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蜻蜓的100種生活方式 ——《飛啊!蜻蜓》

PanSci_96
・2017/11/25 ・1984字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 435 ・四年級

文/槐真史|厚木市鄉土資料館研究員
譯/張東君

空中生活:蜻蜓

空中的蜻蜓,圖/by Chanzj@pixabay。

具有大大的眼睛、透明膠帶般的翅膀和細長腹部的蜻蜓,是很擅長在空中飛行的昆蟲。只有活生生的蜻蜓才具有的眼睛及身體的鮮豔色彩,和優雅的飛行翱翔姿態,讓每個看到的人都覺得感動——那箇中滋味只有看過蜻蜓的人才能體會。

雖然蜻蜓是在空中飛行的昆蟲,但在幼蟲時期,幾乎所有蜻蜓的幼蟲(水蠆)都是生活在水中,這就是為什麼常常可以在水邊看到蜻蜓。我們經常可以看到雄蜻蜓在同一場所來回不停飛來飛去,然後停在固定的樹枝前端等待的樣子,這是因為雄蜻蜓擁有自己的領域,牠們會在那裏等待雌蜻蜓。此外,也可以看到雄蜻蜓驅趕進入自己領域的其他雄蟲或是他種蜻蜓的行為;在領域中相會的雌、雄蜻蜓則會交配、產卵。

水中生活:水蠆

蜻蜓的幼蟲——水蠆,圖/by André Karwath aka Aka@wikipedia commons。

依物種的不同,水蠆的棲息場所也是五花八門:有些是抓著水中的植物莖或是漂浮物等,也有些會潛到泥中。水蠆是以小昆蟲等為食的肉食性動物,會花上幾個月到幾年的時間,經過八至十五次左右的蛻皮來讓身體長大。

在水中生活的水蠆,有著和成蟲不同的身體結構與機制,活動方式也不一樣:以呼吸為例,成蟲是以位於胸部或腹部、稱為「氣門」的管狀器官呼吸;水蠆則分成從腹部的前端讓水出入、以直腸呼吸,或是以位於腹部前端的三個像鰓般的器官呼吸的種類。

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在水中的移動,除了步行之外,還有把水貯存在直腸中,一口氣把水噴出的方式移動,或是扭動位於腹部前端的鰭或是身體來移動等。不同於成蟲以飛行來追捕獵物,水蠆是靜靜的坐等獵物自己上門——等獵物靠得夠近,再立刻伸出能夠伸展到跟自己的身體差不多長度的大顎加以捕捉。

變身時刻:羽化

一隻剛從幼蟲殼中蛻出的藍晏蜓(Aeshna cyanea),圖/by Böhringer Friedrich@wikipedia commons。

當身體已經長到夠大的時候,位於胸上的翅芽(會成為成蟲翅膀的部分)就會逐漸鼓脹,這就是羽化的信號。雖然羽化的場所會因蜻蜓的種類而異,不過季節大多數是集中在初夏。細蟌、綠胸晏蜓和白刃蜻蜓這類蜻蜓的羽化中意場所,是突出於水面上的植物的莖、葉,或木樁、枯枝、倒木等;而像春蜓類的蜻蜓,除在石頭或水泥護岸之外,也有那種只把身體從水面伸出一半左右就羽化的種類。除了在水邊,也有像無霸勾蜓那般在離開水邊幾公尺處的建築物壁面或是樹幹羽化的種類。

雖然羽化的經過就像這本繪本所描繪的一樣,不過我還是想要再做一點補充:即將羽化的水蠆,雖然會把頭和胸部從水中探出來靜靜的待著,這不僅是在判斷羽化場所跟氣溫等條件是否良好,也是配合羽化,將呼吸方式從水中改變成在空中呼吸的重要時期。

隨著羽化過程的進展,翅膀逐漸完全伸展,這時腹部前端就會流出數滴液體——這是用來把縮在一起的翅膀展開所用的體液,在翅膀完全伸展後就不再需要。當液體掉落後,蜻蜓的腹部也會變得纖細,成為神氣的蜻蜓。

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哪裡可以看到綠胸晏蜓呢?

