***生命科學閱讀之 4 ***

世界從何而來，生命從何而來，心智從何而來？
量子科學是否能夠解釋這一切？
（有中文版）

“There‘s Plenty of Room at the Bottom" — Richard Feynman
（在最底下的微小的世界中，還有很大的探索空間— 諾貝爾物理學獎得主費因曼）

這是去年第一波疫情期間宅在家買的書，當時覺得如果牛頓在家工作期間可以發展出微積分的概念，那我只是嘗試了解量子科學應該還好吧？可是心裡還是有覺得困難的障礙所以就拖到今年這波疫情，跟著其他生命科學相關的書一起讀。有點難度，但真的好有趣。讀完真的覺得對於感覺困難的東西，不要太快自我設限啊！

這本算是難度比較高的科普書籍，但作者盡量用我們一般人可以理解的現象當成切入點。在我們肉眼可看到的世界牛頓的物理學基本上都是可以充分解釋的。當愛因斯坦把思考的框架拉到整個時空，就發現在那個世界當中古典物理學的概念不能解釋，於是產生出他的相對論。而當我們反向進入極為小的世界當中，發現量子完全不是按照我們平常的邏輯在運作時，感覺又開啟了一個嶄新的世界觀。20世紀初著名的物理學家薛丁格，提出所謂「薛丁格的貓」這個思想實驗，就是已經進入到量子物理學的開端，讓他開始思考是否在更微小的量子級別當中，他們有一套截然不同的運作原理呢？接下來數十年開發出的實驗方式和測量儀器當然就更精準了，看到了量子可以跳動，可以有類似穿牆的能力，甚至可以同時擁有好多不同的狀態（不是只有0和1）。我們真的需要開始跳脫數位的思考，進入量子的世界，才有可能揭開它無窮的潛力。

首先他從候鳥遷徙的故事開始講到基因，這個攜帶生命資訊的程式，到底是如何延續下去以及當中如何產生變化的。我們現代的人比較了解基因和DNA一代一代抄寫下去的概念，可是對於中間變異或是凸槌（例如癌細胞）的部分，卻一直沒有夠好的解釋。記得小時候自然課會講到演化，常常會舉的例子就是那個脖子可以伸最長的長頸鹿才能吃到葉子所以適者生存。從某些角度來講是有它的道理，但脖子在伸長的資訊為什麼這樣的資訊會傳到下一代呢？作者用量子物理學補足了這樣說法當中一些論證不足之處。

再來就是講到能量和動能，即便我們能組合出所有需要的分子，但是所謂的「生命力」是從何而來呢？我很新奇的讀著作者講到大自然中，小學生都知道的「光合作用」，竟然是這麼一個不可思議，效率極高的動能引擎。從工業時代設計的蒸汽機，或是現代的燃油引擎，以及最尖端的發電動能，都無法與光合作用的效能相比。

最後講到人的心識思想和做夢，這是古典物理學完全不能解釋的。作者先帶著我們把人腦和腦細胞想成是類似電路的概念解釋，然後在討入量子物理學驅動實體世界的觀點，才發現原來我們的人腦可能就是一個設計令人讚嘆的量子電腦啊！經他這麼一解釋，我也才稍微明白量子電腦為什麼會有這麼大的潛力，但也明白量子電腦現在為什麼這麼難模擬和製作。

作者最後用一個很有趣的圖來比喻古典物理學和量子力學中間的關係。如果說我們生活的這個實體世界像是航行在海上的一艘船，這艘船受到海面上的浪以及外面的風所影響。但船底下的這個還是深不可測的，他下面有一大部分的底層是由熱力學來支撐的，熱力學底下就是量子物理力學。當上面船隻的航行和節奏與最底層一致的時候，即便有風浪也還算能夠平靜行駛。但是當這樣子的連結被打斷的時候，船就很容易覆沒，而一旦覆沒，也是一個不可逆的現象了 （例如基因突變或是死亡）

探索世界無止境的奧秘，不管是物理，化學，天文，還是生命科學，總會有一種敬畏的心。就像牛頓所說的 :

“我不知道世界怎麼看待我，但我認為我就像沙灘上玩耍的一個男孩，投入在探索中。偶爾會找到一個圓滑的石子，或是一個不尋常的漂亮貝殼。而在我的前方一片像是汪洋大海的真理，等待探索”

“I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all undiscovered before me”

全文與中文版鏈接在部落格中
https://dushuyizhi.net/life-on-the-edge-%e8%a7%a3%e9%96%8b%e7%94%9f%e5%91%bd%e4%b9%8b%e8%ac%8e/

