便意：在有所感受時，排泄行為已經開始－－《圖解超級身體系統》

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！

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）。

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？

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。

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。

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。

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）。

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！

歡迎來到羞羞物理學的領域

編按：本書作者專攻（？）肛道聲學（研究產自屁股、引發聲響的力學波）與括約肌專屬之流體力學，研究穿越肛門的氣體與液體移動。接下來有不少關於肛門與括約肌的討論，請做好心理準備。作者表示：「就一個沒念過醫學院的人而言，我研究過的肛門圖表應該是世界上最多的。」

聲音來自能製造許多壓力波的振動。人類只能聽見每秒發生一定次數的波動（頻率），範圍特別是介於每秒二十次的重低音（20Hz）和每秒兩萬次的極高音（20KHz），因此，一顆屁要被聽見，必定來自振動頻率在此範圍的某種東西。這東西就是你的肛門，說得更明確點是你的直腸外開口，由肛門內括約肌與肛門外括約肌這兩組環形肌肉牢牢控制著。氣體在直腸這處氣體與糞便儲存槽裡累積時，壓力隨之累積，你會感覺到屁意或便意，因為有一組輕巧細微的機械式受器會傳訊息到大腦，說：「留意後頭，朋友，大條的要來了。」

這些知覺很靈敏，因此你通常可以分辨是屁還是大便。當你決定放鬆肛門外括約肌時（肛門內括約肌是你無法控制的，只有外括約肌在你掌控中），受擠壓的氣體就能衝開一個小漏洞，穿過肛門。

但，為什麼屁氣釋放時肛門會振動，發出那要命的呸呸氣音呢？好，這是因為壓力與摩擦力的緣故。情況是這樣，括約肌打開一點縫隙讓屁出來，但就在氣體移動時，氣體也在屁流過的同時將肛門括約肌吸回來，部分是因為流速快使壓力降低，部分是因為氣流沿著括約肌周圍繞出，還有部分原因是有洞開啟，直腸裡的壓力稍微下降。因此洞會短暫關閉，但幾乎在關閉的同時，壓力又多一些，再度把洞推開，降低壓力後又關上，如此反覆形成快速打開又關上的動作。當這打開又關上的重複動作每秒發生至少二十次，恭喜中獎，你製造了在聽覺範圍內的長串壓力波，獲得一顆屁了！從這裡開始就會談到流體力學^＊。很神奇，對吧？

所以，直腸內高壓與屁從肛門衝出瞬間所創造的低壓進行對抗，打造出響屁。

在屁流出時縮緊或鬆開括約肌也能讓你改變屁的響聲──將屁眼擠得愈緊，音調就愈高，因為這樣會增加直腸裡的氣體壓力──而括約肌愈緊，孔洞愈小，振動就愈快。

看來有點兩難是吧？將括約肌鬆得太開有可能會洩出一點便便（一般稱為水屁），而更糟的是完全不放屁。括約肌真是不聽話。

藉由控制括約肌，你可以創造娛樂效果，也能維繫自己與心儀對象的關係。比方說，如果天還沒亮你就驚醒了，感覺有股大砲即將引爆，可是又不想吵醒枕邊人，請先為空氣撇條做好準備，在氣體即將出來時，就把兩瓣屁股盡量掰開，這樣括約肌篤定張開著，無法振動產生那熟悉的刺耳聲，你的直腸氣逸出只會帶著潛力被浪費掉的一絲咻咻嘆息，你的床伴依舊無知是福的安然熟睡（當然啦，還得看看它荼毒嗅覺的程度）。後續氣流當然也要小心，但多數練過的放屁人都有辦法好好收尾的。同樣的情況，如果已經早上七點，太陽晒到你伴侶的屁股上了，請將自己屁股與括約肌收起，像琴弓一樣繃緊，再用全力一洩而出，早安！

放屁的白努利定律／寬德效應

丹尼爾．白努利（Daniel Bernoulli，1700-82）是瑞士物理學家兼數學家，出生於苛薄善妒又工於心計的科學世家。他在力學研究中的數學應用這方面特別有天分，以白努利定律聞名後世，該定律描述流體力學中的能量保留現象。聽起來很無聊，實際應用卻很有趣，這是汽車汽化器運作的基本原理，可能也解釋了屁在不同情況下會以不同壓力與速度行進的現象。

白努利定律是這樣的：在運動的流體中，流動速度高的點承受壓力比較小。

據稱能表現這個運動現象的典型科學演示就是讓乒乓球在吹風機的氣流中漂浮，或者我個人偏愛的做法是，用吹葉機讓沙灘球飄起來。有不少物理學家爭論這現象究竟與白努利原理相關，還是寬德效應所致，不過利用紋影光學（Sschlieren optics）這種漂亮的視覺呈現技巧來分析球體周圍的氣流，可以清楚顯現球離開中央氣流，移向一旁，和噴射器中間較快的氣流相比，外側氣流速度較慢，球正被吸－與推－回到中間。白努利原理適用於封閉系統，但是在這個例子也行得通。

屁也一樣，當它衝出括約肌時會產生低壓，將括約肌吸回關閉位置，括約肌之前打開放出屁時，壓力暫時減弱也有關係。

羅馬尼亞工程師寬德（Henri Coandǎ，1886-1972）當兵表現糟透了，幹工程師的工作則特別優異，自稱他製造的寬德 1910 是史上第一架噴射機（不過他同事及當時的人都不相信那是史上第一架）。他在空氣動力學下了功夫，發現噴射的流體傾向於貼緊在浮凸表面上，形成低壓區域，這個結論被稱為寬德效應，這是另一個，或許講得更好的一個，能用來說明為何海灘球會漂浮在氣流中央的基本原理。如果球飄離主要噴射氣流，外側氣流速度較慢，擾流也多（壓力較高），而在氣流中央的球體凸面上的空氣流速比較快（壓力較低），這樣一來，球會被吸（與推）回中央。挺複雜的，但相同的壓力變化也可能在你的括約肌邊緣上演。

