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石光歲道

timd_huang
・2011/05/23 ・4840字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 473 ・五年級

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至少從我這個井底之蛙所知道的,中文有個其它語言所沒有的特性,那就是諧音和同音字的應用,在我們生活的周遭,這種例子比比皆是,而且運用之妙,令人拍手稱絕,如最近馬上要選舉了,送候選人鳳梨(旺來)、蘿蔔(彩頭),文學上的例 子那就更多,也無法例舉;這篇文章的題目,只是我硬坳,把此中文特性應用到我玩石頭方面,將常用的科幻成語「時光隧道」赤裸裸地搬到這邊來用,講講近日的兩個玩「石」、「光」學、年「歲」、和「道」路,也就是透過科學和科普玩石頭的最近一些經驗與心路歷程。

愛瘋(iPhone)近拍

玩石頭的大樂趣之一,就是經常要跑野外採集樣本,也往往需要放大仔細看看所採集到樣本的細微部份,當然,當我們跑野外的時候,脖子上一定掛著放大鏡,隨時可以掏出來看,可是,如果能把某化石或礦物的細微之處,在現場就拍攝下來,作為永久的紀錄,那不是比回到家裡再用礦物顯微鏡來得方便、來得好嗎?如今數位相機已經太普遍了,幾乎每次出門口袋裡沒人不會裝著;再者,如今的智慧型手機,也都有相機的功能,其攝影的解析度,也不見得輸給數位相機,因此,有人連數位相機都不帶了,口袋裡只裝著手機。

不論數位相機也好,智慧型手機也好,兩者的攝影功能,在近拍方面,都有某些限度,每每無法滿足實際的要求,在家裡的話,如果數位相機的近拍倍數不夠,又沒有專業的近拍鏡頭或礦物顯微鏡的話,可以找個放大鏡臨時擺在鏡頭之前,也就能達到某種程度的更高倍數近拍,但是,如果在野外,實際使用的操作,可能就不那麼方便了,因此,怎麼找出一個體積小、攜帶方便,能讓我們隨身攜帶在野外容易拍攝非常近拍的方法呢?

幾個月以前,在國外一個很有趣的網站找到了答案:利用一根迴紋針和從廢棄光碟機拆下來的鏡片,做成增高近拍的輔助鏡頭,總共的花費為(幾乎)零元,時間,幾分鐘,效果,非常好。

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首先,以我所拆卸家裡廢棄的光碟機來說,裡面有兩個直徑大約只有3、4釐米的放大鏡片,小心把它們拆下來,比較大而且厚的那個,放大倍率較低,那個比較小比較凸的那個,放大倍率比較高;這兩個都有用膠水黏在原本的架子上,小心用力就可以扳下來,不要忘記把還黏在鏡片四周的舊膠水除乾淨;在此過程中,注意不要刮傷了鏡面。

接著,找兩根包有塑膠套的迴紋針,一端先打直,接著彎成一個小圓圈,直徑稍大於兩個鏡片那麼大,再把鏡片放上去,放好放平,點上一小小滴的三秒膠,將鏡片固定到迴紋針所彎成的圈圈內,記得,三秒膠不要點太多跑到鏡頭上面去,要不然就得等三秒膠乾後,很小心地把這些多出來的膠水(薄膜)清除掉,否則就會影響鏡頭的焦距,造成不良的拍攝結果;接下來,把所剩下來的迴紋針部份,彎成可以夾在愛瘋手機上面,鏡片剛好放在手機鏡 頭前面,哇啦!大功告成;我現在有了兩個幾乎不佔空間、近拍放大倍率不同的近拍附加鏡頭,隨時隨地可在我的愛瘋手機上任我高興做近拍。

