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猴子審判 │ 科學史上的今天:5/25

張瑞棋_96
・2015/05/25 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

一九二○年代的美國,藉助第一次世界大戰帶動的工業生產,經濟與科技於戰後快速成長,新的精神與文化也有如蠢蠢欲動的岩漿開始衝破舊有規範。人們隨著自由即興的爵士樂搖擺、不顧禁酒令的規定暢飲私酒、抽象藝術大興其道,就連禁錮已久的女性參政權也終於獲得憲法保障。

然而在這樣自由開放的社會氛圍下,仍有一道思想防線在美國南方各州悄悄築起。1925 年 3 月 21 日,田納西州州長正式簽署「巴特勒法案(Butler Act)」,明令禁止老師在學校講授違背聖經中上帝造人的任何理論,尤其是主張人由原始生物演化而來的說法。

美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)極為憤慨,公開聲明將義務幫助每一位因講授演化論而被起訴的教師。沒有人預料到第一個案件很快就發生在一個人口只有一千八百人的小鎮達頓(Dayton)。

一位 24 歲的高中生物代課老師斯寇普斯(John Scopes)在鎮上幾位自由派人士的鼓吹之下,故意以身試法,承認於 4 月 24 日在課堂上講授演化論,並且特意要學生作證的確有聽到他提及猿猴祖先之事。結果如他所願,5 月 25 日這一天,他因違反田納西州法律而遭到檢方起訴;這件轟動全美國、別稱「猴子審判」(Monkey Trial)的「斯寇普斯案」正式成立。

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ACLU 守諾派了律師團前來,著名的人權律師丹諾(Clarence Darrow)亦主動加入辯護;檢方的主辯人也是大有來頭:前國務卿、曾三次代表民主黨競選總統的布萊恩(William J. Bryan)。雙方於 7 月 10 日在擠得水洩不通的法庭上展開世紀大辯論。

在七天的唇槍舌劍之中,丹諾等人原本找來八位演化學專家,試圖說明演化論與聖經並不衝突,但法官只允許一位出庭作證。他們轉而主張聖經僅應適用於道德與神學層面,不應插手科學領域;甚至出險招讓對手布萊恩坐上證人席,藉由他回答詰問時,按字面意義解釋《創世紀篇》所呈現的荒謬結果,來證明巴特勒法案有多不合理。但法官主動提醒陪審團不應考慮法律的合理性,重點在於有無觸法。眼見法官明顯偏頗,於是丹諾最後一天乾脆放棄結辯,任由陪審團於 7 月 21 日宣判斯寇普斯有罪,應罰款一百美元。

對 ACLU 與斯寇普斯等人而言,他們原本就不在意贏得官司,而是意在推翻惡法。於是他們向最高法院提起上訴,主張巴特勒法案違憲,但還是敗訴了。然而就影響層面而言,他們並未失敗。因為審判過程經由全國性的廣播而引發社會大眾的省思與討論,原本已進入立法程序的十五個州中,最後只有兩個州通過巴特勒法案。1967 年,田納西州終於廢除此法案;第二年,美國聯邦最高法院裁定所有類似的反演化論的立法違憲,科學教育才終於獲得保障。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1031 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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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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創世論捲土重來│ 科學史上的今天:8/18
張瑞棋_96
・2015/08/18 ・1122字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

話說以美國基督教的基本教義派為首的創世論陣營雖然贏得了 1925 年的「猴子審判」,成功禁止田納西州內的學校講授達爾文的演化論,但是他們在法庭辯論時自曝其短,反而造成自己無知淺薄的負面形象。原本有意跟進的十五個州中的十三個州後來都打了退堂鼓,田納西州自己也在 1967 年廢除規定,加上美國聯邦最高法院於 1968 年裁定所有反進化論的立法違憲,創世論者等於是贏了戰役,卻輸了戰爭。

然而,創世論陣營只是偃旗息鼓。他們很快地改變策略。說我迷信?我就改用科學名詞取代聖經中的用語,將宗教信仰包裝成「科學創世論」,並找來高學歷理工背景的菁英背書鼓吹。而既然我的也是另一套科學解釋,就有資格列入教科書中與演化論並列。

1981 年,阿肯色州與路易斯安那州先後通過「應平衡對待創世科學與演化科學」的「平衡法案」,賦予創世科學納入教科書的法源。當年在「猴子審判」一案中與之對抗的美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)再度挺身而出,向位於小石城的聯邦地區法院控告阿肯色州的平衡法案違反憲法第一修正案中,國家與宗教分離的原則。1982 年 2 月,法官認定創世科學是宗教,並非科學,判定阿肯色州的平衡法案違憲,無效。科學家視之為重大勝利,但欣喜之情卻很快被澆熄。

因為路易斯安那州的參議員率先向法院上訴,要求州政府立即修訂教材,ACLU 只好先以此舉侵犯教育董事會的權力為由向聯邦地區法院提出上訴,並獲得勝訴。但創世論陣營卻反將一軍,控告聯邦政府干涉地方事務,結果州最高法院於 1983 年推翻了 ACLU 勝訴的判決。於是 ACLU 改以違反憲法第一修正案為由再提上訴,而於 1985 年獲得勝訴。但不服的創世論陣營再上訴到第五巡迴法庭,雖然遭到駁回,卻是八票對七票的些微差距。

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創世論陣營士氣大振,繼續上訴到聯邦最高法院,聯邦最高法院也決定受理。眼見態勢險峻,1986 年的今天,美國 72 位諾貝爾獎得主史無前例地與 17 個州立科學院以及 7 個科學機構聯名簽署,向最高法院遞交請願書。1987 年 6 月 19 日,聯邦最高法院以七票對二票,宣判路易斯安那州的平衡法案違憲。創世論的反撲再度被擊退。

不過別以為科學家們從此就可以高枕無憂。1987 年以後,創世論改以「智能設計」的面貌繼續挑戰演化論。2001 年開始,創世論陣營以退為進,改以學術自由的名義,要求立法保障教師可以鼓勵學生質疑演化論、生命起源、地球暖化等他們認為仍有爭議的理論,必要時可以使用補充教材。路易斯安那州已於 2008 年率先通過這樣的法案。看來這將是一場艱苦而漫長的戰役了。

(圖為《創造亞當》, 是米開朗基羅創作的西斯廷禮拜堂天頂畫《創世紀》的一部分。)

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1031 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。