如何建造由吹葉機驅動的超大響屁？

小事一樁。首先你需要巨大括約肌。

1. 從水槽下拿出橡膠手套，或者去買直徑一公尺的氣球（用這個特別適合）。如果是用手套，切掉手指與拇指部分，只留下手腕處的橡膠袖套。若是用氣球，就將氣球橫向切半（也就是不要縱切，不要切到吹口部分）。
2. 拿到吹葉機後要小心，這玩意兒可以變得很危險。絕對、一定、萬萬不可朝著自己的臉。
   只要有一丁點砂石被吸進去，就可能毀掉你的眼睛。切記別這麼做。
3. 把手套或氣球最細的一端拉開、套上吹葉機，用強力膠帶封好固定住。
4. 戴上耳塞，或者戴著耳機，然後請朋友拿著吹葉機，自己以雙手抓好手套或氣球鬆開的那一端，將它拉住、張開以做好準備，站在它的某一側，別讓吹口對著你。
5. 現在大聲叫你朋友啟動吹葉機，當空氣通過吹葉機暴衝而出，可拉著、鬆開這括約肌來調整聲音，從劈里啪啦響亮高音到恐怖片級女妖鬼叫，各種屁聲都行。
6. 痛快地玩吧。

＊ 給某些物理達人讀者。流體力學有個關鍵原理稱為白努利定律：流體速度增加時，壓力會降低。但是，任何能力還不差的工程師都知道，這只適用於流線（流體在力場中的流動線條）當中。麻煩的是，一旦你的屁通過肛門內括約肌，到達肛門外括約肌並逸出成為開放狀態，要確定流線實際上的位置就變得複雜了。

本文摘自《一顆屁的科學》，2019 年 7 月，時報出版。

控制便意的肌肉，排便時的姿勢

抓緊便意行動就能遠離便秘

你排便順利嗎？有便意的時候，通常能馬上去廁所嗎？如果不知不覺錯過去廁所的時機，便意就消失了，下次的便意又遲遲不來。長期如此，就是造成便祕的原因。如果我們能了解「便意」的機制，應該就不會再忍便了。

身體的事就是這樣，即使是自己的身體，也經常無法順自己的意。有時偏偏在不湊巧 的時候提出自我主張，最具代表性的例子就是「便意」吧！

不用說，便意就是身體發出「想要排便」的信號。順暢排便是健康的基礎，有正常的便意是好事。雖然明白這個道理，但現實上，有時候也會希望「現在不要」……。

「但是，也有很多人為好幾天沒有便意、便祕而煩惱。希望大家在便意出現時，都能鄭重處理。」社會保險中央綜合醫院大腸肛門中心部長山名哲郎說。

便意出現的時候，排泄行為已經開始了

大腸是在腹部環繞好幾圈的管狀臟器，長約 1 ~ 1.5 公尺。將吃進的食物仔細消化、吸收營養的功能，在之前的小腸階段已大致完成，來到大腸的內容物，基本上是已經沒有營養的殘渣。

大腸的開端在右側腹下方。「這個階段的內容物水分還很多，幾乎是液狀的。」液態的糞便在大腸開端的部分來來回回，水分在此過程中被吸收，漸漸形成固體，慢慢往前進。

靠近出口處，糞便已經形成香蕉狀。目前為止都是我們意識不到的自動化程序。完成的糞便到達直腸後，情況會改變。「直腸周圍有許多感受器，可以感知糞便的到來。感受器傳送信號到大腦，我們就感覺到便意了。」

說得詳細一點，因為來自感受器的信號在中途分成兩組，一方往大腦傳送，另一方則在脊柱（骶髓， sacral spinal cord）做 Ｕ 型轉彎，前往關閉肛門的肌肉，使肌肉放鬆。

但如果馬上放鬆，可是相當不妙啊……。

「沒問題的。關閉肛門的括約肌有兩層，這個階段放鬆的只有內層，外層是由自我意志控制，可以忍耐。」

原來有兩層，一層是自動放鬆的肌肉，一層是以自我意志控制的肌肉。這意思是說， 在感到便意的那一刻，括約肌已經有一半鬆弛了吧？

「雖說是一半，但關閉肛門的力量約八成是由內層括約肌來擔負。就某種意義來說，感到便意之後，排泄行為已經開始了，所以最好盡可能馬上去上廁所。」

山名部長表示，如果一直忍耐，便意不久就會遠離，當忍耐變成習慣之後，就會漸漸感受不到便意，形成便祕。對於身體所發出的聲音，老老實實遵從是最好的方式。

保持「前傾姿勢」不需費力就可排便

不過，還有一種肌肉可以阻止即將排出的糞便。

「環狀的恥骨直腸肌能將直腸往前牽引。忍耐便意的時候，恥骨直腸肌就會努力收縮，使直腸彎成ㄑ字形。」

在恥骨直腸肌與括約肌的雙重作用下，大便能夠被忍住；不過一旦要排出時，恥骨直腸肌就有點變成障礙了。

「在恥骨直腸肌的運作之下，平時直腸幾乎都彎曲成直角，角度如果不放大，就很難順利排便。」

放大直腸角度的方法很簡單，只要在坐在馬桶上時，將上半身前傾即可。「用蹲式馬桶或許比較能自然形成這樣的狀態。」

排便太用力會增加內臟和肌肉的負擔，據說是有危險性的。以「不用力也可以排便的姿勢」，順暢排便吧！

本文摘錄自《圖解超級身體系統：6大自然健康法則集結46位醫學人士專業研究》，風和文創出版