迴紋針方面,建議使用那種有包裹著塑膠的那種,不要用沒有塑膠包的鐵絲那種,原因是這一層塑膠有一點彈性,提供一些緩衝,也不會刮到手機;為何要用迴紋針?一則是它為日常生活最常見的,到處隨手可得,即便需要到文具行去買一整盒,也沒幾個錢,再者,成品的體積根本不佔空間,而且可以任意彎曲變形,任何帶有鏡頭的手機都可用,在野地使用很方便,不需要多帶任何額外的工具。

這種自己「帝埃歪(DIY, Do It Yourself)」的近拍輔助鏡頭,當然從想賣你攝影器材商的角度來說,根本不能和專業相機專業近拍鏡頭比較,但是,我們也沒有和專業傳統攝影做比較的必要,他們那套相機和專用鏡頭要多少錢啊?連同必要的配件體積重量多少,扛著跑野外,會有多麼累人啊?我們的只有一根迴紋針,也不必另外花錢就可得,根本無法比;我們只希望在野外方便隨時可用就好了。

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那麼,最關鍵的問題:效果如何呢?如果效果實在太爛,那也就不用比了,真想要得到所希望的近拍效果,還是回老路扛著多少公斤的傳統(或已被數位取代)攝影器材吧!

請看這三張照片:第一張(上邊)是用愛瘋所做的最接近的近拍;雖然愛瘋有好多可以下載的攝影應用程式有變焦的功能,但數位變焦總不比光學變焦來得好;我用它把上次帶團到美國蒙大拿挖恐龍活動所撿到桿菊石上面很漂亮的隔室花紋照出來,但是近拍程度不夠近,近拍效果不太令人滿意;第二張(中間)是用那個放大倍率較低那個(白色)自己做附加鏡頭的成果;在此照片可以看出來景深已經變很淺短了,原本的桿菊石表面有一點弧度,使得這張照片中隔室花紋中間部份有在焦距範圍內,但是上下兩邊的部份,卻已經有些失焦;第三張(下邊)則是用綠色那個高倍率附加近拍鏡所得到的結果,因為放大倍率實在太(過)高,景深非常非常淺短,只有一條隔室花紋線條的中間部份清楚,其它的就失焦了,整個鏡頭幾乎是貼在桿菊石上面,拍攝反而不方便;也就是說,奉勸大家,在做近拍的時候,不要光光貪圖放大倍率有多高,也需要考慮景深對焦等等實際操作項目,就如隨身攜帶掛在脖子上的放大鏡,經驗上顯示15倍就已經很夠用好用了;哈!拿愛瘋當攝影機有個重大的缺點,愛瘋沒有腳架接頭,無法用三腳架固定防震--總要挑蘋果一些毛病才爽。

順著多年來我一向的主張和實際科普推廣行動角度來說,不是我老黃賣瓜自賣自誇,這一招廢物利用自己動手做的近拍附加鏡頭好不好?效果如何?我自己不多說,上面這些照片自己會說話,在不用花錢就能得到這種效果的考量下,應該可打九十幾分了;這也就是前幾天我另文所說的微電腦革命所引發科技的各種後續革命,正在熱烈進行中,有些已經成為你我日常生活中的常態,有些正在普及化中;就以這裡所舉的廢物利用自己動手做近拍附加鏡頭為例,能夠把廢物利用得到如此的效果,也讓大家能幾乎不用多花錢,就可透過手機把生活四周的顯微細況記錄下來,有何不好?搞不好,如此簡單的東東,或可幫助警察在犯案現場做些重要的紀錄呢!小小成就,不值掛齒,但值得私自浮三大白。

桌上三維數位化(DeskTop 3Digitizing)掃描練習

日前寫了ㄧ篇〈數位化石時代來臨〉,提到過去需要昂貴(五、六萬美金以上)雷射三維掃描的三維數據化設備和專業技術與經驗,當下則可藉由三千美元有找的桌上型三維雷射掃描機,已經把這個過去高高在上象牙塔裡面的尖端科技,普及到你我尋常百姓人家的桌面上了;既然我斗敢「鑵鑄(Coin)」此「桌上三維數位化」的專有名詞,當然不會滿足於淺嚐即止的階段,我一定是抓住此機會,好好地練習了一番,以下就是這些練習的紀錄。

