機車先進駕駛輔助系統（ARAS）如何守護騎士的安全？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

有個 14 歲的少年戴著安全帽，騎乘輕便型機車^[註]。一輛轎車正對著衝過來，他閃避不及，摔落地面，胸部撞擊油門把手。^[1]

少年至醫院就診時，雖然胸部觸診會疼痛，但肉眼看不到瘀青，X 光也顯示沒有骨折。從心電圖可見心臟跳動的頻律正常，不過有左束支傳導阻滯（left bundle branch block，簡稱 LBBB）的現象。^[1] 也就是說心肌裡流動的電脈衝，在前往心臟左邊下面，那個叫做左心室的部位時，被阻斷或變得遲緩。這可能會影響血液的輸送。^[2] 他被留院觀察一夜，隔天早上回家。預計一週後，至心臟科回診。^[1]

不料，才過五天，少年便猝死了。^[1]

為了釐清死因，驗屍團隊在二天後進行解剖。他們發現少年的左心室肥大（left ventricular hypertrophy）， ^[1] 該症狀的常見成因是心肌太過賣力運作。^[3] 此外，心臟不僅有多處破損及血浸潤；盛裝心臟的心包裡頭，還有 700 毫升的血液，^[1] 差不多就是臺灣一般大杯手搖飲的容量。^[4] 因此，他被認定死於心臟破裂導致的心包填塞（cardiac tamponade 或 pericardial tamponade）。^[1] 換句話說，因心臟受傷而流出的血液，在心包裏頭緩緩累積，使得內部壓力不斷升高，最後心臟承受不住，於是停止跳動。^[5]

追根究底探討起來，少年的心臟流血，是源自所謂的心臟鈍傷（blunt cardiac injuries）。^[1] 它雖非遭受外物穿刺，卻有幾種可能造成破裂的機制，例如：

1. 直接衝擊胸口的外力，使心臟在胸骨與脊椎之間被擠壓。^{[1, 6]} 這也是心肺復甦術（cardiopulmonary resuscitation，簡稱 CPR）的罕見副作用之一，發生機率只有 0.6%。^[7] 請大家千萬不要因噎廢食，該救人的時候，還是要做 CPR。
2. 按壓身體的下肢和腹部時，突然增加靜脈的壓力，並間接提高胸腔內壓，因而壓迫到心臟。^{[1, 6]}
3. 在瞬間加速、減速或旋轉的過程中，^[1] 扯壞了心臟本身的結構，以及它與血管之間的連結。^[6]
4. 爆炸事件改變受難者周遭的氣壓，朝著胸部直來的衝擊，造成看似微不足道的心臟挫傷，卻引發心肌壞死。尤其是年輕人血流改道的功能較差，特別容易受到的影響。^[1]

這個案例中少年遇到的，應該是屬於上述的第一種情形。他的前胸被油門把手擊中，心臟順勢往脊椎撞上去，並挫傷後壁。心臟鈍傷從外表看不出來，又未必有明顯症狀，所以診斷時較具挑戰性。不過，有些病患能迅速痊癒，不見得會產生致命後果。事實上，驗屍團隊發現少年的心臟，也的確有一些復原的跡象，只是所受的傷害太大，於事無補。^[1]

為了安全起見，當醫療人員見到第一張心電圖有異狀，就應該持續再做幾張，觀察心臟的狀況。同時，要反覆測量血液中肌鈣蛋白（troponin）的濃度，以協助判斷。^[1] 肌鈣蛋白只有在心臟受損的時候，才會出現在血液裡，從其含量可以推測傷害的程度。^[8] 值得注意的是，少年車禍後的驗血報告正常。^[1] 這也是為什麼醫師通常不僅要為胸痛病患驗血，而且 24 小時內可能會抽血 2 次以上，注意結果是否隨時間變化。^[8]

嚴重心臟鈍傷的肇因，50% 為車輛交通意外；35% 是行人被車撞；9% 與機車事故有關；而 6% 則是從高處摔落所致。^[6] 臺灣有些都市交通繁忙，所以事故頻傳。^[9]若是不幸遭遇車禍，就算沒有顯著外傷，大家最好還是去醫院稍做檢查。

延伸閱讀

保護腦袋都靠它！——安全帽的科學技術

備註

輕便型機車（moped）的排氣量在 50 c.c. 以下，視覺上和小綿羊機車（scooter）最大的差別，在於駕駛座前方，沒有臺灣人拿來載小狗的那個腳踏板。^[10]

