Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/config.js

0

3
1

文字

分享

0
3
1

科學寶可夢 #25 皮卡丘:小智身旁的不定時炸彈

Rock Sun
・2016/10/20 ・2600字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!國外玩家建立了這個 Scientific Pokedex 網站,來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

每個星期跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!

tumblr_inline_o28v2cY8JZ1s5a3cr_500

超來電小倉鼠  #25 皮卡丘

皮卡丘之於寶可夢世界就像米老鼠之於迪士尼(乁~都是老鼠?),身為圖鑑上第一隻遇到的電氣系神奇寶貝,牠的內容可說是煥然一新,充滿各種對「電」特別敘述和幻想。例如:

幾隻皮卡丘湊在一起可以造成閃電風暴」(紅、藍、葉綠版)

靠牠的尾巴偵測四周,閃電有時候會打到尾巴」(銀、魂銀、X 版)

很聰明,會用電烤熟漿果讓它更好吃」(金、心金版)

看起來任何一個圖鑑中的敘述,都是真實世界的電、磁真的有可能辦到的事(註1)。在寶可夢世界中,皮卡丘能夠控制從微弱到強大的電力,但與我們的主人翁小智日常生活最相關的大概是這個敘述:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

兩頰儲存電力,當睡覺的時候會充電,起來時昏昏沉沉有時候會有電力釋放」(註2)。

我沒記錯的話,皮卡丘似乎都是在小智的懷中(或附近)睡覺的,如果牠平時就電力超群,而且特別在這種時候無法控制電力釋放的話,小智有沒有可能有生命危險呢?

(圖/Giphy)
那這會不會是便秘的時候……。圖/Giphy

擁有儲存電力功能的物品,如皮卡丘的臉頰,被稱為電容器,在現在的電路系統中很常見。討論一個電容器的電容率大小,類似於討論彈簧的彈性係數會因為彈簧本身材質等條件而有不同,電容大小也會因電容器而異,跟材料、填充率、兩片電極之間遠近都有關。

電容(C)單位為法拉,1 法拉的電容器,在正常操作範圍內,每增加 1 伏特的電壓可以多儲存 1 庫侖的電荷。電容可由以下得知

C = q/V (q 為電極板上的電荷,單位為庫侖;V 為之間的電壓,單位為伏特)(註3)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

要計算皮卡丘的電容,現在我們需要知道的是該以牠的哪個放電現象做為最強的基準?

在綠寶石版的圖鑑中有這麼一句話:「皮卡丘臉頰儲存的電力可以依程度放出來,差不多等於閃電的電力。」好~那我們就把閃電的強度當作基準吧!

在空氣中,一公尺內產生 100 萬伏特以上的電場時,就會開始產生電弧(electric arc),大氣中的連續釋放的強大電弧就是閃電(註4)

(圖/http://www.lightningsafety.noaa.gov/)
閃電伴隨導閃打下來的狀況。圖/NOAA

如果皮卡丘釋放的就是整串的電弧,所需時間跟閃電一樣僅 0.2 秒,一般的閃電電量為 15 庫倫,較強力的閃電甚至可以達到 350 庫倫(註5),而電壓介於 1000 萬到 1 億伏特,如果我們取最強的閃電數據,帶入上面的公式做計算。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

假設皮卡丘的臉頰純存了最強大的閃電,他的電容將為 3.5 (10-6法拉

這其實算是相當合理的數字,一般常見或時常使用的電路中,電容大小通常都是在微法拉的範圍內,所以皮卡丘並沒有特別誇張。硬要比較的話,人體的電容為 400 微微(10-12)法拉

圖鑑中表示皮卡丘藉由睡覺來充電,在這樣的情況下能充電的來源只有一個——靜電,就像用氣球摩擦頭髮一樣,甚至閃電本身就是大氣中的靜電釋放。

靜電力的釋放,也就是皮卡丘的大部分絕招可以用一下公式得到

E = C V2/2(E 為能量,單位為焦耳)

