第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學
13 掃地機器人的頭腦聰明嗎？
掃地機器人打掃房間時，不但會閃避障礙物，而且即使有樓梯也不會掉落，結束後還會回到固定的地點。這麼聰明的祕密在哪裡呢？
掃地機器人有2種
搭載人工智慧的新型掃地機器人，大致可分成兩種類型。
第一種的動作看起來莽莽撞撞，毫無章法，這種類型是遇到障礙物時就會改變前進路線，同時就像是我們在黑暗中，會伸手探索房間狀態一般，掌握空間狀況。
乍看起來，它的行動像是隨機變換，但是它一邊前進，一面掌握方向，即使同一個地點經過好幾次，也不會有任何遺漏。
第二種類型會事先掌握房間大小和狀況，建立「地圖」，由人工智慧思考移動路線後行動。
這種類型有如具有意志般在房間內直線移動，有效率的進行掃除。因而，這種類型的打掃時間也比較短。
以探測器掌握大略環境的類型
現在市面上銷售的掃地機器人，大多都是用探測儀掌握環境的類型。
這種類型裝有觸碰感測器，超音波感測器或紅外線感測器，接近牆壁或障礙物時即可感應。因此它會一面接近碰觸牆壁或障礙物，一面改變方向，探索房間的狀態。條件反射式行動※1是它的特色。
而且，距離感測器會計算前進的距離、陀螺儀感測器可感應旋轉角度，掌握自己所在的位置。輪子打滑時加速度感測器會檢測到，從而修正行走距離。
以探測器先掌握大略環境，人工智慧再配合狀況，如遇到椅腳時，它便會沿著椅腳周圍打掃。
事先建立地圖的類型
這種掃地機器人使用的技術叫做SLAM※2。
SLAM是一種人工智慧，可同時進行地圖製作（mapping）和掌握置身位置（localization），藉此自行控制移動的技術。
具體來說，它會用光學照相機拍攝房間的天花板和牆壁，或向周圍射出雷射光、超音波和紅外線等，再依靠回傳狀況，測量自己與牆壁的距離，繪製房間的地圖。人工智慧會根據該地圖想出最有效率的移動方法後行動。
因此，它能在房間裡直線移動打掃，宛如具有意志一般。
但是，它所製作的地圖畢竟比較粗略，所以，偶爾也會有碰到椅腳的情形。這時它也會像前一種探測器掌握空間型那樣，在椅腳周圍繞一圈打掃。
換句話說，它就是探測空間型再加上製作地圖功能的掃地機。
掃地機器人為什麼不會從樓梯摔落？
另外，為什麼掃地機器人不會從樓梯摔落呢？其原因就在掃地機下方設置的紅色線感測器。這個感測器會測量與地板的距離，檢測樓梯或玄關的邊緣。
紅外線感測器能檢測出地板的凹凸，所以也能辨別地板與地毯的不同。走在地毯上時會自動提高吸力，也是紅外線感測器的功勞。※3
另外，行走到塵屑較多的地方，它會像是長了眼睛般提高吸力。只不過掃地機器人並不是用攝像頭等的「眼睛」來發現塵屑。
它的吸入口設置了光感應器，會偵測塵屑通過，或是在吸入塵屑時感應它產生的聲音（周波數）變化等，在吸入塵屑後，從感應到聲音頻率高低的不同變化而判斷出此處應有髒汙的狀況。
掃地機器人在清掃結束後，會自動返回充電座，這也是感應器發揮的作用。
充電座會發出紅外線，掃地機器人靠著紅外線的指引返回。紅外線的功能就相當於燈塔。
所以，掃地機器人是靠著各種各樣的感測器，進行清掃作業，不過感測器，還是得靠人類勤加清潔才能正常運作。
※1：自動依環境的條件來調整自己的動作。
※2：Simultaneous Localization and Mapping 的簡稱。
※3：紅外線感應器有對黑色（會吸收紅外線）或透明（紅外線會通過）物體無法正確辨識距離的缺點。因此，會發生碰撞黑牆壁或玻璃的情況發生。
第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學