參考資料

1. Gentile G, Tambuzzi S, Giovanetti G, et al. (2021) ‘Sudden death due to cardiac contusion: Forensic implications in a rare pediatric case’. Journal of Forensic Sciences, 66, 5, pp. 1996-2001.
2. ‘Bundle branch block’. (11 JUN 2022) Mayo Clinic.
3. ‘Left ventricular hypertrophy’. (25 NOV 2020) Mayo Clinic.
4. 黃韻文（01 JUL 2022）〈環保杯6大QA懶人包！今起帶杯折5元　杯子挑多大才夠裝？〉NOWnews
5. ‘Cardiac Tamponade’. (22 OCT 2021) Cleveland Clinic.
6. Singh S, Heard M, Pester JM, et al. (22 MAY 2022) ‘Blunt Cardiac Injury’. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
7. Yonezawa N, Takei T, Fujisawa M. (2021) ‘Right ventricular blowout rupture complicating cardiopulmonary resuscitation in a patient with acute pulmonary embolism’. BMJ Case Reports, 14:e245520.
8. ‘Troponin Test’. (09 SEP 2021) MedlinePlus.
9. 「道安資訊查詢網」交通部道路交通安全督導委員會（Accessed on 17 SEP 2022）
10. ‘Scooter Vs Moped – What’s The Difference?’. The Bike Insurer. (Accessed on 16 SEP 2022)

模擬驗證技術主要是為了預測、分析系統開發的特性及響應關係，透過模擬提供多種複雜條件下系統作動之響應行為，預先分析其環境條件、控制模組與系統物理特性關係是否符合預期。中心先進駕駛輔助系統開發之模擬驗證技術，依據環境感測模擬軟體建置 ISO 國際標準以及廠規測試驗證情境 (PreScan)，提供 ADAS 主動安全系統演算法開發模擬驗證 (MATLAB/Simulink)，並結合 CarSim 環境建置車輛動態，模擬車輛於實際道路路況之表現，確保 ADAS 控制系統演算法開發符合實際需求與安全規範。

ADAS 這樣守護你：車道維持、巡航控制、自動煞車

ARTC 開發一套自動輔助駕駛系統，主要由三項 ADAS 主動安全系統整合而成，包括車道維持輔助系統 (Lane Keeping Assistant Systems，LKAS)、自適應巡航控制系統 (Adaptive Cruise Control Systems，ACCS)、自動緊急煞車系統 (Autonomous Emergency Braking Systems，AEBS)，下列將介紹各次系統控制原理及流程。

車道維持輔助系統 (LKAS)

為了預防駕駛因疲勞而偏離車道，LKAS 系統利用車輛前方攝影機、車身訊號、方向盤轉角訊號，計算本車與車道中心線之偏移量，當駕駛有不當偏離車道時，系統將介入修正方向盤，使得車輛可維持於車道上而不偏離。

自適應巡航控制系統 (ACCS)

ACCS 是一種行車跟隨系統，藉由雷達偵測前車資訊，進而控制本車之行進車速，以確保行車的安全距離，而駕駛可透過安全距離之調整改變跟隨距離之遠近。

自動緊急煞車系統 (AEBS)

AEBS 透過影像與雷達感知融合技術，增強前方障礙物偵測之穩定度與精準度，並搭配車身訊號計算本車與障礙物之間的相對關係，最後透過系統的防撞決策來降低與前方撞擊之危險。

上路前，先進場模擬：ADAS 的模擬驗證技術

系統模擬驗證主要區分成三部分「測試情境」、「ADAS 主動安全系統演算法」、「目標車輛之物理模型」並透過相對應之軟體進行模擬，系統開發流程如下圖所示。

1. 測試情境：透過 PreScan 對外部環境及感測器的高度仿真，作為測試演算法前端之輸入資訊。
2.  ADAS 主動安全系統演算法：利用 MATLAB／Simulink 強健的開發工具，可制訂模塊對於各種時變系統，如控制、通訊、信號處理、影像處理和圖像處理系統等進行模擬、測試，也可以進行基於模型的設計。
3. 目標車輛之物理模型：利用 CarSim 對於實車車身姿態、行為、響應具有高精度之相似度，提供開發人員修改車輛參數、模型以達到符合模擬之層面。

Model in the Loop (MiL)

MiL 定義為「測試案例 @PreScan」、「演算法 @MATLAB/Simulink」、「物理模型 @CarSim」皆在純模擬環境下執行驗證，其優點為可快速測試演算法邏輯，並簡化過於複雜之測試流程，如下圖。

Hardware in the Loop (HiL)

藉由 HiL 來執行測試，主要是在演算法開發階段尚未完成前，先建置控制器的驗證迴路，並在模擬驗證環境中導入失效驗證情境，能實際測試車用控制器在不同的失效階段下，以了解控制器存在危險性及風險的情況，控制器是否實施緊急保護措施。HiL 模擬可幫助開發工程師在虛擬環境中有效地測試嵌入式控制器。

Vehicle in the Loop (ViL)

定義為將實車運動資訊回傳至虛擬環境中之驗證車輛，確保虛擬驗證車輛可與實際車輛之運動姿態相同，並透過虛擬感測模組偵測虛擬場景中之驗證車輛與對手車輛或相關物件之互動關係，再將此互動資訊傳輸至系統控制器 (ECU)，控制器依感測資訊下達控制命令控制實際車輛之轉向、煞車或油門等底盤模組。