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彩色電子紙來了！除了電子書閱讀器外，在物聯網的應用場景更廣泛

HaopengHaopeng 發表於 2021年6月22日 09:00 2021-06-22

彩色電子紙來了！除了電子書閱讀器外，在物聯網的應用場景更廣泛

一般大眾對於電子紙的認識，大多來自電子書。這幾年許多電子書閱讀器投入台灣的市場，讓大家對於電子書閱讀器所使用的電子紙有了更多的了解。但電子紙能做的事情，不是只有電子書閲讀而已，而是試圖要取代紙張。

現在全世界每分鐘大約消耗了2千萬張A4大小的紙張，換算下來大概是100公噸的重量；而每生產1公噸的紙張，需要20棵生長20-40年，直徑16公分，高8公尺的樹木。從這簡單的數字中，我們大概就可以看出人類因為紙張的需求對於森林的砍伐有多麼嚴重。

20多年前個人電腦剛進入消費市場時，「無紙化辦公室」這個口號喊的震天嘠響。但20多年過去了、人類對於紙張的使用則是有增無減；手寫時代寫錯字大多用修正液修改，沒人想花時間再重抄一份；但到了電腦時代，哪怕只錯了一個字就可能電腦修改完後重新再列印一份，這導致紙張的使用不減反增。

不過隨著電子紙技術的進步，現在有可能可以朝著「無紙化」再前進一步。現在的電子紙的發展有什麼值得我們關心的嗎？

電子紙特性：反射式和雙穩態

電子紙的技術有很多種，像是電泳式、液晶型、微機電型.......等。但目前技術最成熟，商品化最成功的，就是元太科技電泳式電子墨水技術，目前超過九成的市場佔有率。

電子墨水是一種液態的材質，在這些液態材料中懸浮著成千上萬的微膠囊，每個微膠囊的大小差不多等於頭髮的直徑。然後將這些「墨水」透過開發的技術「印刷」到相關的介質表面，再貼覆上薄膜電晶體（TFT）電路，經由驅動IC控制，形成像素圖形。

一般大眾覺得電子紙有二大好處，分別是「護眼」和「省電」，而這就有依賴電子紙的「反射式」和「雙穩態」這兩個特性。

反射式讓電子紙和一般紙張一樣，需要有外在光源才能透過反射看見畫面，所以可以在戶外和陽光閲讀，成像後畫面不閃爍的特性也和紙張一樣，因此長時間閲讀眼睛比較不疲勞。而雙穩態則只有在元件被驅動時才會耗電，成像後顯示的靜態畫面並不使用電力，直到下一次更換顯示畫面時。簡單的說就是「持續顯示不耗電」。

雙穩態省電

我們所熟知的黑白電子墨水的面板中，會幾百萬個微小的膠囊，每個膠囊裡都有帶負電的白色電子墨水粒子和帶正電的黑色電子墨水粒子，利用正負相吸的原理，當電場接通時，對應的黑色粒子或白色粒子，就會被吸附到面板的頂端，我們就可以在面板上看到黑色或白色。

利用這種方法，就可以在面板上排列顯示出我們所需要的文字或圖形。而一旦電子墨水排列固定後、就不需要使用電力，一直到下一次需要更換排列時墨水粒子，因此電子紙螢幕比起LCD的螢幕省電許多。一般說來，電子書閱讀器，在特定條件甚至使用長達14天，這是一般利用手機閱讀辦不到的續航力。

反射式護眼

電子紙並不主動發光，所以你想看淸楚電子螢幕上所呈現的畫面，需要外在的光源，如同一般的書籍一樣。因此說電子紙護眼，其實是相對於LCD螢幕而言，因為LCD螢幕有個背光模組持續的發光，當你看電腦或手機螢幕時，光源是直射你的眼睛，因此有些人長時間看電腦或手機螢幕會覺得眼睛容易疲勞，加上光譜中最短波長最高能量的藍光問題，讓需要長時間閱讀人會選擇使用電子紙的產品。

現在的電子書閱讀器都有閱讀燈的設計，這在早期的產品上是沒有的。早期的電子書閱讀器就如同真正的書本一樣，沒有外在光源就沒法看，但這顯然會讓電子書閱讀器的使用場景很受限，因此後來的電子書閱讀器才加上了閱讀燈的設計。

但電子書閱讀器的閱讀燈並不是像LCD一樣加上背光模組，而是在螢幕的上方加上燈光照射，如同打開桌燈一樣，是反射式的。所以相較之下，對長時間閱讀的人來說，眼睛會比較舒服一點。