18 「不沾平底鍋」為什麼不沾？
近年來，許多種平底鍋由於不會沾黏，在烹調上更為方便，而其中最有名的是鐵氟龍加工的製品。為什麼它能不燒焦黏鍋呢？
歸根究底，燒焦沾黏是怎麼形成的？
平底鍋看起來是乾的，但其實表面殘留著極少量的水分，這叫做吸附水※1。當食物放在鍋子上時，吸附水就與食物中的水分接觸，於是，食品中含水的蛋白質或糖與平底鍋的吸附水會相黏而黏在平底鍋上。這個狀態下持續加熱的話，黏著在吸附水上的蛋白質和糖就會開始凝固。這就是造成燒焦黏鍋的原因。所以，只要在鍋子上加工，讓吸附水不要與食物接觸，就不會沾黏了。原理是這樣形成的。
至於普通的平底鍋，通常是倒了油之後加熱，這是在食物水分與吸附水之間形成一層油，用這個方法來防止食物直接接觸。
氟碳塗料是什麼
鐵氟龍使用的素材叫做氟碳塗料※2，而說到氟碳塗料，最有名的莫過於科慕公司（前杜邦公司）在全世界最早開發出來的「鐵氟龍」。其他還有很多種類。每一種都有很多碳原子結合成化學鏈，大量的氟原子像葡萄般連結起來。
加工過的平底鍋，是用氟碳塗料在鋁或鐵製成的平底鍋包覆一層膜，或是混合在金屬裡。
氟碳塗料的特性，對幾乎所有化學藥品，都有安定的耐蘗品性※3，不容易摩擦的低磨擦性※4、把水彈開的潑水性※5等。它不但讓平底鍋表面不再有吸附水，同時也隔絕食物與鍋面直接接觸。因此，便不會燒焦黏鍋。
利用氟碳塗料的特性，不只是平底鍋，也可以用在一般鍋具、電鍋、電水壺、電烤盤、電纜線的包膜、傘、衣服等形形色色物品上。
安全耐久的使用方式
經鐵氟龍加工的平底鍋，在使用上需要注意三點。
(1)不可空燒，(2)不可急速冷卻熱鍋，(3)不要使用邊緣尖銳的鏟子。
鍋子空燒會導致鍋子溫度急遽升高，加工的氟碳塗料分解，有產生氣體，或塗料融化的危險。
而急速冷卻就是造成急速熱脹冷縮，使用尖銳的鏟子則易造成刮傷破壞表面，容易在表面產生裂縫或損傷，使得氟碳塗料脫落。
令人擔心的是，這些氟碳塗料的碎片或氣體，對人體是否有害這一點。
所幸氟碳塗料是非常不易反應的物質，在人體內既不會分解也不會吸收。因此即使吃進去，也會直接代謝掉。
但大量吸入氟碳塗料的氣體，對人體有害。目前已知會引起類似流感的症狀。但是，只要火溫在260℃以下，就不會發生，只要不空燒造成氟碳塗料材料過度高溫就不會產生問題。
※1：吸附在物質顆粒之間的少數水分子。
※2：鐵氟龍是加工平底鍋免於燒焦的材料。
※3：亦即不易腐蝕也不易起化學變化。
※4：亦即材料本身不易被磨損。
※5：亦即與水分子不會產生親和力、不易吸附水分子。
第五章 「尖端技術、交通工具」中拾手可得的科學
48 生物辨識真的安全嗎？
越來越多的智慧型手機和電腦，不再使用密碼輸入，而改用生物辨識來解鎖了。雖然很方便，但另一方面，難道不擔心個人資料的流出或遭到非法利用嗎？
生物辨識的種種
在動作片或科幻電影中，常常會出現先進的系統，利用眼睛的虹膜（瞳孔部分的紋路）或網膜的血管型態來驗證身分的場面。這種身分辨識的方法，稱為生物辨識（biometrics）。
這種技術，是使用我們身體的部分特徵，來驗證身分的方式，像是用攝影鏡頭拍下臉部，或用指紋讀取機掃描手指等。它會抽出眼鼻等五官的位置、形狀，指紋的漩渦、紋路位置、彎曲的方式等特徵，再用電腦比對事前保存的特徵和攝影畫面，進行判斷分析。
Windows10的生物辨識功能「Windows Hello」，則是利用電腦內建的攝影鏡頭，拍攝使用者，或是用指紋讀取機驗證身分，就可以解除電腦的鎖。此外，採用安卓系統的智慧型手機，也有用本人的聲音辨識來解鎖的機種。
最普通的辨識方法是利用指紋辨識，但是，最近也有部分智慧型手機引進虹膜辨識的例子。想必今後也會看到更多運用生物辨識的場面吧。
