擁有水電工執照與人文精神的電腦科學家：希維塔克·帕特爾

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鯊奇事務所 Sharkie-Studio

11 min readApr 6, 2021

希維塔克·帕特爾（Shwetak Patel）為電腦協會計算大獎（ACM Prize in Computing）2018 年的得主，該獎項為電腦科學界僅次於圖靈獎的獎項，與費爾茲獎相同都有 40 歲以下的年齡限制，帕特爾獲獎時僅 37 歲。獲獎原因是帕特爾對於人類健康與永續生活，發展出創意與實用性兼具的感測系統。

帕特爾不僅擁有大學教授與創業家等多重身份，他還擁有合格的水工與電工執照。現為華盛頓大學計算機科學與工程和電氣工程的特聘教授，同時也是 Google 健康科技部門的執行長（Director of Health Technologies, Google）。他曾經創立過 Zensi家居能源監測公司（2010 年被 Belkin 公司收購），以及 Senosis Health 健康檢測公司（2017 年被 Google 收購）等。

接下來，就來介紹帕特爾改變世界並且獲得電腦協會計算大獎的研究！

智慧家居能源監測系統

家家戶戶每個月收到帳單時，都知道家裡的用電量以及對應的費用，然而我們並不清楚是用在哪些方面。若是能收到每個月使用能源與用水的效率報告，就能夠讓人們了解自己的行為模式，進而採取行動增加能源效率與節省荷包。但是，要即時監控家居的能源消耗，一般來說需要裝設非常多感測器才可能辦到。

帕特爾成功發展出一套智慧家居能源監測系統，透過行動裝置就可以監控即時的耗電量與用水量。他發展的 ElectriSense 系統（用水則是 HydroSense 系統），利用既有的電路加上一個感測器（single plug-in device），就能把各種電器發出的高頻電磁干擾雜訊（high frequency EMI noise）當作訊號辨識對應的來源。

(以iPad呈現建築物中每個電器即時的用電百分比)

這套系統的發展，源自於複雜的電子交換特性與不同電器都會產生的雜訊，帕特爾藉此建立一套理論模型分析電器開關（稱為事件）的雜訊，並由使用者協助機器學習的程式訓練，最終發展出一套精確的預測系統。這套系統的精確度，甚至可以藉由輕微的公差來區分型號相同的電子產品。

考慮到感測器的易用性與持久性，帕特爾發展出可以維持 25 年、低耗電的無線感測系統與晶片（Sensor Nodes Utilizing Powerline Infrastructure, SNUPI），不需要經常替換非常方便。

更棒的是，一般人都可自行安裝，不需要專業的電工協助。未來這整套產品也可能推行至美國以外的地區，讓全球的家庭了解他們的詳細用電情況，進而改變人們的認知與行為，達成節約能源的永續目標。

用手機監測個人健康

人們通常要等到不舒服才會去醫院看病與檢查，過一陣子才會收到檢測報告，才被迫了解自己的身體狀況。現代的穿戴型裝置讓人們開始主動了解自己的健康狀態，除此之外，我們還有其他更好更深入的方法嗎？

帕特爾這幾年的研究領域包括了行動裝置於醫療上的應用。利用手機的 APP 與各種感測器監測個人健康狀態（personal health monitoring），在螢幕上就能立即看到結果，要進行定期與連續的監測也十分方便。

以 SpiroSmart 這個APP來說，它的操作非常簡單，不需要額外的硬體設施，只要對著手機裡的麥克風吹氣，手機會偵測受測者聲音裡的壓力波，自動轉換成即時圖形，就可以監控肺部功能是否衰退以預防慢性疾病。

像這類的檢測，傳統上一定要到醫院才能完成：受測者要對著肺量計 (spirometer)用力吹氣，以呼出的流速與容積（flow-volume）進行肺功能指標判讀。若偏離下圖的白色線段，便可能是這三種疾病的前兆，分別為哮喘 (Asthma)、囊腫性纖維化 (Cystic Fibrosis，CF)、慢性阻塞性肺病 (Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)。

那麼，SpiroSmart 是怎麼做到類似的功能的呢？這跟一個「雜訊」有關：講話時會產生的聲道共振（vocal tract resonances）。過去數十年開發語音辨識演算法（speech recognition algorithms），都將聲道共振視為雜訊，希望盡量排除。但關鍵的地方就在這裡：聲道共振實際上與受測者呼出的氣流成比例關係。因此藉由聲帶的物理模型加上深度學習聲道共振的資訊，就能夠反推回受測者呼出氣體的流速─容積曲線。也就因此，用手機與麥克風就可以模擬肺量計了。

面對有人質疑手機APP的準確率，帕特爾表示 SpiroSmart 與原本價格 10 萬美金的肺量計相比的誤差為 5–10%，與美國食品與藥物管理署（FDA）對肺量儀的誤差容忍相同。表示技術上完全可以用手機 APP 取代醫院的儀器；然而要說服民眾相信一個 APP 可以是個醫療裝置，需要透過更多的科學教育與科學普及才有可能達成。

除了以上的案例，帕特爾的普及運算研究室還開發了許多醫療相關的手機 APP，像是以深度學習辨識咳嗽的CoughSense、把手指放在鏡頭前方檢測紅血蛋白（HemaApp）、在新生兒皮膚上放上色卡搭配鏡頭檢測黃疸（BiliCam）、利用陀螺儀檢測骨質疏鬆症（OsteoApp）等實用又創意的專案。

「你的雜訊就是我的訊號」 Your noise is my signal.