彩色電子紙：Kaleido及E Ink Spectra

彩色電子紙的發展已經有許多年的歷史，但一般大眾也大多是因為彩色電子書閱讀器才開始注意到彩色電子紙。長期以來電子書閱讀器只能顯示黑白的畫面，對於雜誌或是食譜之類的書籍來說顯然是不夠的，因此不斷的有讀者希望能夠推出彩色的電子書閱讀器。

而這二年，也開始有使用彩色電子紙的閱讀器出現在市場上，但因為顯像原理的關係，解析度從黑白的300 PPI下降到100 PPI，因此看起來就沒有黑色電子紙那麼細膩。一般會需要彩色電子紙的閱讀環境大多是雜誌這種有許多照片的版式書籍，因此需要更大尺寸的螢幕。但大螢幕加上低解析度，在閱讀上就會是場災難，因此市面上目前的彩色電子閱讀器目前大多以小尺寸居多，除了成本的考量外， 螢幕的解析度也是重要的考量。

但彩色電子紙技術出現擴大了電子紙的應用空間，讓電子紙不再侷限於閲讀的環境，而可以更進一步的和物聯網結合。目前元太的彩色電子紙主要有Kaleido、E Ink Gallery和E Ink Spectra這幾個系列。

Kaleido

Kaleido微膠囊電泳技術呈現彩色的方式是在黑白粒子的上方，再加上一層RGB的彩色濾光片（CFA）技術，透過光線的反射來呈現不同的顏色，再利用RGB這3原色來混合出其他的顏色，最高可以呈現4096的色彩，灰階的部分則是16階的灰階顯示。新的Kaleido Plus彩色濾光片則比前一代的Kaleido產品更輕更薄。

但因為必須透過光線的反射才能呈現出色彩，所以在使用彩色電子紙的產品時，前光都必須開足，反射出來的顏色才會愈淸楚。因此在閱讀彩色電子書時，閱讀器的閱讀燈基本上都必須打開，很多使用者甚至都會把閲讀燈開到最亮。

E Ink Spectra

Spectra的色彩呈現方式則和Kaleido不太一樣，Kaleido是在黑白粒子上再加上彩色濾光片，但Spectra微杯電泳技術則不使用彩色濾光片，是在原有的黑白粒子外再加上不同顏色的粒子來呈現色彩。

E Ink Spectra 3000在原有的黑色和白色粒子之外，再加上紅色的粒子，是一款三色電子紙；而Spectra 3100則會在黑、白、紅外，再加上黃色的粒子，是一款四色電子紙。

Spectra透過電壓的控制讓不同顏色的粒子出現在面板的上方，排列出需要的圖案。但因為不像Kaleido需要透過彩色濾光片的反射，反應出來的是粒子的純色，顏色的飽合度會更好，同時4個顏色的粒子混合後、可以呈現多種顏色，所以適合用在廣告或大型海報。尤其紅色和黃色顏色非常鮮明，也很適合應用在零售業的環境。

電子紙新應用：零售智慧化

電子紙除了我們所熟知的電子書閱讀器，隨著IoT的興起，電子紙有了更大的應用空間。網路電商興起後，如何推動零售智慧化，讓線上、線下有更多的整合一直都是店家思考的方向。電子商務標錯價錢的事件層出不窮，當實體賣場遇到特價時，更換價格標籤則要花去大量的人力和時間。

去年因為疫情的關係必須減少人和人的接觸，員工也儘量輪班上工，因此人力更為吃緊。在這種情況下，之前已經裝設了電子標籤的店家，開始享受它所帶來的好處，可以把寶貴的人力使用在服務客人等其他更有意義的地方。

貨架的電子標籤

台灣便利商店的密度之高，應該是全球之冠，以今年二月的統計數字來看，台灣有12,093間的便利商店。台灣便利商店的店員之能幹大家有目共睹，要結帳、補貨、應付各種繳貴，但其實更換貨架上的標籤，是很瑣碎的工作，也花去許多時間。

以一個有六萬個品項的大賣場為例，平均有20％的品項每二周就會輪流的降價促銷，這意味著工作人員經常性的要為12,000個品項更換售價標籤，然後等到促銷結束，又要更換回來。每次更換標籤就需要花去6個小時的時間。

除著去年的疫情升溫，許多零售業儘量減少工作人員到店，以減少感染的機會。在這樣的情況下，許多零售業開始使用電子標籤來減少無謂的人力耗損，希望能把寶貴的人力拿去對客戶做更好的服務，而不是更換標籤。