生物辨識的優點
生物辨識利用本人具備的身體特徵，所以優點是不需要記憶密碼，也不用每次輸入。也不用隨身帶著金融卡或印鑑。此外，卡片或印鑑也有可能被偷，但是偷不了本人的臉和手指。
日本部分銀行運用了這個優點，自2016年開始，進行使用ATM只能指紋辨識的實證實驗。
生物辨識的問題
另一方面，生物辨識又有什麼樣的缺點呢？
我們的臉型會隨著年紀增加而變化，容貌也會因為化妝而有很大的改變。此外，指紋也會因為手指粗糙、手髒而在比對時出現錯誤的情形。
如果調整成身體特徵變化也能辨識的系統，卻又出現與相貌特徵相似者搞混的危險性。
例如，利用臉部辨識的舊型生物辨識系統，無法區別同卵雙胞胎。
沒有偽造或盜用數據的危險嗎？
如果能用大頭照、錄音、虹膜影象、採指紋再重製的假指紋通過辨識的話，偽造就可能比印鑑還要簡單。
我們使用的手機或數位相機，現在解析度都非常高，平常隨手攝影、登在社群媒體上的照片，會不會被人盜用作為臉部、虹膜、指紋等生物辨識的資料呢？有專家如此憂心。
因此，使用從外部看不到的網膜血管、手掌或手指靜脈分布等的系統，也逐漸實用化。
臉部辨識方面，為了克服缺點，也設計了抽出不受化妝或年老變化而影響的特徵，並建立防偽機制。
前面提到的「Windows Hello」，無法用照片或影片通過辨識，並且採取登錄多次數據，以提高精確度的解決方案。藉著這個方法，抽出人類難以判斷的細微特徵，因而具有連同卵雙胞胎都能區別的精確度。還有一種系統能學習增齡產生的變化。
另一方面，臉部照片或指紋樣式保留在處理圖像的系統裡時，一旦駭客侵入盜取的話，很有可能用於辨識同一式樣的系統會一起受害。
因此，現在對資料盜取的防禦措施也提高很多，不再直接保存數據，而是將特徵數值化、密碼化再保存起來。這樣一來，即使數據流出，也能避免遭到違法的使用。
新技術雖然很方便，但不能說百分之百安全，民眾還是要謹慎使用，切勿盲目信賴。
13 掃地機器人的頭腦聰明嗎？
掃地機器人打掃房間時，不但會閃避障礙物，而且即使有樓梯也不會掉落，結束後還會回到固定的地點。這麼聰明的祕密在哪裡呢？
掃地機器人有2種
搭載人工智慧的新型掃地機器人，大致可分成兩種類型。
第一種的動作看起來莽莽撞撞，毫無章法，這種類型是遇到障礙物時就會改變前進路線，同時就像是我們在黑暗中，會伸手探索房間狀態一般，掌握空間狀況。
乍看起來，它的行動像是隨機變換，但是它一邊前進，一面掌握方向，即使同一個地點經過好幾次，也不會有任何遺漏。
第二種類型會事先掌握房間大小和狀況，建立「地圖」，由人工智慧思考移動路線後行動。
這種類型有如具有意志般在房間內直線移動，有效率的進行掃除。因而，這種類型的打掃時間也比較短。
以探測器掌握大略環境的類型
現在市面上銷售的掃地機器人，大多都是用探測儀掌握環境的類型。
這種類型裝有觸碰感測器，超音波感測器或紅外線感測器，接近牆壁或障礙物時即可感應。因此它會一面接近碰觸牆壁或障礙物，一面改變方向，探索房間的狀態。條件反射式行動※1是它的特色。
而且，距離感測器會計算前進的距離、陀螺儀感測器可感應旋轉角度，掌握自己所在的位置。輪子打滑時加速度感測器會檢測到，從而修正行走距離。
以探測器先掌握大略環境，人工智慧再配合狀況，如遇到椅腳時，它便會沿著椅腳周圍打掃。
事先建立地圖的類型
這種掃地機器人使用的技術叫做SLAM※2。
SLAM是一種人工智慧，可同時進行地圖製作（mapping）和掌握置身位置（localization），藉此自行控制移動的技術。
具體來說，它會用光學照相機拍攝房間的天花板和牆壁，或向周圍射出雷射光、超音波和紅外線等，再依靠回傳狀況，測量自己與牆壁的距離，繪製房間的地圖。人工智慧會根據該地圖想出最有效率的移動方法後行動。
