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用超快雷射來殺菌,不會太小題大作了嗎?

南宮簫笛哥
・2017/02/12 ・2326字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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2016 年初,在泛科學分享過〈蚊子剋星:「雷射炮」問世!〉,現在想跟各位分享,還有人想用雷射來殺比蚊子更小的細菌(微米大小)與奈米大小的病毒!而且,目前科學家用來殺病菌的雷射可不便宜,是新台幣百萬以上的超快雷射。

有點小常識的人,聽到雷射殺菌馬上會想到:市面上不是已經有很多殺菌的東西了嗎?(不好意思,我不是說你沒常識。) 譬如烘碗機裡常有一個功能,開啟紫外光殺菌,又或者是我們日常常用酒精、漂白水來消毒(就是讓病菌無法作用),還有高溫也可以殺菌等等。既然已經有那麼多方法可讓細菌病毒失去活性,為何還要用這麼貴的雷射去滅菌?如果我這樣說:「暴力一點你也可以選擇潑硫酸讓細菌死光!或是放火燒了它!」你知道問題的關鍵了嗎?

病菌,你小心一點!圖/pixabay, CC0

重點在於「選擇性」!

如果想把手上的細菌消滅,誰會想放火燒自己的手?如何殺菌而安全不傷手,才是重點。酒精、漂白水並非對所有病菌有用,紫外線接觸久會引發皮膚癌,更別提手被沸水、硫酸潑下去會發生什麼事了!

美國亞利桑納州立大學物理系鄭功榮教授與他生醫背景的兒子鄭紹偉博士,在 2006 年左右開始研究如何用超快雷射讓病毒失去活性。他們首先找上會感染細菌的嗜菌體 M13,並研究 M13 在超快雷射不同功率照射下,如何失去活性甚至解體。

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  • 在超快雷射實驗室內工作看起來酷嗎?可以看看鄭教授在他的實驗室玩超快雷射的樣子。

超快雷射如何殺死 M13 嗜菌體的機制,在經過多年的研究才被了解。如下圖所示,病毒受到電場影響下會引發極性;超快雷射中的光,其實就是振盪頻率很快的電磁波,透過光場中的電場與病毒極性的交互作用,使病毒的原子間開始振動,這個機制稱「脈衝受激拉曼散射」(Impulsive Stimulated Raman Scattering, ISRS)。適當的參數下,譬如雷射脈衝寬度夠短及雷射功率高出某一個臨界值,超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。最重要的是,這個功率並不會造成人體或哺乳動物細胞及蛋白質的損害,功率大概要提高上千上萬倍才會造成人體細胞損傷。因此,超快雷射能「選擇性」的殺死 M13 嗜菌體而對人體無違害。

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超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。圖/鄭功榮教授提供

這個技術目前已被證實可用在消毒人類的血漿。未來也許可以應用在輸血上,輸血過程需要消毒,雷射可打入透明導管,為其中的血液進行滅菌。生物實驗中常常需要培養的細胞,也被證實可用這個技術來消毒。

當然目前還有許多需要更準確的消毒技術,譬如製藥產業。現在所用的生化方法雖然也可以滅菌,但常常殺敵一千,自損八百,甚至不該被殺的比應該被殺的災情慘重得多。利用物理方式,雷射並不會造成病菌結構中共價鍵的破壞,不需要加入額外生化物質引發化學反應,也不會造成溫度明顯升高,殺菌的副作用會小很多。

雷射不只殺菌,還可以幫忙做疫苗

圖/pixabay, CC0

最讓人期待的,可能是應用在製作疫苗的可能性。最近研究顯示,以這個技術處理過的 H1N1 流感病毒,其複製能力被破壞,但仍保有主要結構。經過處理的 H1N1 病毒注入老鼠中可引發免疫反應,因此有機會成為疫苗。如果將有打疫苗與沒打疫苗的老鼠做比較,在感染 H1N1 流感七天後,沒打疫苗的老鼠因為生病體重平均掉了 25%,而打疫苗的老鼠體重沒有明顯改變。這個研究顯示,此技術適合發展適合肉禽或人類的流感疫苗,但仍需進一步的動物或人體實驗證實。

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目前疫苗的開發主要用生化方法,需要花很長的時間發展出有效又安全的疫苗。最近 DNA 相關技術可加快疫苗研發速率,但效果較不顯著,需增加劑量使成本提高並增加副作用風險。目前生化方法都有針對性,需要對不同病毒開發,因此目前還有很多病毒沒有疫苗。譬如容易讓寶寶呼吸道感染的呼吸道融合細胞病毒(RSV),最近大家認識的茲卡病毒(Zika),曾讓台灣醫院封閉的嚴重急性呼吸道症候群病毒(SARS),讓人聞之色變的愛滋病毒(HIV)等等。因為人類對病毒束手無策,容易在人類間傳染、致死率又高的病毒才會引起恐慌。對抗不斷在變化的病毒,是否有一個共通的方法來應付各式病毒而產生疫苗呢?

物理方法是可能的解決方案,利用超快雷射處理病毒,沒有額外的化學物質,也許可快速、安全又有效的製造各種病毒的疫苗。目前為止,超快雷射已證實能使許多的病毒與細菌常去活性,其中包括 HIV 愛滋病毒、 H1N1 流感病毒、71 型腸病毒、A 型肝炎病毒、大腸桿菌等等,而每個病菌失去活性的「選擇性功率」不同,鄭教授把這個技術命名為「選擇性光學消毒」(Selective Photonic Disinfection, SEPHODIS)。

國人有許多 B 型或 C 型肝炎病毒帶原者,鄭教授也希望能跟相關單位合作,證實這個技術是有效的。這個技術距離實際應用,還有很長的一段路要走,如果成功可造福廣大人類,就像藥品的開發,動輒二三十年以上的實驗與測試。超快雷射已經在醫療手術刀及光學影像等生醫領域廣泛應用,也許未來還多了消毒與疫苗等實際應用。

延伸閱讀:

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  1. SM Journal of Biomedical Engineering, <An Updated Report of the Ultrashort Pulsed Laser Technology and its Perspectives in Biomedical Applications>
  2. Selective Photonic Disinfection – A ray of hope in the war against pathogens
  3. Bio-Optics World, <ULTRAFAST LASERS: Femtosecond pulses kill viruses, leave human cells alone>
  4. Journal of Biomedical Optics, <Chemical-free inactivated whole influenza virus vaccine prepared by ultrashort pulsed laser treatment>
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文章難易度
南宮簫笛哥
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任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。

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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

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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!

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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?

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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。

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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。

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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)。

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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!

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