綠胸晏蜓,圖/by 云中鸟@flickr。

這本繪本的主角綠胸晏蜓,是從日本北海道到沖繩縣之間,在各地的池塘和水田等都能夠看見(台灣的話,則可見於台北陽明山國家公園、花蓮太魯閣國家公園一帶的池塘及水邊。編按:台灣其實也蠻常見的喔,另外出現時間與日本不同,大約在9月到隔年3月左右)。牠們在 4~11 月左右出現,夏天以後,雄蜓會在水岸飛來飛去巡邏。雖然看起來像是在守護自己的領域,但當巡邏路線有人經過的時候,牠們的飛行路線就會變得相當迂迴。

由於綠胸晏蜓的眼力很好,所以應該也會把拿著捕蟲網的人看得很清楚吧。產卵是在雌、雄蜻蜓相連在一起時進行,把卵產在水中植物的莖或是漂浮物上——只要是柔軟的材質,即使是像保麗龍等人工製品,雌蜓也能毫不猶豫的產卵。孵化出來的水蠆會抓住水中植物的莖,有時候也會緩慢的在水底行走,牠們在感覺到危險的時候,會從腹部前端噴射出水來逃逸。

水對蜻蜓的影響很大,只要水質惡化或是水源地消失時,蜻蜓很快就會消失無蹤。不過由於成蟲的移動力很高,所以只要再重新建造水池環境,牠們就會立刻飛回來定居。覺得「生活周遭好像沒有蜻蜓呢!」的你,可以注意看看學校的池塘、公園的水灘,或放置在庭院中有雨水堆積的容器附近,難道都沒有蜻蜓造訪嗎?沒有從水面偷偷探出來窺伺的水蠆嗎?在某處,一定有著在等待你的蜻蜓喔。

本文為繪本《飛啊!蜻蜓》的導讀,出版社為青林出版。

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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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【成語科學】噤若寒蟬:為什麼蟬在冬天不會叫?
張之傑_96
・2023/10/18 ・1085字 ・閱讀時間約 2 分鐘

章老師寫這篇「噤若寒蟬」時,適逢 6 月初,住在美國東部的同學傳來十七年蟬的影片。一般的蟬,幼蟲在土裡生活 1-5 年;十七年蟬的幼蟲(若蟲)卻在地下生活 17 年!今年的大發生過後,下次是 2038 年。

十七年蟬大發生時,數以億計的蟬傾巢而出,鳴聲震天,排泄物落如雨下,這時人們出門都要打傘,在戶外舉行的婚禮、球賽和其他活動均被迫延期或改在室內。

十七年蟬大發生時,數以億計的蟬傾巢而出,鳴聲震天。圖/giphy

不過喧鬧不出 3 個星期,十七年蟬交配、產卵後就會死去,新的一輪生命週期又開始了。

蟬屬於半翅目、蟬科。一般的蟬,不會像十七年蟬般集體行動。到了夏季,幼蟲陸續的從土裡鑽出來,然後爬到樹上,抓著樹幹,脫掉蟬殼(蟬蛻),羽化為成蟲。蟬的成蟲壽命很短,通常不到一個月。雄蟬羽化出來後,一俟翅膀硬了,就開始大聲鳴叫,用來吸引雌蟬。雌蟬沒有發聲器官,不會鳴叫。

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日本暮蟬。圖/wikipedia

雄蟬的腹部有一對鳴器,裡面有發音肌、鼓膜和共鳴室。雄蟬求偶鳴叫時,發音肌會不停的收縮,使鼓膜上下振動,有如打鼓般發出聲響;共鳴室則有如擴音器,使鳴聲擴大。

蟬的發聲,和直翅目的蟋蟀、螽斯、蝗蟲不同,牠們以磨擦翅膀發聲。蟋蟀、螽斯的翅基部,有一條橫脈,上頭有齒,稱為「音銼」,左右翅磨擦,就會發聲。蝗蟲則是利用牠的腿節內側和前翅縱脈,互相摩擦而發聲。

當雌蟬被雄蟬的鳴聲吸引過來,交配過後,雌蟬將卵產在小樹枝上,夏季時大約經過一個月就可以孵化成幼蟲。接下去,幼蟲落到地面,鑽入土中,吸取植物根部的養分,經過若干年(視種類而異),才能長大成熟,然後鑽出地面,羽化為成蟲。