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首先要說的,或說要罵的,還是回到電腦方面;這家桌上型三維掃瞄機公司很有趣,在他們的教學影片上,可以清楚辨認出來,他們所使用的個人電腦是蘋果公司的麥金塔MaBook Pro機型,可是他們卻要求客戶使用者跑微卵的視窗,因為他們的程式只能在批西視窗作業環境上面跑;這真是荒唐啊!它們自己享受舒適人性化的個人電腦,卻叫使用者去忍受沒有人性的視窗折磨,真搞不懂是什麼邏輯。

蘋果的麥金塔電腦,幾年前從威力晶片(Power PC, G Series)改成因特爾的微處理器了,所以理論上來說,既然使用同樣的中央處理器(CPU, Central Processing Unit),應該可以跑視窗作業系統;有人測試過,在蘋果的機器上跑視窗,速度還比批西要來得快,真是諷刺啊!

想在蘋果機器上跑窗,現有兩大類的選擇:一是好幾家協力廠商所提供的虛擬環境,包括免費的「虛擬盒(VirtualBox)」,在麥金塔的作業系統十(OS X)之下,透過這些虛擬環境安裝執行視窗作業系統;這種方式的好處是不必重新開機,不必離開比起視窗七(視窗XP不用說)好用人性化很多的麥金塔系統十作業環境;另外的方法是蘋果公司隨著電腦所附的「啟動營(BootCamp)」,它是蘋果的一款多重開機引導軟體,讓蘋果電腦安裝微卵的視窗系列操作系統; 它不是一個虛擬化的程式,容許兩種操作系統並存在蘋果的電腦上,不過,啟動營只容許用戶每次開機使用一種操作系統;亦即,當用戶使用微卵視窗,而需要轉回麥金塔系統十時,則必須重新啟動電腦,反之亦然;這一點是讓很多蘋果使用者最幹瞧的地方,協力廠商都可以做到不必離開蘋果的系統十,蘋果自己反而倒退嚕, 笑話。

受限於我電腦記憶體量,目前採用蘋果啟動營這條路,把整個蘋果愛麥克(iMac)轉換成不折不扣的視窗電腦,我的苦惱幹譙就在此,相對於麥金塔系統十重新開機,重新以視窗開機,真是它X的慢,喝完了整杯咖啡,還沒啟動完成,不幹也得幹!再者,雖然視窗也學了蘋果的桌面暗喻 (DeskTop Metaphor),可是真的皮毛得很啊,在人性化直覺使用性方面,那還差的遠呢!隨便舉一個例子來說,我把隨身碟插到電腦上,蘋果系統馬上會在桌面上出現該隨身碟的圖像,而視窗卻不會,還要自己打開「我的電腦」搞了半天,這不是不把人當人用嗎?看來我廿多年以前搞中文電腦時代的名(狂)言:「MS- DOS不是人用的,用久了也不是人」,把這句話的「MS-DOS」換成「視窗」,並沒過時!你還在用視窗?小心,用久了,你會變成「不是人」!哈!我知道有些人看到這裡會很反感,不過,如果我還用溫良恭儉讓的言詞,你會好好思考這個課題嗎?微卵系統中病毒是例行公事,對你造成了多大的損失?有沒有算過?