因此，它能在房間裡直線移動打掃，宛如具有意志一般。
但是，它所製作的地圖畢竟比較粗略，所以，偶爾也會有碰到椅腳的情形。這時它也會像前一種探測器掌握空間型那樣，在椅腳周圍繞一圈打掃。
換句話說，它就是探測空間型再加上製作地圖功能的掃地機。
掃地機器人為什麼不會從樓梯摔落？
另外，為什麼掃地機器人不會從樓梯摔落呢？其原因就在掃地機下方設置的紅色線感測器。這個感測器會測量與地板的距離，檢測樓梯或玄關的邊緣。
紅外線感測器能檢測出地板的凹凸，所以也能辨別地板與地毯的不同。走在地毯上時會自動提高吸力，也是紅外線感測器的功勞。※3
另外，行走到塵屑較多的地方，它會像是長了眼睛般提高吸力。只不過掃地機器人並不是用攝像頭等的「眼睛」來發現塵屑。
它的吸入口設置了光感應器，會偵測塵屑通過，或是在吸入塵屑時感應它產生的聲音（周波數）變化等，在吸入塵屑後，從感應到聲音頻率高低的不同變化而判斷出此處應有髒汙的狀況。
掃地機器人在清掃結束後，會自動返回充電座，這也是感應器發揮的作用。
充電座會發出紅外線，掃地機器人靠著紅外線的指引返回。紅外線的功能就相當於燈塔。
所以，掃地機器人是靠著各種各樣的感測器，進行清掃作業，不過感測器，還是得靠人類勤加清潔才能正常運作。
※1：自動依環境的條件來調整自己的動作。
※2：Simultaneous Localization and Mapping 的簡稱。
※3：紅外線感應器有對黑色（會吸收紅外線）或透明（紅外線會通過）物體無法正確辨識距離的缺點。因此，會發生碰撞黑牆壁或玻璃的情況發生。
第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學
18 「不沾平底鍋」為什麼不沾？
近年來，許多種平底鍋由於不會沾黏，在烹調上更為方便，而其中最有名的是鐵氟龍加工的製品。為什麼它能不燒焦黏鍋呢？
歸根究底，燒焦沾黏是怎麼形成的？
平底鍋看起來是乾的，但其實表面殘留著極少量的水分，這叫做吸附水※1。當食物放在鍋子上時，吸附水就與食物中的水分接觸，於是，食品中含水的蛋白質或糖與平底鍋的吸附水會相黏而黏在平底鍋上。這個狀態下持續加熱的話，黏著在吸附水上的蛋白質和糖就會開始凝固。這就是造成燒焦黏鍋的原因。所以，只要在鍋子上加工，讓吸附水不要與食物接觸，就不會沾黏了。原理是這樣形成的。
至於普通的平底鍋，通常是倒了油之後加熱，這是在食物水分與吸附水之間形成一層油，用這個方法來防止食物直接接觸。
氟碳塗料是什麼
鐵氟龍使用的素材叫做氟碳塗料※2，而說到氟碳塗料，最有名的莫過於科慕公司（前杜邦公司）在全世界最早開發出來的「鐵氟龍」。其他還有很多種類。每一種都有很多碳原子結合成化學鏈，大量的氟原子像葡萄般連結起來。
加工過的平底鍋，是用氟碳塗料在鋁或鐵製成的平底鍋包覆一層膜，或是混合在金屬裡。
氟碳塗料的特性，對幾乎所有化學藥品，都有安定的耐蘗品性※3，不容易摩擦的低磨擦性※4、把水彈開的潑水性※5等。它不但讓平底鍋表面不再有吸附水，同時也隔絕食物與鍋面直接接觸。因此，便不會燒焦黏鍋。
利用氟碳塗料的特性，不只是平底鍋，也可以用在一般鍋具、電鍋、電水壺、電烤盤、電纜線的包膜、傘、衣服等形形色色物品上。
安全耐久的使用方式
經鐵氟龍加工的平底鍋，在使用上需要注意三點。
(1)不可空燒，(2)不可急速冷卻熱鍋，(3)不要使用邊緣尖銳的鏟子。
鍋子空燒會導致鍋子溫度急遽升高，加工的氟碳塗料分解，有產生氣體，或塗料融化的危險。
而急速冷卻就是造成急速熱脹冷縮，使用尖銳的鏟子則易造成刮傷破壞表面，容易在表面產生裂縫或損傷，使得氟碳塗料脫落。
