你为什么没能成为技术“大V?丁老师带你进入数字制造|第四期

(图左为尼尔·哥申菲尔德,右为丁峻峰)

上周,
我们聊了关于数字制造的现在,
我们身边正在发生的故事
丁老师带你进入数字制造 | 第三期:
谁在制造万物?我们该如何制造?
这周,让我们继续深入探讨一下数字制造所需的设备,
看看你没能成为技术“大V”的那些亿点点细节。

一、计算

人类可感知到的最短的时间大概为一百分之一秒,这比一个普通的微控制器时钟速度慢一万倍。就意味着即使正在运作一万多个指令,微控制器也能瞬间做出反应。所以,音频、视频、通信、用户界面等,都不需要专用电路来处理,一个简单的万能微处理器就能搞定。

为了避免实验室在本地制造时产生的化学废料引发一场全球革命,实验室使用了减材加工工艺代替化学刻蚀工艺。一台并不昂贵的高分辨率桌面铣床便可以机械去除电路外围的铜膜。比起能同时去除所有多余的铜膜的刻蚀法,按顺序按照刀具路径切割的铣床的切割速度要慢得多,但这种工艺的最大优点就在于它唯一的废料是少量被除掉的材料,而且既可以不断重复加工同样的设计,也能够轻而易举地使每次制成的电路板都是独一无二的。

Python是一种解释型语言(interpreted language),实际运行时,需要另一个程序将Python语言转换成计算机可以理解的更低阶的指令。计算机需要更多的存储空间来翻译程序语言(即翻译Python语言)和翻译机器语言,同时计算机的运行速度会因为翻译和解读占用了时间而减慢。如果程序中使用的是较低级的编译型语言(compiled language),则无需另外的翻译器。

一个名为编译(compiler)的程序,能将程序语言转换成无需其它程序的情况下计算机就直接运行的指令(即直接将程序语言翻译成机器语言)。理论上看,用解释型语言编写的程序可以被编译,反之亦然,用编译型语言编写的程序也可以被解释。但实际情况并非如此,编译型语言的结构比解释语言的结构稍微紧密一些, 在计算机看来(不考虑程序员),翻译编译型语言更容易一些。

C语言(之所以叫C语言是因为它是由B语言发展而来的)编译器存在并广泛应用于几乎所有的微控制器。每个系列的微控制器都有一套自己能理解的指令。每一条“操作代码”(op-codes)相当于微控制器可以进行的原始操作。

C语言的每一行程序都对所有需要执行的原始操作进行了解压。用这种方法编写的程序叫“汇编语言“(assembly language),因为它们在被加载到微控制器之前必须经过一段汇编程序(assembler)。为了节省空间,汇编程序语言以数字而非文字的形式存储。汇编程序让所有的转换变得简单明了。它亦被称作微代码(microcode),因为它们实际上就是装配在微控制器里的代码。

汇编语言对计算机来说是最容易理解的语言,但对我们人类来说却是最难理解的。它们的程序段一般都很长,运行起来却很快。如果“hello world”在电视机中以视频信号的形式出现,并有一个普通的微控制器用来生成那些高速信号,那么汇编语言在速度和控制时间的优势便能体现出来。因为更快速的处理器成本更高,能耗更多,包装也更大,权衡之下,用更小、更快的程序来承担额外的编程任务还是相当经济的。

二、理解

卡尔波创立了乡村科学学校“科学学堂”(Vigyan Ashram)。“Vigyan”在梵语中指自然科学领域囊括的所有学科;而“Ashram” 则来自于印度古老的教学体系Gurukul (意为“学院”)。在这种教育体系里,学生们离开家来到隐退的学者群体中,并从师于一位开悟的大师。两者结合起来,“科学学堂”就成了隐退而用心思索自然科学问题而非宗教问题的场所。

卡尔波致力于使乡村生活变得合理、可持续且令人向往,从而转变移民的潮流。他不仅建立了学校的教学理念,也建设了学校设备。教学理念就是卡尔波儿时所熟悉的边动手操作边学习知识

他引导学生找到所关心的变量与任何可能的影响因素之间的关系,这样他们就能够独立解答自己提出的问题,比如合适的雏鸡喂养谷物量,或不同农作物各自的灌溉量。这样的方法面临的问题是:他们仅仅可以量化那些可以被测量的事物,而排除了许多由于没法量化,但是他们最感兴趣、最想弄清楚的知识。

信息科技(IT)需要信息,而卡尔波的世界里最重要的信息是这个世界中各种事物的状态。假若科学学堂没有联系抽像和现实的仪器技术,那么信息科技本身也是没有价值的。在这种情况下,适合的技术就是先进的技术。“因地制宜”根据所需来制造各种生活所需仪器,使得他们站在“个人制造”的前列。

三、仪器

传感器的种类几乎达到我们能够想到的各类变量的总数,这既是件好事也是件坏事。数目众多的传感器保证了我们可以计量任何东西,但要做到测量快速精准、价格低廉则需要依靠集艺术和科学于一身的仪器制造。