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簡單說來,被迫回到視窗環境進行桌上三維掃描,最大的困擾並非該桌上型三維掃瞄器的執行軟體和操作過程,而是在底層的視窗,實在是極端沒有人性的折磨人;這家公司所提供的數位雷射三維掃描軟體,平心而論,算是不錯了,人機介面也及格,連我這個三維大白痴都做得到,只要照著步驟進行,每個樣本從樣本放置、掃描、修整、…等等,乃至最後可輸出好多種不同格式的三維數位化檔案,為了後續的製作,我選擇了*.obj的輸出檔案;平均起來每次掃描大約要花一個半小 時,可算是可以接受的速度;以此比較於以前用十幾張數位相片、純軟體、無法處理凹處的iModeller四個多小時,這途除了精確度有大幅度的提昇之外, 操作的時間也節省到大約三分之一,我很滿足,所以抓住機會,拿了手邊的十個樣本(如照片)來練習。

在啟動營跑視窗方面,一旦產生得到了所掃描的物件三維數位化檔案(*.obj格式)之後,就可以告別視窗的人性糟蹋,回到麥金塔系統十的環境,重新享受把人當人的人性化電腦使用;對於一般人來說,三維掃描數位化所得到的檔案,除非專門搞三維的使用者知道如何後續應用之外,一般尋常百姓人家想要能夠馬上看到該物件結果,而且能虛擬把玩的,可說很難啊!但是,在麥金塔上面,我卻能在短短兩三分鐘之內,把所得到的數位檔案,製作成悅人耳目的視訊短片,讓任何電腦使用者都可以在自己的電腦上、或 透過網路把玩;噓,小聲一點說,我所用到的後製作軟體,全都是免費的,誰說天下沒有白吃(三滴白痴)的午餐?

首先,上網去下載安裝 一個叫做 glc_player 的免費三維觀賞操作應用程式,透過它打開掃描所輸出的 *.obj 檔案,這時候就可在該應用程式的視窗內看到數位化的三維物件,使用該程式的諸多功能,你可以把物件放大縮小轉過來又轉過去,任你把玩;在此我不多介紹該軟體的諸多功能,我只用它的一個非常有用的指令--照著你所選擇的旋轉軸,輸出一系列的連續相片,我把這90張相片(.jpg)檔案放在一個檔案夾裡面,就可離開此程式了。

接著下來,使用以前蘋果附贈的「快時七播放程式(QuickTime 7 Player)」(網路上應該還可以免費下載到),利用「檔案/打開影像序列…」指令(按:最新版的快時播放程式,這個功能不見了,蘋果又「老倒縮」 了),選擇前一步驟所產生檔案夾裡面的任何一張相片,「快時七」自動就會把這些相片組合成一個視訊的短片,給予該短片名稱之後,就可以上傳到「臉書 (FaceBook)」或「你管(YouTube)」去驕其妻妾了!前前後後不到一分鐘,哈!就這麼簡單快速。

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透過以上的方法,我總共練習了十個樣本(如下照片),也做成了十個「快時」的短片,全都上載放到我個人的「臉書」和「你管」網頁了,歡迎有興趣者去把玩!

本文原發表於催眠恐龍[2010-10-26]

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timd_huang
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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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從一片荒蕪到綠色星球:細菌與光合作用如何重塑地球——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/27 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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喜出望外

海中糟粕化為盎然綠意

這個星球現在仰仗光合作用運轉。

──史緹耶可.戈盧比奇(Stjepko Golubic)

四十億年前,地球的陸塊相當單調,黑色、褐色、灰色的岩石上一片荒蕪,火山朝著無氧的大氣噴發毒素,人類乘坐時光機回到那時間點會立刻窒息。當時地球上僅有的生命形態是細菌,以及比英文句號還小得多的單細胞生物。然而若往前快轉幾十億年,來到距今僅三億五千萬年前後,會發現大氣中氧含量接近人類已經習慣了的百分之二十一,這是個很奢華的數字。

那個年代,海洋中滿是巨大生物四處洄游,植物入侵陸地並為人類的演化鋪路。地球從無法居住的荒土蛻變為藍綠色的生命樂園,這麼戲劇性的轉折是什麼力量在背後推動?