這句話貫穿了帕特爾的整個研究生涯，無論是從早期的智慧家居能源感測到近來的個人健康監測。這樣的創意是源自就讀喬治亞理工學院博士班時期，他花了許多時間進行許多跨領域的研究，當某個研究方法行不通的時候，卻有可能作為另一個研究的靈感來源與解決方案。因此把一般研究者亟欲排除的「雜訊」成為可辨識的「訊號」，突破既有知識的框架。

海德堡桂冠論壇小記與場邊觀察

帕特爾以電腦協會計算大獎得主的身份，於 2019 年首次參加海德堡桂冠論壇（Heidelberg Laureate Forum, HLF），也是論壇史上最年輕的得主，非常受到歡迎。每天都忙著接受採訪與分享自己的經驗，幾乎無時無刻不被一群學生包圍發問。

對帕特爾而言，海德堡桂冠論壇是個非常獨特的盛會，在這裡能夠一次見到背負盛名因此平時難以見到的大師，以及從前輩的身上了解到得主如何對世界產生長期影響，是個前所未有的經驗。

即使已經身為得主，帕特爾認為如果他年輕的時候有機會參與論壇，會對早期的學術生涯更有幫助，同時也希望讓更多年輕研究者知道這個世界級的活動，讓與會者覺得能夠脫穎而出參與論壇是個殊榮。（註：2019年海德堡桂冠論壇有800名年輕研究者報名，最終錄取200名）

從小時候動手作到學術遊樂場

帕特爾出生於美國阿拉巴馬州的塞爾瑪（Selma, Alabama），擁有高學歷的父母自印度移民至美國，經營一間含有數十個房間的汽車旅館。因此，帕特爾從小是在汽車旅館旁的公寓長大，就像是旅館的管理人員，必須做一些庶務像是整理床位以及修理壞掉的燈泡，甚至是維修自動販賣機，自然而然對於動手作（tinkering）十分熟悉。

習慣動手作，也讓他的學術研究變得與眾不同。帕特爾在博士班就發表了很多篇與感測器有關的論文，包括機器學習、永續、醫療等領域，並開始創立自己的公司。他同時是實踐家、發明家、會寫論文。思考未來的職涯發展時，認為大學教職可以是個自由研究的遊樂場，可以讓電腦科學變得有影響力，因此選擇成為大學教授。

與一般教授不同的是，與其研究如何增進 1% 演算法效率，他認為不如去思考如何動手開發出一個對人類有直接影響的產品，能夠正向影響數百萬人的想法甚至行為，其意義會超過發表許多論文與獲得終身教職。

對一個應用導向的研究者來說，開發產品才能夠真正到影響一般民眾。帕特爾與其團隊通常把產品開發到一個程度，就讓其他人收購公司去加速產品的開發，接著投入下一個研究。

即使從研究生時期就被其他人開始質問是否不務正業，例如：「你不是個電腦科學家、你沒有一個專精的領域、你不會拿到教職」，然而擁有自由探索的學術遊樂場對他來說是最自在的。

海德堡桂冠論壇會場門口。
圖／Heidelberg Laureate Forum

選擇學生條件與社會服務

要怎樣才能進入帕特爾的學術遊樂場一起玩呢？帕特爾強調，選擇學生的時候他最重視的是善良（kindness）與否，一方面是若對人不友善就會很難找到合作對象，尤其研究室關注的領域與醫療保健與永續相關，關注其他人是必要條件。畢竟技術可以透過學習而來，然而人格特質不容易改變。

那麼，帕特爾是如何指導學生的呢？在研究室裡，有很多不同領域的人，像是電腦科學、電子工程以及醫療背景，帕特爾會試著創造出每個人都貢獻己力才能解決的專案，讓跨領域合作自然而然發生。另外，與其安排好研究方向與每一個細節，帕特爾傾向激勵學生、與學生討論研究的大方向、留給學生探索的空間。

帕特爾從高中時期就有機會接觸研究，因此大學時期也較同儕來得早開始寫論文，而這徹底改變了他的研究生涯，他自認非常幸運。因此，他希望現在的高中生能早點接觸研究，因此特別為高中生開放了 8–10週的暑期研究室實習，期待能夠開啟學生對於程式與科技的想像。

值得一提的是，帕特爾近來婉拒至知名大學演說，他傾向把時間留給郊區的學校，接觸更多高中以下的學生；此外，他認為傳遞科學知識最有效率的是為第一線的教師上課，讓教師在課堂分享電腦科學是個很強大的工具，能夠對社會有正面影響，電腦科學不是只有電玩遊戲。

讓世界變得更好的人文精神：給年輕研究者的建議

「我的研究社群是整個世界與人類。」

帕特爾在海德堡桂冠論壇的演說，除了介紹行動裝置於健康的應用之外，還提供建議給年輕研究者。他提到這是個特別的時代，人類史上擁有最多工具（如人工智慧、資料分析與視覺化）、跨領域研究非常興盛；最好的提問與答案，都在不同領域的交會之處。

當帕特爾還是個年輕教授時，常常被問到「你是什麼領域？是網路、系統或資料庫？」同樣地，許多年輕研究者內心假設「我必須成為一個數學家，必須是個電腦科學家，必須研究某個單一領域」。

然而這並不是世界運作的方式，年輕研究者當然可以在某個領域創新，但是別忘了跳出領域的框架，思考像是政治與政策等更廣的層面，以及自己在做的事對於人類與世界是否有深切的影響。

假使年輕研究者只是想著要拿諾貝爾獎、圖靈獎等大獎，這樣的心態（mindset）本身就是個災難，若是找到自己有熱情的事物，而且每天醒來都為此感到興奮，並且奮力地驅策自己前進，將有最佳的機會能夠邁向成功。

希維塔克·帕特爾在他的研究生涯，實踐了科學與工程最重要的價值──人文精神。