2020年國際科展現場直擊：三十秒找出「硬」三角形、用指尖陀螺研究離心機！

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！

從上兩篇國際科展研究介紹，能看出中學生對生活、自然界的重視。源於對生活的熱情，行為與社會科學科和電腦科學與資訊工程科的學生們也從人類習性的角度切入，產出有趣的主題。所謂科技來自人性，科展主題也來自對生活的探索與對自身的好奇。

【行為與社會科】：視覺中的鬼影是哪來的？

臺北麗山高中周芷語、謝宜薰在看到《國家地理》雜誌探討視覺的文章，對自己視覺中所產生的鬼影感到驚奇。赫曼方格是因人體視網膜的「側抑制作用」而造成的，在某些視覺刺激較強時，接收到周圍較弱訊號的細胞會被覆蓋。在赫曼方格的例子中，黑方格與白線條中會有錯覺造成的灰點。

兩人疑惑赫曼方格會讓人感覺黑色方格間白色線條的交會處出現暗點，但一般穿著的格子衫卻很少會出現這個狀況，萌生出想進一步研究的想法。他們的作品獲得本次大會獎二等獎。

研究中針對三種視錯覺中生理錯覺的赫曼方格來探討，他們將赫曼方格套入不同配色，以 RGB 色法去定義對比色、互換色和相近色，再將這些方格設計為格子衫，讓受試者觀看並探討消費行為。

由於傳統的赫曼方格（黑白配色）所受到的側抑制較明顯，較易產生生理錯覺，並且在黑白色互換後因眼球較激烈的顫動（saccade）使得閃爍程度上升，導致眼睛易感到疲憊。不同顏色的赫曼方格則會受到視桿與視錐細胞的影響，導致我們看到不同的生理錯覺。例如看著紅綠格子衫時，正常視覺下鬼影的出現和灰點閃爍程度皆為零，然而紅綠色盲的受試者卻會看到鬼影——這樣的差異，就會影響到受試者是否較有意願購買這種配色的衣服。

提及未來的研究方向時，周芷語、謝宜薰提及應該要再修改問卷設計，並且未來進行實驗時，期望能運用眼動儀和腦波儀來使實驗結果更精確。

【電腦科學與資訊工程科】運用空間物品記憶裝置建構搬運機器人

台北內湖高中廖子游、邵明諒、林禹丞表示，先前於全國科展時，他們研發 AR的相關軟體，希望能經由環境物體辨識和定位，導航出指定物品的正確位置。延伸功能若能夠套用在機器人身上，能使機器人與人之間有更良好的互動，且能更合乎我們的訴求。

團隊研發一款 AR 記憶眼鏡，能在日常生活中建構整個空間，並利用特徵點建構平面並辨識物體，標記出這個物品在空間中的地點。即使被記憶的物品是放在抽屜中，或是剛好在記憶眼鏡視野的正後方，也能夠藉由記憶中的方位與距離正確引導出物品的所在位置。如果能進一步將這樣的記憶資訊傳達搬運機器人，擁有空間記憶的機器人就可以正確找到尋找的物件，並做出妥善的處理。舉例來說，我們吃糕點時常一不小心就掉屑屑，此時若人類配戴 AR 記憶眼鏡，可以迅速讓掃地機器人趕到現場進行清掃。

關於自己出色的設計，他們表示就高中生而言能運用的經費有限，無法購得實質的 AR 眼鏡。不過，三人藉由手機裝載自製 app，再將手機放入 AR 眼鏡殼來模擬 AR 眼鏡的畫面，並以有線耳機上的音量鍵作為操作眼鏡的控制器。真正的挑戰是物件識別的整合、數據資料的處理，以及要讓程式計算出正確的物件方位和距離。

儘管年紀尚輕，這些充滿創意的中學生們身上已散發著渾厚的科學家氣息。無論是對於周遭未知的問題窮追不捨，又或者能從簡單原理發想新的創意。雖然有時會受限資源不足，他們都細心地對此進行嚴謹的研究，即使挫敗也不輕易言棄。這樣願意親自深究，挖出未知背後的真相，正是研究學者所應具備的精神。

期許未來能有更多同學能運用課堂中的知識，在科展中一顯身手，明年我們在科教館不見不散！

上篇國際科展的介紹中，我們看見中學生們經由生活周遭的觀察，獲取研究的靈感與啟發。本篇延續這份對生活的熱情與對社會的關懷，走進環境科學的研究環節。

科學的起源在於人類對自然的觀察與重視。對生命與環境的充滿熱誠、選擇地球與環境科學科、植物學科的同學們，究竟出現了哪些題目呢？來問問師大附中的廖廷涓同學，以及來自屏東潮州高中的莊惟婷、陳馬琤、賴安琦同學吧！

【地球與環境科學】：哪些因素會影響海平面的高度？

廖廷涓在上地球科學課時，發現有許多能影響海平面年際變化（一年以上的變化）的因素。舉例來說，2011 年就出現聖嬰現象，使得全球海平面高度平均下降 5 毫米。某些不清楚年際變化的陰謀論者就憑這個數據主張全球暖化並不存在，無視了長期趨勢變化。若對環境的改變毫無知覺、不了解這些變化背後所隱含的意義，我們就可能會錯估地球的健康狀況。因此，廖廷涓想知道有沒有其他也會成為影響海平面年際變化的因子？