種種因素之中有一項特別醒目:直到一九六〇年代人類才開始意識到光合作用的力量不下於各種地質學事件,改造這顆星球的手段神祕且驚奇,非常難以想像。

地球從荒土到生命樂園的蛻變,歸功於光合作用的出現。圖 / unsplash

改造過程中,光合作用或許曾經引發大規模生物滅絕。科學家一度認為其威力能夠與核戰浩劫相提並論,使這顆行星被寒冰覆蓋化作巨型雪球。但同時光合作用又輔助、甚至促成「不可能」的演化捷徑,進而提高生命多樣性,最終使植物甚至人類得以存在。科學家如何研究太古時代的自然變動?而光合作用又如何將地球鬧得天翻地覆?

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疊層石背後的生命故事

十九世紀末期,有人找到能夠追溯光合作用悠久歷史的第一條線索。那時候沒有任何證據指向距今大約五億五千萬年的寒武紀之前有生命存在,然而一八八二年冬天美國大峽谷深處名叫查爾斯.沃爾科特(Charles Walcott)的岩石收藏家改變了一切,後來還當上史密森尼學會的主席。

沃爾科特的故鄉是化石天堂紐約州由提卡市(Utica)。小時候他生得瘦瘦高高,喜歡在父母的農場以及附近未來岳父擁有的採石場內找化石,十八歲離開校園之後先去五金行當店員,卻自己閱讀教科書、研究化石並撰寫論文、與著名地質學家通信來維繫心中熱情。他曾經蒐集古代海洋生物三葉蟲的化石標本,品質在全世界而言也是數一數二,後來慷慨出售給了哈佛大學。

沃爾科特的勘探技巧十分高明,也藉此就職於新成立的美國地質調查局。一八八二年十一月,地質調查局局長、同時自己也是探險家的約翰.威斯利.鮑威爾(John Wesley Powell)要求沃爾科特勘測迄今為止無法進入的大峽谷深處。

鮑威爾之前嘗試過,但只能乘坐小木舟趁漂流時稍微觀察最底層岩石,後來他就在偶爾有「刺骨寒霧、雪花飛旋」的地方紮營監督,帶人修建一條從峽谷邊緣延伸到下方三千英尺(約九百一十四公尺)處溫暖地帶的陡峭馬徑,並且讓時年三十三歲的沃爾科特帶著三名工人和足夠支撐三個月的食物、九匹上鞍的騾子沿著那條臨時小徑進入谷底。

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「高原之後就會積滿雪,」鮑威爾告訴他:「春天之前你和搬運工無法離開峽谷。希望這段時間裡,你能好好研究地層序列,盡量收集化石。祝好運!」

對沃爾科特而言,這是千載難逢的機會。他已經發現一些已知的最古老化石,例如神似甲殼類但奇形怪狀的三葉蟲。此外,達爾文發表《物種起源》不過四十年前,但因為缺乏最原始的動植物或細菌化石而遭到很多抨擊。批評者仗著沒有化石這點堅稱所有物種都是神造,懷疑論者也要求達爾文證明古代有過更單純的生物,可惜他只能委婉表示若生物體很小就不容易留下化石,希望有朝一日會出現。

充滿驚喜的山谷

沃爾科特深知達爾文的窘境。他沿著陡峭原始小徑下降到幾乎沒有生命跡象的大峽谷谷底,然後用心觀察周遭環境。山谷、懸崖,除了石頭還是石頭,但這一隅紅色天地很得他喜愛,不過同行的化石收集家、廚師和馱獸管理員就未必能夠分享那份悸動了。

他們沿著八百英尺(約兩百四十四公尺)峭壁吃力前行,其中一段就是現在的南科維山徑(NankoweapTrail),一般認為是大峽谷裡最危險的路線,河流地形坡陡水急即使沿岸也難以行走,有時候不得不自己開路以求深入。後來一頭騾子死亡、另外兩頭受傷。旅程中至少一次,沃爾科特筆中的墨水結凍了,但又必須在篝火邊融冰為水給騾子飲用。但最可怕的其實是死寂與孤獨,才三個星期就導致那位化石收集家夥伴憂鬱求去。但沃爾科特不同,能來到谷底他太興奮了,堅持了七十二天才踏上歸途。