如果要使出名副其實的閃電,能量將為 35,000,000,000 焦耳(350 億焦耳)。

(圖/ Bulbapedia)
圖/ Bulbapedia

雖然圖鑑上說大部分的皮卡丘可以控制自己的電流釋放,不過如果這電力屬實,那一隻皮卡丘就相當危險了,350 億焦耳的能量差不多等於 8.37 噸黃色炸藥,如果幾隻皮卡丘聚在一起別說閃電風暴了,大概森林都沒了。(註6)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

想來每一個晚上小智抱著皮卡丘睡覺時,一定心裡在默默祈禱,希望他的好夥伴有一個好夢,要不然明天早上地上不是一具焦屍,就是一個巨大的彈坑……

(圖/http://www.aircraftsp.com)
我不能睡~圖/http://www.aircraftsp.com

編註:

  1. 和其他討論過的神奇寶貝相比,皮卡丘的圖鑑內容獨特性真的很高,22 個圖鑑版本中有 11 種不同的敘述。其他很有趣的還有紅寶石版「當皮卡丘遇上新東西時,先用電流電一下再說。如果你看到焦黑的漿果,表示有皮卡丘沒拿捏好電力」;白金、黑、白版「可以幫其他身體虛弱的皮卡丘充電」……等,但還是比較多聚焦在他們的臉頰上,如生氣會放電、如果有火花你要小心之類的,我還是很想知道為什麼要是紅色的?
  2. 這讓我很好奇,如果皮卡丘睡覺抽筋會怎樣?抽筋有時是身體內神經傳導電流稍微短路,使肌肉不正常收縮的現象,如果皮卡丘睡覺睡到抽筋,他們會不會開始亂放電一通?如果顏面麻痺呢?真好奇~
  3. 這裡 Scientific Pokemon 是用兩個導體間的自電容來做計算,但從觀察來看,皮卡丘的電容器就是牠的臉頰,這形狀應該是比較接近球形或圓盤。
  4. 閃電打下來前,會經由一個叫做 Step Leader 的導閃引導,整個過程可以想像成一個直徑 60 公尺的大圓球在大氣中不斷偵測有接地或耗能最少的傳導途徑,等確定位置之後閃電再循著路徑打下來,整過過程到命中地上(或是其他東西)在幾毫秒內就會完成。
  5. 若導線中載有 1 安培的穩定電流,在 1 秒內通過導線橫截面積的電量為 1 庫侖({\displaystyle 1C=1A\cdot s}),一般我們摩擦東西產生靜電的電量只有微庫倫尺度而已,所以皮卡丘應該要睡很~久才能達到文章中的程度。
  6. 如果這個能量能用在能源上不知道會如何?有興趣的人可以參考 PTT 的「要多少隻皮卡丘才能供應台灣所有電力?

參考資料:

  1. Scientific Pokemon
  2. National Weather Service Lightning Safety Home Page
  3. Wikipedia (電容庫倫閃電炸藥當量
  4. Pokemon Database
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
Rock Sun
64 篇文章 ・ 962 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

0

1
0

文字

分享

0
1
0
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
觸控面板的秘密:從靜電到你的指尖魔法——《物理角色圖鑑》
azothbooks_96
・2024/09/24 ・1254字 ・閱讀時間約 2 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

歐姆定律:電流與電壓的完美協奏

川村老師,請用簡單的方式告訴我「歐姆定律」是什麼?

★歐姆定律,德國物理學家歐姆提出,在溫度不變時,流經金屬導線的電流I 與導線兩端的電壓 V 成正比,兩者的關係為 V=RI,R 是導線的電阻,單位為歐姆 Ω。圖/《物理角色圖鑑》
圖/《物理角色圖鑑》

老師:的方式會使電流變弱。電阻定律告訴我們,金屬導線的電阻 R 與長度 L 成正比,也就是導線愈長,電阻愈大。相反的,截面積 S 愈大,電阻愈小。

貓咪:能捲太多圈嗎?喵!