為此，廖廷涓由美國太空總署（NASA）、法國國家太空研究中心（法文：Centre National d’Études Spatiales，縮寫：CNES）和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發布的公開數據。針對中太平洋聖嬰現象、東太平洋聖嬰現象、北極振盪、南極振盪，以及太平洋或大西洋多年代震盪這六個年際震盪因子，個別分析與 1993-2017 年的全球平均海平面年際震盪之間是否相關。此研究讓她獲得本次大會獎一等獎，並為地球與環境科學的出國正選代表。

結果顯示，這六種年際震盪中，中太平洋聖嬰現象、太平洋或大西洋多年代震盪三者對海平面高度的影響較大。北極振盪整體而言雖然不如前三者有顯著影響，仍然與平均海平面高度有相關性。

運用分析結果乘以各因子所佔比重後，預測模型作出 R 值 0.86 的海平面高度變化曲線圖。換句話說，只要得知這些因子的變化趨勢，就可以解釋約 70% 的全球平均海平面高度的年際變化，也有機會預測未來海平面高的年際變化。

另外，研究結果還顯示，大西洋多年代震盪及北極振盪出現後幾個月，海平面才會發生顯著變化。廖廷涓表示相當感興趣海平面變化延遲的原因，未來想更深入研究這些氣候現象與海平面高度之間如何互相影響，並釐清不同海域與這些因子間的關聯。

【植物學】絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的？

莊惟婷、陳馬琤、賴安琦在生物課本上看到了各式各樣的食蟲植物，一個少見的水生食蟲植物抓住了她們的目光——絲葉狸藻（Utricularia gibba）。從前人的研究中得知，絲葉狸藻是捕蟲界的一方之霸，捕蟲的吸入動作僅需 0.02-0.05 秒，非常快速。捕蟲囊內部的四爪腺毛是絲葉狸藻吸收養分與排出囊中水分的重要路徑。然而，同是特化構造的半球型腺毛卻很少在先前研究中被提及。因此她們希望能釐清半球型腺毛的功用，以及已知具有消化功能的四爪腺毛對不同營養物質吸收的狀況，並作出比較。

要解釋如何釐清半球型腺毛的功能，我們需從捕蟲囊的捕食機制談起：當獵物經過時，囊口外側的觸發毛會控制瓣膜開合，利用囊中負壓迅速吸入獵物與溶液；之後再由四爪腺毛把多餘的溶液排出囊外，重新回到準備捕食獵物的狀態。不過他們懷疑，不只是四爪腺毛，由氣孔特化出的半球型腺毛可能也具備排水的功能，於是開始著手進行實驗。

團隊調配兩種不同色的螢光染劑溶液，並以睫毛針觸發捕蟲囊開關，使捕蟲囊受內外染料染出不同顏色。隨後發現，外部位於捕蟲囊側面的半球型腺毛其出水孔有不同色的色素殘留痕跡，顯示半球型腺毛確有排水功能。

解決半球型腺毛的問題後，他們轉向比較四爪腺毛在吸收不同營養物質（甘胺酸、硝酸鉀、甘油和葡萄糖），以及吸收水分時的表現差異。他們觀察到染色過的營養液被吸進捕蟲囊後，會立即充入四爪腺毛並流進捕蟲囊的基座細胞，由共質體路徑進入至植體。他們推測含氮物質是從專一性的離子通道運輸至體內，至於是否為主動運輸仍有待商榷。

四種營養素中，葡萄糖雖然能快速進入四爪腺毛，卻發現沒有被大量吸收，後他們推測因實驗系統設計是在光照下進行，由於絲葉狸藻可行光合作用補充葡萄糖，故不需使用捕蟲器進行葡萄糖補充。

另外，他們也研究在不同理化因子（如照光、環境溫度）的影響下，對半球型腺毛和捕蟲運動造成的影響。在燈源上加上色紙作為藍、紅兩類色光光源，並比較色光觸發前後捕蟲囊的面積變化率。最終發現，短波長的藍光有使捕蟲囊面積下降的趨勢。但比較捕蟲囊在觸發捕捉獵物前後的形態變化，他們得出短波長的藍光可促進捕蟲囊的排水功能，進而可使捕蟲囊的捕蟲效率提升。另外，經由測量不同光照下對光合作用光反應速率的影響，他們發現紅光下光反應速率最好，藍光最差，正與先前捕蟲囊面積變化的實驗結果相反。因此，團隊推測正因藍光下光合作用光反應效率低，才需要活躍的捕蟲運動來補足養分。

除此之外，他們還發想到能以捕蟲囊為設計模型，製造一個以不同膨脹係數的雙層材料製造的囊袋（內層小，外層大），擺放於海面漂泊。在白天高溫時，可觸發袋口吸入海水與塑膠微粒，晚上低溫時袋口緊閉造成負壓內凹，將海水排出而留下較大的塑膠微粒於袋中，進而達到回收塑膠微粒的效用。

有很多設計的最初理念也都是在生物觀察時受到啟發，期望莊惟婷、陳馬琤、賴安琦三位同學的設計，能在未來減輕人類所造成的環汙問題！

（修改時間：2020年4月13日）

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