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有一天他爬上爬下,對部分岩石中層層線條感到好奇,乍看很像切開的包心菜。這些圖案極不尋常,所以沃爾科特認定是生物,後來將其命名為藍綠菌(最初曾視為藻類)。他還聯想到自己在紐約州看過來自寒武紀時期的類似化石,取「隱含生命」的含義命名為隱藻化石(Cryptozoön)。然而大峽谷的情況有點不同,這些化石明顯可見,卻又位於更古老的岩層內,因此歷史比任何其他已發現的化石都久遠。

沃爾科特在大峽谷的古老岩層中發現了類似藍綠菌的化石,命名為隱藻化石,揭示比已知更古老的生命存在。圖 / unsplash

沃爾科特後來在蒙大拿州等地持續發現同樣古老的隱藻化石,接著其他古生物學家也在前寒武紀岩石內察覺到疑似化石的特殊圖案,種種線索指向最原始生命形式的證據可能保存在寒武紀前的石頭裡。即便如此懷疑論調不斷,尤其某個長期存在爭議的標本被證明了並非化石,而是火山石灰岩經過壓力和高溫形成獨特的礦物沉積。

隱藻化石的爭議:解鎖前寒武紀生命的證據

一九三〇年代,沃爾科特去世的四年後,劍橋大學最具影響力的古植物學家蘇厄德(Albert Charles Seward)決定加入辯論,卻在後來被古生物學家肖普夫(William Schopf)形容是「讓煮熟的鴨子飛了」。蘇厄德在史稱「隱藻化石爭議」的事件中嚴格審視前寒武紀化石證據,得出結論認為這完全是一廂情願,所謂的化石與現存物種之間沒有明顯關係,大型結構並未顯示出由較小細胞組成的特徵。

他主張沃爾科特在隱藻化石找到的環狀圖案可能是海底富含鈣質的淤泥沉積,人類本來就不該期望細菌這樣微小的生物會被保存在化石,最後又語重心長告誡科學家:有些尋找化石的人太過一頭熱,他們宣稱找到特別古老的標本時不能輕信。

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地位如此卓著的人物提出警告,導致地質學家不願再從岩石尋找距今約五億年以上的化石,畢竟找到的機率幾乎等於零。久而久之許多人認定了生命在地球上的歷史很短,這顆星球的前面四十億年、其歷史的九成之中根本沒有生命存在。微生物學家史緹耶可.戈盧比奇指出許多科學家以「前寒武紀」一詞指稱生命尚未問世的太古時期,其實這是陷入「現有工具檢測不到就代表不存在」的思考偏誤,將缺乏證據直接視為否定證據了。

時間來到二十年後的一九五〇年代中期,澳洲年輕研究生布萊恩.洛根(Brian Logan)隨地質學教授菲利普.普萊福德(Philip Playford)探索了位置偏遠的鯊魚灣,也就是澳洲西北海岸一片孤立的鹹水潟湖。站在這兒的海灘,淺藍色海水退潮時會露出如夢似幻的奇景:數百顆三英尺(約九十一公分)高的圓柱狀岩石林立,彼此間距很小,彷彿堅硬粗糙如石塊的蘑菇聚集叢生。

兩人詳細調查了這片怪異石陣,然後意識到理解沃爾科特隱藻化石的關鍵。眼前這些不僅是活化石,還能回答一個經典謎語:什麼東西既死又活?石頭表面曾經活著,是藍綠菌累積起來形成網罩般的構造。海水進出時,這層菌網會捕捉沉積物。而藍綠菌死亡後,沉積物固定在原位如海綿狀的石塔,於是又有新的細菌附著其上、形成新的一層網罩。