考駕照就考駕照，為何需要模擬驗證系統？

模擬驗證主要是幫助減少演算法開發時程以及改變 try and error 開發流程，以及利用工具可以提早進行複雜場景測試及場景重現，利用 PreScan 建置各種測試環境，且提高測試情境之複雜度，將測試情境導入 MiL 測試可提高演算法功能上的確定性；HiL 測試可驗證單純在模擬環境下結合 ECU 後兩者輸出結果是否一致；ViL 測試則為了提高實車測試驗證安全性，因此利用 PreScan 模擬環境條件提供真實車輛進行 ADAS 系統演算法開發驗證，最後再進行實車道路情境測試確保系統功能之完整性、可控性以及系統穩定性、強健性。

本文出自財團法人車輛研究測試中心；原文於此，如需轉載，歡迎與車輛中心聯繫。

• 文／車輛中心 技術服務處

先別急著騎車，你聽過機車專用的駕駛系統嗎？

因消費者安全意識的抬頭，許多國家皆有專責機構推行新車評價計畫 (New Car Assessment Program，NCAP)，加上近年自駕車技術的快速發展，故現今汽車界最熱門的話題就是先進駕駛輔助系統 (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)；ADAS 領域（下圖）涵蓋範圍相當廣闊，只要是利用車上的感測器收集到的資訊，經由各系統處理器分析運算後讓車輛完成動作執行，都可算是 ADAS 系統；而其中多項功能原本車廠僅配備在高階或旗艦級車種，近年來在中階甚至一般車款也可看到，對於一般民眾而言已不再陌生而是購車時的基本需求。

當汽車的 ADAS 正被熱烈討論的時候，其實機車也有先進駕駛輔助系統，雖然中文看起來沒什麼分別，不過從原文 Advanced “Rider” Assistance Systems 中可以了解，這是 Rider（騎士）專屬的系統，因此其先進駕駛輔助系統就簡稱為 ARAS。

ARAS 早在 2008 年開始於歐洲有了雛型，但就像許多的汽車系統（Fuel Injection 燃油噴射、ABS 防鎖死煞車系統、TCS 牽引力控制系統等），將其裝載在機車上的技術門檻較高，感測器及系統處理器要更精緻更小型化甚至統合化，這一切都需要更長時間的研發與測試，才能將系統安裝在機車上並普及，而目前也已經看到許多廠家陸續發表 ARAS 系統，最快可以在 2020 年可看到實車配備。

ARAS 駕駛輔助系統有三種

那未來會運用在機車上的 ARAS 系統有哪些呢？其實就上述所提到利用車上的感測器資訊，經由系統處理器分析運算後讓車輛完成動作，都可算是 ADAS／ARAS 系統，而歐洲 SAFERIDER-EU 聯盟針對 PTW（Power Two-Wheeler 兩輪動力車）的安全以及駕駛意識，優先列出數種較為重要的 ARAS 系統並說明如下：

車速警報功能 (Speed Alert Functionality)

當騎乘者行駛在路道上的車速超過最大允許速度時，提供警示訊息或警報聲響告知駕駛者適時進行減速動作，以車道允許的車速行駛可降低意外事故發生的機率，同時也降低發生意外事故發生時的死亡率（註：由國外研究得知 50km/h 發生碰撞之致死率為 30km/h 的 8 倍）。

前方碰撞警示 (Frontal Collision Warning)

在機車行駛時，系統會不斷的透過車上的感測器獲得資訊，以車輛的行駛方向及當時車速為基準，搭配系統設定進行煞車時所需要的安全距離，若在此行駛方向的安全距離內有其他車輛、用路人或者是障礙物，有一定機率會發生碰撞時，系統會發出警報告知駕駛者需進行煞車或閃避動作，除了預防事故發生，也有效避免騎乘者僅以目測或當下騎乘感的誤判發生意外事故。

車道變換輔助 (Lane Change Support)

除了前方碰撞警示系統的預警，機車在道路上行駛時變換行駛路徑的頻度相對高於汽車，特別是在交通繁忙的壅塞市區，騎士必須注意保持前方車輛間距，同時還須注意側邊及後方的車輛，並不時查看後視鏡或轉頭，在行車過程中反而不易專心，因此車道變換輔助系統基本上是藉由車輛後方／側邊的感測器，偵測一定範圍內的車輛及車速，適度提醒騎乘者在視野盲區或特定區塊有其他車輛，降低潛在的風險避免意外事故發生。

騎車除了 ARAS，也別忘了防禦駕駛精神

ARAS 就功能看來是非常先進的駕駛輔助系統，不過可以發現許多系統還是以輔助騎乘者行車安全為主，如果騎乘者對於系統的提醒或報警置之不理，持續相同騎乘行為還是無法降低發生事故的風險，建議騎士應發揮防禦駕駛的精神：認知危險、預測危險、避開危險，未來再輔以 ARAS 系統的協助，騎乘機車更有安全保障。

本文出自財團法人車輛研究測試中心；原文標題《騎士安全的守護者 機車先進駕駛輔助系統（ARAS）》，如需轉載，歡迎與車輛中心聯繫。