令人擔心的是，這些氟碳塗料的碎片或氣體，對人體是否有害這一點。
所幸氟碳塗料是非常不易反應的物質，在人體內既不會分解也不會吸收。因此即使吃進去，也會直接代謝掉。
但大量吸入氟碳塗料的氣體，對人體有害。目前已知會引起類似流感的症狀。但是，只要火溫在260℃以下，就不會發生，只要不空燒造成氟碳塗料材料過度高溫就不會產生問題。
※1：吸附在物質顆粒之間的少數水分子。
※2：鐵氟龍是加工平底鍋免於燒焦的材料。
※3：亦即不易腐蝕也不易起化學變化。
※4：亦即材料本身不易被磨損。
※5：亦即與水分子不會產生親和力、不易吸附水分子。
第五章 「尖端技術、交通工具」中拾手可得的科學
48 生物辨識真的安全嗎？
越來越多的智慧型手機和電腦，不再使用密碼輸入，而改用生物辨識來解鎖了。雖然很方便，但另一方面，難道不擔心個人資料的流出或遭到非法利用嗎？
生物辨識的種種
在動作片或科幻電影中，常常會出現先進的系統，利用眼睛的虹膜（瞳孔部分的紋路）或網膜的血管型態來驗證身分的場面。這種身分辨識的方法，稱為生物辨識（biometrics）。
這種技術，是使用我們身體的部分特徵，來驗證身分的方式，像是用攝影鏡頭拍下臉部，或用指紋讀取機掃描手指等。它會抽出眼鼻等五官的位置、形狀，指紋的漩渦、紋路位置、彎曲的方式等特徵，再用電腦比對事前保存的特徵和攝影畫面，進行判斷分析。
Windows10的生物辨識功能「Windows Hello」，則是利用電腦內建的攝影鏡頭，拍攝使用者，或是用指紋讀取機驗證身分，就可以解除電腦的鎖。此外，採用安卓系統的智慧型手機，也有用本人的聲音辨識來解鎖的機種。
最普通的辨識方法是利用指紋辨識，但是，最近也有部分智慧型手機引進虹膜辨識的例子。想必今後也會看到更多運用生物辨識的場面吧。
生物辨識的優點
生物辨識利用本人具備的身體特徵，所以優點是不需要記憶密碼，也不用每次輸入。也不用隨身帶著金融卡或印鑑。此外，卡片或印鑑也有可能被偷，但是偷不了本人的臉和手指。
日本部分銀行運用了這個優點，自2016年開始，進行使用ATM只能指紋辨識的實證實驗。
生物辨識的問題
另一方面，生物辨識又有什麼樣的缺點呢？
我們的臉型會隨著年紀增加而變化，容貌也會因為化妝而有很大的改變。此外，指紋也會因為手指粗糙、手髒而在比對時出現錯誤的情形。
如果調整成身體特徵變化也能辨識的系統，卻又出現與相貌特徵相似者搞混的危險性。
例如，利用臉部辨識的舊型生物辨識系統，無法區別同卵雙胞胎。
沒有偽造或盜用數據的危險嗎？
如果能用大頭照、錄音、虹膜影象、採指紋再重製的假指紋通過辨識的話，偽造就可能比印鑑還要簡單。
我們使用的手機或數位相機，現在解析度都非常高，平常隨手攝影、登在社群媒體上的照片，會不會被人盜用作為臉部、虹膜、指紋等生物辨識的資料呢？有專家如此憂心。
因此，使用從外部看不到的網膜血管、手掌或手指靜脈分布等的系統，也逐漸實用化。
臉部辨識方面，為了克服缺點，也設計了抽出不受化妝或年老變化而影響的特徵，並建立防偽機制。
前面提到的「Windows Hello」，無法用照片或影片通過辨識，並且採取登錄多次數據，以提高精確度的解決方案。藉著這個方法，抽出人類難以判斷的細微特徵，因而具有連同卵雙胞胎都能區別的精確度。還有一種系統能學習增齡產生的變化。
另一方面，臉部照片或指紋樣式保留在處理圖像的系統裡時，一旦駭客侵入盜取的話，很有可能用於辨識同一式樣的系統會一起受害。
因此，現在對資料盜取的防禦措施也提高很多，不再直接保存數據，而是將特徵數值化、密碼化再保存起來。這樣一來，即使數據流出，也能避免遭到違法的使用。
新技術雖然很方便，但不能說百分之百安全，民眾還是要謹慎使用，切勿盲目信賴。