細菌以同樣方式在太古海洋中創造出沃爾科特的隱藻化石,現在稱為疊層石,語源是希臘文stroma(層)和lithos(岩)。目前只有鯊魚灣等少數幾個地方能找到疊層石,環境對其他多數生物過於鹹澀無法生存。但另一方面,已經化石化的古老疊層石則在世界各地皆有發現。

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澳洲地質學家偶然發現還活著的疊層石,同時美國兩位地質學家史坦利.泰勒(Stanley Tyler)和埃爾索.巴洪(Elso Barghoorn)也宣布找到了蘇厄德口中不存在的化石標本,其中微生物有單細胞也有多細胞,藍綠菌絲也包括在內,而且這些化石都有大約二十億年歷史。「許多人很震驚的,」戈盧比奇表示:「原本以為生命在寒武紀才爆發,之前什麼都沒有。寒武紀應該是起點才對。」但現在普遍接受最古老的疊層石化石上微生物活在三十五億年前,依舊是地球誕生的十億年之後。達爾文和沃爾科特應該很欣慰。

哪種細菌造出最古老的疊層石?無法確定是已經會行光合作用的藍綠菌,抑或是它們的祖先。不過藍綠菌至少二十四億年前已經存在於海洋。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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台灣有恐龍嗎?化石學家帶你探索島嶼的古老秘密——《好久・不見》
麥田出版_96
・2024/11/02 ・2579字 ・閱讀時間約 5 分鐘

台灣的地理位置與化石形成

台灣也有化石嗎?台灣也有恐龍嗎?

世界地圖攤開一看,台灣陸地上的面積看來是不大,但其面對的太平洋,不只在我的想像中、在我多年搭著飛機到世界各地檢視相關的標本,試著拼湊出鯨魚們在數千萬年間演化歷程的經驗中,我知道也相信台灣的地底下,必定蘊涵著能跟我們講出帶有全球視野的化石標本。

同時,台灣除了被海洋包圍之外,那平均深度只有六、七十公尺深的台灣海峽,也清楚的意味著,當更新世的冰河時期讓海平面下降幅度來到或超過這個臨界點時,台灣就會成為歐亞大陸最東南邊的一角。

相信在台灣的不少人都常聽過,台灣在冰河時期會和中國大陸連在一起,但我在跟大家解釋這樣的環境變遷與古生物演化時,總是會特別強調我不想泛政治化,但世界地圖清楚的標示出台灣的地理位置應該是可以、也該要放在更大的版圖:歐亞大陸的板塊底下來討論,而不是只有限縮在與中國大陸連結的關係。

畢竟,當我們像是讚嘆著非洲地區的陸生大型哺乳動物,能在以年為單位的時間軸來進行長距離的移動時,基本上是用「萬年」以上的尺度來探討生物演化、移動的古生物學,處於歐亞大陸東岸的台灣上的大型脊椎動物,要橫跨歐亞大陸到西邊、或是反方向的來到台灣,大概都會是稀鬆平常的移動距離。

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建立起這樣的思維模式後,當然就是需要有最直接的化石證據來驗證這樣的想法,或深入討論其化石標本的背後,隱藏了怎樣的大尺度演化事件。

大型脊椎動物跨越歐亞大陸到台灣,在古生物學的長時尺度下是平常現象。圖/envato

早坂一郎的開創性研究與犀牛化石

二○一八年一月底從日本的筑波搬到台北後,一邊重新改造所接手的退休丘臺生教授的實驗室、一邊開始準備新學期的上課內容;除此之外,很重要、也是主要的工作內容,就是要開始到野外和各個單位的收藏庫裡尋找、檢視相關的化石標本,試著解讀其背後所帶有的古生物學、演化學上的意義。

