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冬季奧運的幕後功臣-人造雪

科景_96
・2011/02/10 ・788字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 515 ・六年級
相關標籤: 人造雪 (2)

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source:Phil Roeder
source:Phil Roeder

Original publish date:Mar 08, 2006

編輯 John C. H. Chen 報導

人造雪已經成為冬季奧運中不可或缺的一部份。但是這種對人造雪的需求卻可能會對環境造成損害。

在2006年杜林冬季奧運會中,人造雪被廣泛應用在許多的競賽中,例如滑雪及滑雪板。事實上,今年杜林的雪下的比往常要薄,所以為了使比賽能夠順利進行,人造雪也可以說是必然的選擇。而人造雪的好處除了製造足夠的雪量之外,同時可以做出可以維持的較久而且狀況較好的表面。對競賽選手來說,人造雪可以使他們更容易創造新紀錄。這種人造雪的技術在許多的滑雪聖地都已經被廣泛的使用,以避免因為天氣關係雪量不夠而無法營業的情形發生。

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製造人造雪主要是將水從一個噴嘴中高速噴出來然後利用高壓空氣將水滴吹到空中造成起霧般的效果,然後讓這些液滴在空氣中結成雪花。成功的關鍵是要讓這些液滴在降落到地面之前就凝結起來。

現在因為地球環境暖化,所以找到好的滑雪場地已經越來越困難。舉例來說,阿爾卑斯山的雪線已經逐年上升,對滑雪愛好者來說,的確不是個好消息。但是過度依賴人造雪也是會有問題。國際保護阿爾卑斯山組織(International Commission for Protection of the Alps, CIPRA)的Michel Revaz就表示,製造人造雪要消耗水及能量。而這些人造雪所溶化的水也會對周圍的生態系造成影響。

所以Revaz提了一個可能的折衷方案。他表示像冬季奧運這種大活動,不需要為了奧運就每四年建一堆造雪機器。把這些機器回收使用應該是個可以接受的方法。

參考來源:

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本文版權聲明與轉載授權資訊:

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科景_96
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Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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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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專屬你的雪天使
邱文凱
・2013/09/03 ・1878字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

文 / K(物理碩士)

緣起

高中曾去安寧病房照顧癌末病童,當時裡面的一個孩子對我說:「哥哥,我沒有看過雪,你能不能變出雪給我玩」因為我便去尋找、思考如何製作人造雪。

後來於日本的書籍發現了或許可以使用高分子吸水物(聚丙烯酸鈉)來製作,也是這時候發現原來可以拿來堆雪人,製作雪人出來時,的確讓孩子很開心。

當孩子向我道謝時,我心裡想著:「其實,我能做的也只有這樣而已了……」

所需材料

p1

  1. 尿布或衛生棉的內容物(高分子吸水物,請別誤食),也可至化工行購買聚丙烯酸鈉(俗稱的吸水粉)。
  2. 冰水(只是為了讓產物觸摸溫度更像真正的雪,也可使用室溫的水取代)
  3. 塑膠盆之類的盛裝容器
  4. 手扒雞手套(防止高分子吸水物沾黏於手上,若是想體驗人造雪的觸感,則可不必使用)
  5. 竹籤、串珠等裝飾用物品以及老虎鉗(剪裁竹籤用)

製作流程

1. 一開始將尿布或衛生棉內容物放在杯子(請盡量撕碎內容物,方便之後製作)

p2

2. 然後加入冰水後,會產生神奇的變化 (如下圖,為了讓圖片更清楚,所以放置到黑色杯子中)

p3

*這裡有個關鍵點:

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如果是使用市售的尿布或衛生棉製作,再加水之後,必須盡量清除內含的棉絮成分,只保留其中的高分子吸水物

p4

拿起來會像如此的凝膠物質(高分子吸水物)

p5

3. 之後再把人造雪從杯中倒出,會呈現像筒仔米糕的樣子(如下圖),這樣比較好塑型

p6

4.將他塑形,先捏出大小兩顆圓球,作為雪人身體與頭部 (請穿戴手扒雞手套)

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5.最後以竹籤、串珠等物品裝飾雪人,即大功告成

p8

製作完後,把手扒雞手套取下翻面,手套外沾到的人造雪便會被包在手套中,手上便不會沾黏到人造雪

原理

在尿布或衛生棉中的高分子吸水物通常是吸水力超強的聚丙烯酸鈉(可以吸收質量比200到300倍的水分),乾燥時是白色粉末,放進水中會像海綿般吸水,成為凝膠聚合物。

主要是因為結構中的鈉含量很高,使水分子經由滲透作用進入聚合物中。反過來若把鹽灑在凝膠上,使聚合物外部的鈉濃度更高,就可以逆轉,讓水從凝膠流出。

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P.S.一開始製作雪人時,也曾仿效「撒鹽空中差可擬,未若柳絮因風起」,結果差強人意XD

下落速度超快的撒鹽空中差可擬XDD

後來想到曾聽過羅馬帝國的皇帝尼祿命令人從高山上取雪,加上水果和牛奶,製作成原始的冰淇淋,所以我開始嘗試製作無糖的冰淇淋來模仿雪的外觀與觸感(即使沒加糖,但因為有牛奶的成分,所以在塑型時手會黏黏的……)。

失敗了幾次以後,我開始分析古人說的撒鹽、柳絮還有我做的冰淇淋,到底是想表現雪的何種性質?撒鹽、柳絮應該是想表現雪的外觀、飄落,而冰淇淋是想模仿外觀、觸感,綜合以上的想法,如果要做出人造雪,必須做到外觀(白色)、觸感(柔軟、可塑、冰涼)。

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查詢資料跟實驗的過程中發現高吸水樹脂吸水後會呈現顆粒狀,一粒粒的小樹脂加冰水膨脹,塑型後的質地和觸感摸起來很接近真實的雪,因為雪本身便是由小小的冰顆粒物構成。

而最近也使用手機顯微鏡來觀察聚丙烯醯銨(人造雪人原料聚丙烯酸鈉的近親)觀察吸水前後的狀態,同樣放大倍率下,吸水後體積增加不少,也意外地發現微觀世界下的聚丙烯醯銨,竟是如此的美!!!10255553_10201336537649996_4408258660115502247_n-horz

吸水實況影片

後來有位讀者剛好看到了這篇文章,他也正好是醫院志工,並將這雪人分享給在病房中的孩子們,而雪天使也就這樣傳遞了出去。

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螢幕快照 2015-05-24 下午1.30.47

生活應用

嬰兒紙尿布、女性衛生用品、膨脹玩具(恐龍蛋)、水晶寶寶、魔晶土、人造雪……等,都含有這類成分。

P.S. 筆者於製作時發現,一些較便宜的衛生棉中,聚丙烯酸鈉的含量頗少(幾乎都是棉絮),吸水性不佳,且不利於製作人造雪人。還記得當時為了找雪人的材料,買了個品牌的衛生棉來嘗試,結帳時被店員跟顧客被奇怪的眼光注視著… 不過為了病童的願望,只能豁出去了 XD

作者:K,物理碩士。相信著 “以人化物” 器物再美,缺乏人的溫度,終將不完美 而若多一分人性的溫暖,便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖,無論是手心的亦或是內心的。

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邱文凱
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相信著 "以人化物" 器物再美,缺乏人的溫度,終將不完美 而若多一分人性的溫暖,便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖,無論是手心的亦或是內心的