大多数的测量工具始于一个模拟(连续)电信号(electrical signal)。在理想状态下,温度、电流、光强、加速度等是决定各一个仪器测量值的所有变量。但在现实中,测量中极易产生误差,因此也需要多个传感器的配合使用来校准。

1位A/D转换器是强大测量技巧的绝佳展现,把众多研究变量转换为一个关于时间的函数。不同材料在电场作用下有着不同的反应方式:有的材料可以传导电场,有的材料内部会正向或反向地向着电场排列,有的则把电场储存起来。这些过程都不是瞬间发生的,其速率取决于材料成分的具体特性。所以,材料在电场中的表现情况及其与时间的关系,不仅反映材料数量的多少,也体现了材料的诸多特性。

微控制器里的输入端装有个取样保持放大器(sample and-hold amplifier, 简称S/H)。S/H电路能够快速捕捉高速变化的模拟信号,在AD转换器把模拟信号转换成数字值时保持其稳定。

四、网络

如果说个人制造体现的是人们根深蒂固的对创造的渴望,那么推动个人制造的灵感来源则 是信息交流。世界各地人们得到技术发展的工具后,首要任务就是利用技术帮助他们进行信息的获取和交流。这也促成了一些出乎意料的电信基础建设的创新

一) 夏普——隐匿在印度乡村中“低调”的电子产品制造商

可能对于我们来说电视是一种极其普遍的日用家电,但是在贫困的乡村,这可能是一个难以拥有的“奢侈品”。

但很意外的是在印度的乡村家家户户都有电视是一个很普遍的现象。究其原因,是源于一家生产卫星接收器等原件的小型企业——夏普。

这家集体企业成功地开展了大规模的可持续的科技部署,却并没有强烈的经济动机。他们没有被援助机构或是国外投资相中,他们甚至不是能够参与合资的独立实体。但是,印度的乡村有线网络系统告诉我们,即使是由人际网络维持的非正式组织,只要怀有贴切的动机,也可以创建出像通讯网络这样复杂精妙的作品。

(二)“铃铛”羊身上的灵感——源于挪威北部牧羊人哈肯的奇思妙想

(给羊群身上装定位)

从发现问题到解决问题的过程

难题:“铃铛”并无法解决远距离监控到具体羊的位置的问题。

寻找方法:动手制造远程通信设备。

寻求帮助:专业公司团队(Telenor(挪威国家电信运营商)特罗姆瑟(Tromsø)办公室的比约恩•托斯坦森(Bjørn Thorstensen)和托尔•斯文森(Tore Syversen)的帮助)

成就:源于“四条腿”动物身上的商业价值。

(三)文森特——从现有中寻求突破,“建筑”中的电子通信

文森特·瓜雅作为巴塞罗那新生代建筑师群体中的一员,他追寻高迪的风格并将其运用于当 代的建筑材料:计算机和通讯。

他在巴塞罗那戏剧活动上展示了名叫“媒体房屋”的测试结构。结构背后的愿景是设计中不单单包含机械支撑,也包含一切服务,所以房屋的结构能够传递能量和信息,支持重量

结语:

实践出真知。一位巴塞罗那的建筑师、一名挪威北部的牧羊人和一位印度乡村的有线电视运营商因他们创建通讯设施的角色而联系起来。每个例子都阐明了个人以及社会制造的一个组成部分:草根电子产品生产与散布、由商品部件组成的全连接网络、计算与通讯和221功能性材料的结合。

在所有这些的交汇处,我们可以找到与高迪的优雅、宝莱坞的戏剧、灵根雪山的壮丽相匹配的技术工具。

五、通信——机器语言发展的进化史

机器之间的沟通与人类交流一样,需要互相理解、礼貌和时不时的妥协。个人制造沟通能力是我们与另一个“科技”维度的世界沟通的关键,而个人制造沟通能力塑造的第一步就是确定信息的描述方式。

六、艺术与炮火——在美丽与危险边缘寻求突破

在社会的发展进程中,无论是前线最危险的军事地带,还是充斥艺术气息的艺术文化博物馆。他们在满足自身创新发展的过程中,均体现了对于信息访问与交互的需求。

特里——艺术展中有趣的“圆桌”设计

如何使信息查询由无趣的孤单体验转变为“令人耳目一新”别样方式,现代艺术博物馆(MoMA)的建筑展中能找到答案。告别以往简单枯燥的计算机查询,让计算机转化为“别样的形式”出现。在创新的“圆桌”式设计中,人们可以通过各种交互式的方式感受到来自艺术展览馆别样的特色与魅力。无论是对于活动创办者还是参观者都是一次不一样的经历。

苏伽特——“墙中洞电脑”背后的人机互动界限的突破

(孩子们正在研究这台“墙中洞电脑”)如何不用键盘将所要表达的文章输出?几个孩子仅仅通过自己的“细致研究和探索”研究出输入方式。苏伽特惊叹于孩子们的较强学习能力,但这背后是突破了财富差距,知识可以无界限的自由共享。墙中洞电脑周围的人们没有穷富之分,只有“知者”和“不知者”、会使用计算机和不会使用计算机的孩子们。