有趣、但不令人意外的是,知道我開始要在台灣從事大型脊椎動物化石研究的人,第一個反應通常都會是:台灣也有化石嗎?台灣也有恐龍嗎?這樣之類的疑問。

要回答台灣有沒有化石紀錄的出現,我在日本的工作經驗,和剛好不小心娶了日本太太,讓我能從搬到日本工作前還不會五十音的狀態,到現在能有一定用日文溝通和閱讀日文文獻的基礎能力,幫了很大的忙。

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因為,台灣的古生物研究歷史,基本上就是從日治時期展開並奠下根基。也因此,有一定的日文能力和在日本古生物學界中遊走的經驗,確實是對於一些細微的狀況,更能推敲或掌握。

舉例來說,我目前所服務的台灣大學於一九二八年創立時的前身:日治時期的台北帝國大學,一開始創校時就加入的早坂一郎教授,可以說就是在研究台灣大型脊椎動物化石的先驅,也就不意外為什麼一九八四年在台灣所發現、並被命名為一個新亞種的犀牛化石,會以早坂為名(犀牛的故事書寫在第四話)。

延伸閱讀:從放牛學生到震驚世界:左鎮犀牛化石背後的傳奇——《好久・不見》

台灣有化石的出沒,對生物多樣性、生命演化等議題有些敏感度的人來說,大概不會太意外。但台灣有沒有令許多人為之瘋狂的恐龍,聽起來就是一個棘手許多的疑問。

或許出乎大多數人的意外,台灣不只有貨真價實的恐龍,還有台灣才有的特有種恐龍!

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一九九三年上映的《侏羅紀公園》(Jurassic Park),可以說是徹底的激發了全世界對於恐龍的狂熱與追逐。即使到了二○二四年的今天,恐龍的形象,對於大多數的人來說,似乎就是古生物學研究的全部了。

《侏羅紀公園》激發全球恐龍熱潮,至今在大眾心中恐龍仍象徵著古生物學。圖/wikimedia

但恐龍有如此的代表性,可不是只有形象般的讓人摸不著邊際,而是有全世界各地的古生物學家用一生的精力,和政府、私人所挹注的大量資源,來試著一點一滴揭開恐龍那引人入勝的演化歷程。

舉一個比較可以讓大多數人理解到我們對於恐龍知識是如何持續的累積、建構起來的例子:我正在書寫這段文字的當下是二○二○年的五月中旬,這年從一月一日到這個時間點,已經有二十種,先前完全未知、生存於中生代的恐龍們被古生物學家發現,並且正式的命名為新物種、發表在國際間相關的古生物學研究期刊中—平均不到一個禮拜,全世界就又會多了一種中生代的恐龍在我們的知識體系中!

台灣的鳥類恐龍故事:恐龍演化新視角

藉由這樣的研究能量,我們現在不只清楚的知道所有現生鳥類都是貨真價實的恐龍,連我上課在談論恐龍演化所使用的教科書,所提到恐龍定義裡的其中一個主角,即有我們幾乎每天都會見到面的麻雀:

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恐龍包含了滅絕的三角龍和現生的麻雀最近的共同祖先,以及從這共同祖先開始的所有後代,都是恐龍。沒有被包含在三角龍和麻雀最近的共同祖先裡的後代,都不是恐龍。

大部分隨口問我台灣到底有沒有恐龍的人,我基本上都很難有足夠的時間用上述簡短的內容來說明,因為可以感覺得出來,大部分的人,真的都只是隨口問問,大概也沒有打算真的想要了解恐龍、或是古生物學的研究工作到底是怎麼一回事,背後又有什麼重要的意涵。所以我一般都只會簡短的回應著像是,台灣當然有恐龍,因為所有的鳥類都是恐龍,不只如此,我們每天也都在吃著貨真價實的恐龍肉!

——本文摘自《好久・不見:露脊鯨、劍齒虎、古菱齒象、鱷魚公主、鳥類恐龍⋯⋯跟著「古生物偵探」重返遠古台灣,尋訪神祕化石,訴說在地生命的演化故事》,2024 年 9 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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