每個電子標籤都會有一個獨立的識別碼，控管系統可以一次對每一張電子標籤的內容個別修改和調整。不僅大幅度的縮短更換標籤的時間、也減少人為作業可能產生的錯誤。

運送箱的物流標籤

電商這幾年的成長一直都很迅速，去年開始的疫情讓許多的使用者更選擇電商的服務。但大量的紙箱也造成紙張的浪費。歐盟規定從2030年，所有的紙箱都要能夠再重覆利用，許多的廠商也在材料改良和商業模式在做調整。但目前唯一還沒有辦法解決的，就是貼在運送箱上的物流貼紙。除了不利於重覆使用外，物流人員清理箱子上的殘膠也要花費大量的力氣。

目前大部分的物流貼紙仍然都是紙質的貼紙，沒法重覆使用。但使用電子紙的物流標籤可以解決物流標籤重覆使用的問題，而且電子標籤結果其他的感應器後，可以即時得知物品的位置；甚至收貨後，只要按個按鈕就會自動通知相關人士去取回箱子

E Ink能否替代LCD螢幕？

雖然E Ink主要的目標是取代傳統紙張，但對於一般的使用者來說，難免會拿來和常見的LCD螢幕做比較。既然電子紙有護眼的特性，對於上班時需要長時間盯著螢幕看的工作者來說，如果把電腦用的螢幕換成電子紙的產品，不是更好嗎？

但是E Ink因為技術原理的關係，螢幕更新速率沒有那麼快，所以大家最常接觸的電腦螢幕和手機螢幕大多是使用LCD的產品。但是其實仍然有少部分的廠商開發了使用電子紙螢幕的手機和電腦螢幕，但其實都比較像是概念性的產品，較少被大眾所接受。

最早推出E Ink手機的是2010年的俄羅斯手機YotaPhone，它是一款雙螢幕手機，手機的一面使用LCD螢幕，另一面則採用E Ink。這款手機的銷量並不出色，2016年開始轉入中國發展，並在2017年推出YotaPhone 3，但是仍然沒有什麼起色，Yota在2019年宣布導閉。

不過E Ink手機的概念開始有幾家中國廠商推出，像掌閱推出過4G的電子墨水手機，而海信更是在去年推出使用彩色電子紙的5G手機，也有廠商推出電腦使用的電子墨水螢幕。雖然電子紙的反應速率仍然比不上LCD螢幕，但現在有廠商推出25.3吋的電子紙顯示螢幕，透過粒子調控技術，讓反應速度大幅加快甚至可以播放動畫，雖然仍然不及LCD來的快，但已經相當適合文書與程式開發者使用，對於有乾眼症的患者來說更是一大福音。

雖然說現在的電子紙也有閲讀燈的光線設計，不同於LCD的背光的直接照射，電子閲讀使用的是「前光」也就是光線是從上方照射電子墨水層，再依靠反射來呈現。因此即使是內建了閲讀燈的裝置，它仍然保有了護眼的特性。

但整體來說，在播放影片或是需要快速反應時，E Ink還是比不上LCD，但反射式的特性，讓使用者在長時間使用時，眼睛會舒服一些。



電子紙未來應用更廣
電子紙並不是個新科技，它發展的時間幾乎和電腦一樣長，有30年的歷史了。在這段時間中，一般民眾習慣於電腦螢幕和手機螢幕，電子紙常被拿來和LCD做比較，反而突顯不出電子紙的特點。

Amazon 於2007年底推出第一款的Kindle之後，電子書閲讀器輕薄容易攜帶、可以儲存大量的書籍和省電可以長時間閲讀的特性讓電子紙開始被大眾認知。2017讀墨推出台灣第一款本土自製的電子書閲讀器mooInk後，也在2021年推出彩色的電子書閲讀，在這4年之間，台灣民對電子紙的認識也愈來愈多。