阿琼——战区中孕育出的“Sadbhavana 项目”

 (阿琼·雷将军)一个武将可能只懂得握得住手中武器以及战场上的“排兵布阵”,但对于其他领域则是一种漠不关心的态度,阿琼·雷将军则不同。雷将军希望为这些与世隔绝的社区提供联网电脑,用于教育、医疗、通信和商业,并使其与世界其余地方相连接。如果少投几颗额外的炮弹,他就能力担负这些社区投资。短期内争取到世界和平是不现实的,但是为那些那些受苦难的人民谋得与外界交流的机会确是一个可以实现的目标和理想。
结语:从纽约艺术博物馆到德里贫民窟再到喜马拉雅村庄,采用新兴技术以满足当地社区需求也 许将不只是有远见的先驱者们所从事的活动,而会成为社区内和社区间一种常见的能力。铸剑为犁也许是个不切实际的梦想,但没有广泛可获取的工具,这将是一个不可能实现的梦想。

七、互动

“Hello world”背后的人机互动

LED灯的出现:

LED 是电灯泡的替代品,因为它们更小,更有效,持续时间更长,它们也变得更便宜。因为白炽灯是靠加热灯丝来发光的,大部分能量都以热量的形式损失掉了。LED 做的就像是使“电子滚下山坡”;当电子达到底部时多余的能量就能充分转化为光能。

LCD出现

紧随其后,液晶也逐渐出现在人们的视野。

原理:因为分子能移动,液体周围施加的电厂就能延它们所指的方向旋转。穿过这液体的光会试着跟随分子的方向,根据光的方向确定是传输还是阻挡。夹在一束像素电极和光滤网中的液晶层作为了反射层或传输层。

电子墨水:

通过一些含有墨水的微型胶囊,和大一些的来自电极的锯齿边缘的像素,来施加电场使得黑色和白色的颗粒上下震动。

为大众媒体的政治与经济敏感性,影像标准是全球的地缘政治的技术上的反映。由于电视在 1950 年代走入了千家万户,对全球化的美式制式的不满使得许多许多发展了自己的方法。,多个国家均开辟了独属于自己国家的影像标准来区别与其他国家。

扬声器:

人们在不断向前发展影像电路时,也不仅将自己局限于此,扬声器的发展将电视又转变成可看可听的设备。

扬声器是一件模拟设备,用来对持续的电压作出反应。为了播放数字信息,处理器需要用到数字模拟转换器(digital-to-analog converter),即 D/A,与 A/D 相反。芯片的快速运行与扬声器的缓慢之前的巨大差距大大简化了转换过程。处理器能够迅速地开关字节,调整时间段。这叫作脉冲宽度调制(PWM)。

智造: 一场新的数字革命
[美] 尼尔·格申斐尔德(Neil Gershenfeld) 著
丁峻峰 等译 
出版社:同济大学出版社

结语

任何事物都是由无到有的发展变化着。每一个事物身上都有无限开发的潜力与乐趣,人的潜力是无限可以开发,只要有心去探索,还有很多未知事物值得我们去探寻。

这两周所讨论的内容着实反映了现实的情况。这里描绘的人、项目和过程是今天所能实现的一切可能性的缩影。他们就像是移动中的靶子,即便相关领域中现在作出的努力最终未能实现,最终成果的细节也将与设想的会很不一样。但是,人类成长的方式和自然界的发展法则还是不会改变。这里所展现的人类基本需求和机器的运行机制是永恒的,可以在未来很长一段时间内被参考

如何将无形的灵感构想转化为一个个具体生动的实物发明?如何将每一个“天马行空”的梦“落地生花”,绽放出不一样的绚丽色彩?灵感激发,动手去创造!奇迹每天都会发生!而这背后需要我们每一位医生、工程师或者设计家以及来自各种不同职业的“创新家”。如今,地球家园正面临严峻挑战,需要我们的“创新家”乘坐FABO飞船出发前往“蓝色星球”完成任务。具体是什么任务呢?让我们一探究竟吧!

任务:蓝色星球
MISSION TO THE BLUE PLANET

FABO飞船在探索宇宙、发现新知识的时候收到了求救的讯号。气候变化、污染严重、资源枯竭,还有一种新型病毒正在传播致命疾病,地球面临危险,正在寻求我们的帮助!

这次的新任务要让我们回到家园:拯救蓝色星球!

FABO正招募热心的年轻英才们组建一个团队,来解决地球的问题。

FABO创建了一个多学科课程,让我们的年轻一代有能力去解决这个时代的一些重大问题。通过掌握解决问题的技能、学习技术知识、进行基于项目的实践,FABO学员将拥有设计师的思维模式,具有极富创造力的信心和创新的思维,成为改变世界的人

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你的任务:拯救蓝色星球——FABO双语高科技STEAM夏令营出发了

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