無限網路，那能使自己適應正在進行中的工作。


普適模組與普適晶片（Ubidules and ubichips）

原 則上，這樣的網路，可藉由任何伸手可及的、備有無線網路的裝置 -- 電腦、智慧手機、機器人甚至是電子玩具 -- 組裝自己，提供所謂的「普適運算（ubiquitous computing）」，這個由歐盟所贊助之 PERPLEXUS 計畫的發言人 Andres Perez-Uribe 解釋。

在這項計畫中，研究者將他們自己設限在一種模組網路上，該網路由一種基本的基石所構成：普 適模組（ubidule），一種為特定目的而設計的模組，大小與 PDA 類似。普適模組能取得來自於環境中的資訊，以無線方式共享資料，並使它們的行為能夠合於情勢。例如，在一大型網路中，某些普適模組也許會演化成專門從事特 定任務，而其他的普適模組則會把任務托付（delegate）給它們。

每個普適模組的關鍵是一個處理器晶片，普適晶片 （ubichip），那能夠學習與演化。這個構想來自於一項更早期的歐盟計畫，POEtic，那開發出一款基於大量同一次單元（即 cell）的處理器。端看目前任務，每個 cell 能藉由改變其初始接線（internal wiring）而改變其功能；在更高的層次上，cell 之間的連線也能夠被建立或破壞。直到目前為止，這樣的彈性只有那些已受到外部程式化（externally programmed）的晶片才能擁有。相較之下，這些普適晶片能自行產生必要的接線。


塑模腦部與文化（Modelling brains and cultures）

研究者表示，普適模組能塑模物理科學中基於網格（grid-based）的問題以及生物系統、社會科學中難以公式化（formulate）的挑戰。例如，他們已利用普適模組來發展貌似生物學上的腦部神經網路模組，並用來研究點子如何在人們之間傳開。

能 以網格或網路具體化的問題通常在稱為代理人（agents）之自主程式的幫助下進行研究，那從網路的不同部份收集與交換資訊。此刻，這樣的交換通常非常基 本，代理人通常把到來的所有資訊通通傳出去。Perez-Uribe 解釋，普適模組所構成的網路，能賦予每個代理人專屬的神經網路。透過詮釋資料以及對它們所傳遞的東西更有選擇性，這些智慧型代理人能產生更好的模型。

此計畫的另一項分支涉及一群小但精練的全地形機器人，它們都裝有普適晶片。研究者在所謂的集體機器人學（collective robotics）領域中開發出一項新策略，其前提是，一群彼此相互通訊的機器人比個別動作的相同機器人更有效率。（想想螞蟻）

在 此例中，研究者觀察搜索機器人如何確定一處重要地點，例如它們得要拾起的物品的聚集點。每個機器會展現出有顏色的標燈（beacon），並配有一具攝影機 能看見其他機器人的標燈。機器人會改變其標燈的顏色以發訊告知它們已成功地找到目標，而鄰近的機器人能複製它們的行為。

結果呈現出標燈顏 色的梯度（gradien），那引導其他機器人朝向目標前進，而不是像你在一處不熟悉的購物商場中，你可能會跟在那些提著特定塑膠袋的人們後面來尋找特定 店面。根據 Perez-Uribe 表示，這種技術對於那些不可能使用固定座標或 GPS 引導的情況大有可為。

反映出 PERPLEXUS 向前看的天性，它受到瑞士、法國、波蘭與西班牙的學術單位控制。PERPLEXUS 的資金來自於第六框架（Sixth Framework）研究計畫的 ICT 標準（FET Proactive）。

※ 相關報導：

＊ PERPLEXUS project
http://www.perplexus.org/

＊ 頭腦晶片？神經運算？神經電腦？
＊ Web 立方 -- 萬物即網路
＊ 從桌燈到「桌面」？ LED 無線網路！
＊ 機器人 動作流暢像人類

＊ 人腦處於混沌邊緣
＊ 研究者破解部份神經元編碼
＊ 簡化的「複雜性」 -- 基因組如何作用的新洞見

英特爾 攻超級電腦晶片

英特爾 攻超級電腦晶片
【經濟日報╱編譯謝璦竹／道瓊社紐約一日電】

2010.06.02 03:19 am


英特爾公司（Intel）31日宣布將開發超級電腦專用的晶片，在單一晶片上最多將內建50顆運算核心，可用來提升特定工作的運算速度。

英特爾打算推出瞄準超級電腦市場的晶片，加上中國的「星雲」超級電腦差點在全球排行中奪魁，這些個新發展顯示超級電腦的技術演變。超級電腦是用於原油探勘、武器設計、解碼與金融模擬等領域的高度複雜運算系統。

過去十多年來，超級電腦通常組合數千顆x86微處理器而成，但近來一種新的模式漸占上風，就是使用增添新功能的擴大版x86，以便同時間多工並進。

英特爾與超微（AMD）等公司為個人電腦設計的x86傳統上有一至八顆核心，即微處理器的電子腦，相較之下，繪圖晶片等專門微處理器通常有數百顆核心，而個別核心的設計較為簡單。

中國奪得運算第二快佳績的超級電腦「星雲」就是一例。星雲採用的英特爾Xeon晶片，是由英偉達的繪圖晶片輔助，運算速度猶如吃了大補丸。

英特爾看準這個趨勢，31日宣布將開發可加速專門運算工作的晶片，這個代號為Knights Corner的新處理器將有約50顆核心，使用英特爾的新一代22奈米製程技術，較目前的32奈米技術先進。英特爾在超級電腦市場的占有率約82%。

英特爾說，這項稱為MIC的新技術是建立在之前的「單晶片雲端電腦」與繪圖晶片Larrabee的研究基礎上。由於生產延滯，英特爾最近已取消Larrabee的開發計畫。

另外，英特爾1日在台灣Computex展上宣布，計劃在2011年初推出平板電腦專用的微處理器。這個代號為Oak Trail的晶片雖是以Atom為基礎，但屬於系統單晶片（SoC），整合了專門的電路系統，可以完整播放高解析度影片，且耗電比現有產品省50%。

【2010/06/02 經濟日報】