老師:這樣會讓導線長度增加。電阻 Rρ L/ Aρ 是電阻率。

圖/《物理角色圖鑑》

觸控面板的原理

觸控面板是貼附在螢幕玻璃表面上的薄膜,手機與電腦普遍使用的觸控面板是利用靜電原理進行感應。觸控面板有許多感應方法,最具代表性的是電容式觸控與電阻式觸控。手機使用的是電容式觸控面板,利用靜電就能讓 CPU 知道手指是否放在螢幕上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

觸控面板中縱橫交錯著許多表面帶靜電的電極陣列,如下圖。

圖/《物理角色圖鑑》

手指碰到觸控面板時,會吸走該位置的靜電,感測器便據此判斷何處有靜電釋放。用一般的筆或戴著手套觸碰時,手機不會有反應,是因為其他東西與手指不同,不會導電,所以也不會釋放靜電。

電阻式觸控面板無法多點觸控;也就是說,不能用兩根手指同時操作。使用手機時,可以用拇指和食指同時觸碰面板,然後手指張開把照片放大,或手指閉合把照片縮小,電阻式觸控面板就沒辦法這麼方便。

電阻式觸控面板的電流是從兩片膜之間通過;手指碰觸時,上層膜會接觸到下層膜,使電阻降低,表示該處有電流通過,此時感測器便可讀取到接觸點位置。電阻式面板是透過壓力來操控,與觸控媒介是否導電無關;所以用筆、指甲來觸碰,螢幕也會有反應。這種面板也能感應觸碰壓力的強弱,因此常用於遊戲機。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/《物理角色圖鑑》

——本文摘自《物理角色圖鑑:用35個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》,2024 年 9 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

azothbooks_96
55 篇文章 ・ 21 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
你會想試試「VR 睡眠」嗎?直到睡著前都在虛擬實境之中——《元宇宙超圖解》
azothbooks_96
・2023/09/26 ・857字 ・閱讀時間約 1 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「VR 睡眠」能讓你我感受到實體世界絕對無法實現的入眠體驗。

在元宇宙的世界裡,現在還興起了一種「VR 睡眠」的文化。

它並不是指玩家在遊戲過程中不小心打盹的「睡著」,而是置身在虛擬實境中,直接戴著VR眼鏡睡著。

這種直到睡著前都能置身同好社群,和同伴共度的體驗,很受好評,讓人直呼「簡直就像校外教學的晚上一樣」,引人入勝。

這種直到睡著前都能置身同好社群,和同伴共度的體驗。圖/azothbooks

還有,在現實世界裡,我們會和別人同床共枕;而在元宇宙裡還有更不一樣的體驗,就是可以在 VR 才能去得了的地方,例如南極的冰上、崖邊、太空、動物的背上等,一直待到睡著為止。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這正是「方便好用」的虛擬實境才做得到的獨門絕活。

今後,為了讓這些體驗更普及,VR 眼鏡等裝置可望朝更輕巧、更安靜的方向進化。

另外,「VR 睡眠直播」活動也蔚為話題。據了解,這個活動是由當紅的虛擬替身,在虛擬實境上直播睡眠時的模樣。

它的目的,是為了向那些對 VR 還不太熟悉的使用者,介紹 VR 睡眠的概念。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這場長達八小時以上的直播,共有逾百位使用者一路守著直播到天亮,收視總人數更達三千人之多。

簡直就像校外教學的晚上?

「VR 睡眠直播」可以去平常去不了的地方,例如南極的冰上、崖邊、太空、動物的背上等,一直待到睡著為止。圖/azothbooks

——本文摘自《元宇宙超圖解:從刀劍神域到寶可夢,一小時讀懂78個概念,掌握本世紀最大商機》,2023 年 9 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
azothbooks_96
55 篇文章 ・ 21 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。