除了護眼、省電、輕薄之外，可折疊彎曲的特性，讓電子紙可以印刷在不同的表面上。隨著5G和物聯網的到來，大家未來看到電子紙的機會，將會比現在大得多。

可折疊可捲曲
電子紙的優點，除了我們之前說的護眼、省電和輕薄外，還有一個優點就是可以折疊、彎曲。

這是因為電子墨水的膠囊是液態，所以比LCD螢幕更容易做成可折疊的產品，不受物體表面形狀的限制。

以目前可以看到的應用來說，像是手錶的錶面可以顯示相關資訊，也可以打洞。或是國外也有人把電子紙縫製在帆船選手的運動服的前臂上，讓選手在激烈的動作中，仍然可以看到大會所發送的各種資訊。

https://youtu.be/aC5gb9yM8I4

▲可摺疊的彩色電子紙。

https://youtu.be/RijO7oY8k3M

▲可捲曲的電子紙。

https://youtu.be/KCZnNSOzMkU

▲這些公車站牌是可以著不同公車進站的時間，動態更新資料。

表單電子化

在我們的生活經驗中，有許多的場合都需要填寫大量的相關資料，許多行業的表格填寫都是以紙本為主，像是保險的保單、就診時的表格或是銀行開戶時填寫的各式表單。新北市一個衛生所一年會填寫8,400張的表格，永豐銀行一年125個分行印出來的紙張加起來有2個101大樓那麼高。

這些表格除了填寫之外，按照法規，有許多還需要保存七年之久。存儲這些文件的空間和條件都有一定的溫濕度要求，更別說真要查詢調閱多年前的資料時，搜尋調閱也是一個大問題。

電子紙近年來最大的改變，就是加入了「手寫」的功能，因為加入了筆，讓電子紙在取代紙張上又向前跨進了一大步。而「儲存」和「搜尋」剛好都是數位化的強項，因此新北市衛生所和永豐銀行都開始讓民眾和客戶都已經開始使用電子筆記來做這些記錄。除了節省紙張外，也大大的降低了儲存的難度和提高搜尋的便利性。

附圖：▲ 這張圖片可以很好的說明雙色電子墨水的原理 （圖片來源：元太科技）
▲ 因為反射式的特性，所以在大太陽下畫面仍然清晰可讀。
▲ 電子書閲讀器是一般民眾最熟知的電子紙應用
▲ 目前彩色電子書閲讀器使用的，大多是Kaleido的技術。
▲ Kaleido是在黑白粒子的上方，再加上一層新的RGB的彩色濾光片（CFA）技術，透過光線的反射來呈現不同的顏色。（圖片來源：元太科技）
▲ 目前彩色電子書閲讀器使用的，大多是Kaleido的技術。
▲ 彩色電子紙也可以應用在可重覆使用的員工識別證上。
▲ E Ink Spectra微杯電泳技術不使用彩色濾光片，是在原有的黑白粒子外再加上不同顏色的粒子來呈現色彩。（圖片來源：元太科技）
▲ 使用彩色電子紙製作的桌牌。
▲ E Ink Spectra 3000在原有的黑色和白色粒子之外，再加上紅色的粒子，是一款三色電子紙。（圖片來源：元太科技）
▲ 使用彩色電子紙製作的桌牌。
▲ 可重覆使用、更換的展示桌牌。
▲ 色彩鮮明，飽和度高的微杯技術很適合應用在桌牌或是廣告展示。
▲ 電子標籤可以省去更換大量貨架標籤的時間，把寶貴的人力用在服務客人。
▲ 電子標籤方便管理又可重覆使用的特性，在這波疫情中受到很大的歡迎。
▲ 2010年推出的俄羅斯手機YotaPhone，是一款雙螢幕手機。正面是LCD螢幕，背面是電子墨水螢幕。
▲ 透過這張圖，我們可以清楚的看到即使內建了閲讀燈的裝置，電子紙的光線仍然是來自於反射，因此還是保有護眼的優點。（圖片來源：元太科技）
▲ 2010年推出的俄羅斯手機YotaPhone，是一款雙螢幕手機。正面是LCD螢幕，背面是電子墨水螢幕。
▲ 使用彩色電子紙的手機
▲ 有些廠商開發的技術，可以讓顯示的螢幕更新速度幾乎可以媲美液晶螢幕。
▲ 手錶的錶面使用電子紙，可以在螢幕上打洞安裝指針；在太陽光下也可以很清楚的看見錶面上的訊息。
▲ 彩色電子紙也可以拿製作可重覆使用的員工門禁卡或訪客通行證。
▲ 電子墨水畫廊使用 ACeP全反射式的彩色電子紙，透過帶色的粒子，實現了包含八種原色的全色域顯示效果。可以使用在公共看板或是零售業促銷看板。
▲ 部分銀行和醫院已經開始使用電子表單來取代傳統的紙張。

資料來源：https://www.techbang.com/posts/87328-colored-electronic-paper-is-coming-in-the-age-of-the-internet?fbclid=IwAR2uJghIo-xDa7fZ3uGJ6OvgBt1ARznUiFcuBMON24C0-WcNViM9v9a9oqg