蟬經過若干年才能長大成熟,羽化為成蟲。圖/giphy

蟬是夏季活動的動物,從初夏到初秋,蟬的幼蟲陸續鑽出地面,羽化為成蟲,使得整個夏季都可聽到蟬聲。秋季才羽化的蟬,通常鳴聲較弱,如果天氣突然轉冷,就會凍得不再鳴叫,這個自然現象衍生為成語「噤若寒蟬」,比喻因某種原因而不再出聲。讓我們造兩個句吧。

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極權國家沒有言論自由,人們噤若寒蟬,不敢隨便發表意見。

爸爸嚴肅的眼神一掃過來,我們就噤若寒蟬,再也不敢吵鬧。

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【成語科學】蜻蜓點水:所有蜻蜓都會點水產卵嗎?蜻蜓和豆娘怎麼分?
張之傑_96
・2023/08/04 ・1367字 ・閱讀時間約 2 分鐘

蜻蜓的幼蟲稱為水蠆,是環境指標生物之一。如果水中可以找到水蠆和蜉蝣幼蟲,表示水質沒有受到污染。如果只找到水蠆,沒找到蜉蝣幼蟲,表示水質輕度污染。如果找不到水蠆,那就表示中度或重度污染。

藍晏蜓 Aeshna cyanea (歐洲一種晏蜓科蜻蜓)的水蠆。圖/wikimedia

如今平地的河川或湖泊大多遭到中度或重度污染,難怪蜻蜓已難得一見。章老師小時候可不是這樣,那時溪流大多水質清澈,連最不耐受污染的蜉蝣幼蟲也到處都是,孩子們稱蜉蝣幼蟲為「水蟲」,還抓來當魚餌呢。

姬蜉蝣幼蟲。圖/嘎嘎昆蟲網

那時候,到了夏季,白天蜻蜓和豆娘在居家附近出沒。到了夜晚,拖著兩根長尾鬚的蜉蝣,因趨光性飛到紗窗上,有時飛進屋裡。這些昆蟲隨處可見,一點兒也不稀奇。

蜉蝣的幼蟲在水中約生活一年,羽化為成蟲,只能再活幾小時到幾天。成語「朝生暮死」,指的就是蜉蝣。其實,如果連同連牠們的幼蟲期,在昆蟲中壽命並不算短。

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話題拉回蜻蜓。到了夏季,蜻蜓在水面上飛行時,常用尾部輕觸水面,古人不明白其用意,於是產生了「蜻蜓點水」這個成語,用來比喻做事膚淺或不深入。讓我們試著造兩個句吧。

讀書要多溫習多思考,不能只是蜻蜓點水。

學習要踏踏實實,不能蜻蜓點水敷衍了事。

蜻蜓點水產卵,使得水面激起漣漪。圖/嘎嘎昆蟲網

其實對蜻蜓來說,點水是為了產卵。蜻蜓的幼蟲水蠆,在水裡生活 1-2 年,長大後爬出水面,羽化成蜻蜓。蜻蜓和豆娘的產卵方式大致分為兩類,一類產在水生植物上,一類邊飛邊把卵產在水裡。古人所觀察到的蜻蜓點水,指的就是後者。

棋紋鼓蟌將卵產在腐敗的枯葉或枯枝上。圖/嘎嘎昆蟲網

昆蟲綱的蜻蛉目,包含蜻蜓和豆娘兩類,兩者的形態和習性相近。那麼蜻蜓和豆娘怎麼區分?蜻蜓的身體較為粗壯,兩個複眼距離較近,停棲時翅膀平展。豆娘的身體較為纖細,頭部似啞鈴狀,兩側為明顯的複眼,停棲時上下翅疊合在一起。兩者的幼蟲都稱作水蠆,以捕捉孑孓、小魚、蝌蚪或其他水生昆蟲為食。
蜻蜓和豆娘的幼蟲屬於肉食性,成蟲也是。蜻蜓體型粗壯,除了捕食小型的昆蟲,也捕食蒼蠅、蜜蜂、蝴蝶、蛾、蟬等較大型的昆蟲,部分甚至捕食魚類。豆娘體型較小,飛行速度較慢,以捕食體型小的蚊、蠅和蚜蟲、介殼蟲、木蝨、飛蝨等為主。

由圖可見豆娘的啞鈴狀頭部(上)與蜻蜓距離較近的複眼(下)。圖/台北市立動物園
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