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驚人!用磁鐵設計的時尚家具!!

dr. i
・2012/02/29 ・390字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

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圖:Jólan van der Wiel

小時候的自然科學課都有做過一個小實驗,就是把鐵沙放在一張白紙上,然後放上一塊磁鐵,結果原本散佈在紙上的鐵沙就開始凝聚,形成有規則的線條。這些線條就是受到磁鐵的磁場所吸引,沿著磁場的方向排列出柱狀的結,隨著磁鐵方位的不同,有的平躺,有的則是直立於紙上。

近年在國際漸漸竄紅的比利時設計師凡德威(Jolan van der Wiel)利用了這個原理,將「鐵磁流體(Ferrofluid)」參雜了凝固劑,先用強力磁鐵塑形,再讓它慢慢凝固成為可用來當做家具的結構。

太有創意了!生活中的小科學也可以應用到藝術設計上呢!

下面是凡德威描述他創作的方法:

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轉載自dr. i 新發現 新科技 新生活 新藝術 

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dr. i
33 篇文章 ・ 0 位粉絲
小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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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

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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提款機的運作原理—《知識大圖解》
知識大圖解_96
・2016/08/20 ・945字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

自動櫃員機替你管理帳務,同時確保資料安全

現代人很難想像沒有提款機的生活,但提款機其實是從 1970 年代才開始流行。世界上第一台提款機是約翰.雪伯巴倫(John Shepherd-Barron)所發明的,安裝在大倫敦區的恩非市(Enfield)。

如今,隨處可見的自動櫃員機讓民眾可以一天 24 小時便利存提款,不須到銀行排隊。但在方便的背後,提款機其實要執行許多困難的把關工作,才能維持服務品質;像是提款機必須檢核使用者的身分、卡片的真偽,還要調閱你的帳戶資訊,才能執行正確的交易,同時更要保護提款機裡的鈔票,以免被歹徒盜取。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第23期(2016年08月號),全見版請點擊圖片。

提款卡背後的磁條,看起來是一條實心的黑色長條,實際上卻是由上百萬個微小的磁鐵所組成,每個小磁鐵各有不同的極性,經由兩組磁頭讀取後,解讀為二進位碼資料。第一組磁頭先確認卡片真偽,接著第二組磁頭才會讀取帳號和密碼,並比對你輸入的數字。

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密碼確認後,櫃員機會自動連結到銀行網路,接收傳回來的訊號,再針對機器內部的出鈔系統下達一連串指令,然後由提款機完成剩下的存提款交易。如果提款人不小心忘了把鈔票拿走,新型的櫃員機會在一段時間後把鈔票回收,以免用戶蒙受損失。

提款機詐騙犯罪

提款機經常成為罪犯覬覦的目標,有幾種常見的詐騙手段可以輕易偷取你的卡片資料,其中最常見的是卡片側錄器,安裝在提款機上就能偷偷記下提款人的帳號資訊。通常歹徒還會搭配隱藏式攝影機,將之鎖在櫃員機上方,或安裝在附近,用以拍攝輸入密碼時的手部動作。另一種越來越常見的詐騙手法是盜卡陷阱,利用特殊裝置讓卡片卡在機器裡出不來,等提款人離去後歹徒就可以取走卡片。為了避免成為受害者,警方建議民眾使用提款機時要提高警覺,隨時注意是否有不尋常的狀況,並盡量使用固定的提款機,就能識破詐騙手法。輸入密碼時也一定要設法遮蔽,並小心在提款機附近出沒的可疑人士。

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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第 23 期(2016 年 08 月號)

更多精彩內容請上知識大圖解

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為什麼啤酒泡沫總像不定時炸彈般迸出?
Fungus
・2015/01/07 ・1266字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

想像以下這個情境:經過了一週的辛苦工作,你接受同事的邀約來到了酒吧,想在 Friday night 輕鬆一下。入座之後,你發現吧台上有位女子獨自一人。她身材姣好、面容清秀,不像是會來到酒吧的氣質,她肯定是遇上了什麼困難。她一個人在這裡喝悶酒,你的好同事們當然也都注意到了。而年過三十又沒有交往對象的你理所當然地擁有優先權,就在眾人的慫恿下,你鼓起勇氣緩緩地走向吧台。

「兩瓶啤酒!」你對酒保這麼說,希望輕鬆一點的飲料能帶來放鬆的氣氛。她向你看了一眼,似乎對陌生人的接近有點意外,但並沒有展現排斥的神情。你也就順勢地坐到她的身旁。接過啤酒後,你拿了開瓶器豪氣地開瓶。不料!這啤酒外表看似冰山,其內在卻是座火山!源源不絕的泡沫自瓶口不斷湧出,流滿了桌子,灑滿了褲子。在混亂之中她嚇得跳離你三步之遙,你慌張地看向酒保卻又壓抑不住心中的羞憤,回頭看看那群損友早已笑得人仰馬翻,你認為這一定是他們早已安排好的惡作劇……。

from: pixabay / jarmoluk
from: pixabay / jarmoluk

啤酒開瓶時,大量的二氧化碳泡沫湧出瓶口是偶爾會碰上的情形(而且是在未經搖晃的情況下)。這種現象的產生,是啤酒在釀造時,其主要的原料-麥,遭受到真菌感染所致,而這些貼附在大麥表面的真菌,其表面富有疏水蛋白。在釀造的過程中,這些疏水蛋白會吸附發酵時所產生的二氧化碳。當啤酒中含有過多的二氧化碳,開瓶時就會有大量的泡沫湧出。釀酒廠為了因應這種現象,會加入啤酒花萃取物(hops extract)作為抗泡沫因子(antifoaming agent),它們運作的原理是能較二氧化碳優先與真菌表面的疏水蛋白結合,被搶走位置的二氧化碳也就不會在啤酒中留下那麼多了。

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以使用啤酒花萃取物為基礎,位於比利時的食品科學家近日更開發了除去泡沫的新技術-利用磁鐵。他們發現,在啤酒釀造時施加磁場,能將這些作為抗泡沫因子的啤酒花萃取物化分為更小的粒子,如此一來便能有效地提升與疏水蛋白的結合(分子更小、表面積增加的原理),也更能夠避免啤酒泡沫失控。

研究團隊將於下個月份的《食品工程期刊》(Journal of Food Engineering)中發表此研究結果。當這個方法真正運用在釀造啤酒時,其極佳的效率可令製酒商減少啤酒花萃取物的添加,而這對於降低成本相當具有潛力。研究團隊表示,在未來的研究中,希望能達到在工業生產的尺度下,單以施加磁場就能夠減少泡沫形成的結果。

from: wiki
好一朵美麗的啤酒花。from: wiki

所以說囉,當下次再遇到啤酒噴發的情形,切記:莫急、慌莫、莫害怕。保持鎮定,將溢出的啤酒清理乾淨後,你大可以從容地分享啤酒暴走的原理。如此一來不但展現了氣度,避免錯怪朋友,更能夠散發身為一個科學青年的無窮魅力。

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參考資料:

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Fungus
3 篇文章 ・ 0 位粉絲
身為一名牙體技術師,有責任讓大家知道這是個製作假牙的行業。因深信數位加工的趨勢而在碩士生涯中與加法製造結下不解之緣。沉迷於底片相機,喜歡昆蟲,還養了一隻虎斑貓。