大英雄天團在泛科學

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！

如果家中有個機器人，能提供醫療照護、療癒心靈、還能像鋼鐵人般的勇猛，那該有多好！

獲得2015年奧斯卡金像獎最佳動畫獎、也是2014年最賣座的動畫電影《大英雄天團》（Big Hero 6）成功地塑造出劇中主人翁天才科技少年濱田廣最佳貼身玩伴──杯麵（Baymax）這樣的角色，在可愛、惹人憐愛的外型之外，「他」同時具有醫療功能，能適時地給你一個愛的抱抱，必要時也能像鋼鐵人般飛天遁地，毫無意外、順理成章地繼哆啦A 夢之後，成為讓人最想擁有的居家型機器人。當然，我們就得好好來審視一下動畫裡的杯麵，真的有可能成為我們現今家居生活中的一份子嗎？

杯麵，可行嗎？

在杯麵所擁有的十八般武藝中，其中的醫療照護可不是幻想，的確是目前學界研發居家照護機器人所關注的重點，當然電影中僅僅憑藉著簡單的掃描就能偵測出全身裡裡外外的內外傷，顯然是不切實際，如果真能如此，那醫院裡的醫師和種種貴重儀器就都可以全擺在一邊了。目前居家照護機器人的進展包括，能偵測出家中成員是否跌倒或失去反應、並送出求救訊號，提醒用藥時間、並給予適當藥品，也可以充當助行器，提供扶持、協助行走等。在台灣邁向老年化社會之際，這些功能都具有相當實質的功效，一方面可減輕醫療資源的負擔，另一方面也可讓需要照護的長輩保有獨立自主的能力與尊嚴。

來一個愛的抱抱，療癒系機器人

除了醫療照護功能外，杯麵長得白白胖胖，走起路來就像個會動的棉花糖，光看起來就很療癒，但機器人終究不具有感情，它真的有可能深入我們的心靈，讓我們得到貼心的撫慰嗎？懷疑歸懷疑，事實上寵物造型的機器人早已經悄悄地執行它們的療癒任務一段時間了！話說在2012年在台北舉辦的國際自動化工業大展中，就曾經出現過一隻號稱具有療癒功能的擁抱機器人「咖咖熊」，在展場中出盡鋒頭。

顧名思義，咖咖熊是以熊為造型，外型相當可愛、親切，廠商開發它是有感於現代人無處抒發的苦悶，想藉由擁抱的方式給大家加油打氣。筆者當然不會錯過實地體驗「療效」的機會，根據工作人員指示，面對它時，你先要呼喊「咖咖熊」來引起它的注意，然後大聲說出「我要抱抱」，咖咖熊就會搖晃過來與你擁抱，在此同時也會一併測量你的心跳與呼吸，算是連帶的健康檢查。

在大庭廣眾下大喊「我要抱抱」，真是有點尷尬，以達到啟動系統的目的來看，其實喊甚麼應該都沒有關係，廠商的用意就是好玩嘛！話說此「熊抱」稱得上厚實，心中油然升起溫暖的心情，略為觀察其他人被擁抱過的反應，大部分人流露出類似靦腆、滿足之感，好像真的有被療癒到，這也讓人不禁思考起機器人的擁抱到底傳達出甚麼樣的訊息？它足以取代真人的感覺嗎？真的有可能誘發出人類的情感嗎？

世界第一的療癒系機器寵物—Paro

談到療癒系機器人，就一定不能錯過號稱世界第一名的機器寵物Paro，它是由位於日本筑波的產業技術綜合研究所柴田崇德博士（Takanori Shibata）於2001 年所推出，海豹造型、全身毛茸茸的Paro，具有細緻的觸感、慵懶的眼神，以及惹人愛憐的叫聲，一觸摸到它就會蜷曲自己的身體，並用它無辜的大眼睛看著你，真的是超級卡哇伊。可別以為它只是個可愛的大玩偶，Paro 已經獲得醫學認證，對於躁鬱、失智等症狀具有醫療效果，是個貨真價實的療癒系機器人，它也曾在日本311 海嘯過後，前往災區撫慰失去親人的倖存者。在日本，它已經被納入醫療系統，並已成功地推廣到全世界多個國家。由於Paro 確有療效， 台灣的工業技術研院也加以採購、並進行相關研究，期待能開發出更具療癒功能的寵物機器人。

Paro 剛問世時，曾經被送到筑波的醫院陪伴一位近乎失智的老太太，老太太已經有一段時間不跟外界溝通，包括醫生和護士，神奇的是她竟然開口和Paro 說話，震驚了所有人， 也讓Paro 開始得到外界的注意，許多人都想問，它究竟是怎麼辦到的？有個說法是因為Paro 是機器寵物，可以被我們所控制，所以容易產生安全感，也有人說，可愛的外型加上身體的觸感，以及類似有智慧的互動所產生的親切感使然。為甚麼人會對機器寵物產生眷念呢？這其中的緣由可真是個謎。就有待認知、心理等領域的專家進一步的探討與分析吧！

我們以工程眼光來仔細檢視一下Paro，它並沒有雙腳，並不會行走，在訪談人稱「Paro 之父」的柴田博士過程中，他說Paro 就是設計來讓人們「抱」，所以不賦予它行動能力， 但卻讓它擁有相當多的感應器，對聲音、光線、溫度與身體接觸都有感覺，能與人進行簡單的互動，會撒嬌、展現萌樣，也有所謂的情緒需求，會渴望你來摸摸、抱抱它，它也會回應你滿足的笑容。以技術層面來看，Paro 的組成並不是非常複雜，這樣就足以打動人心了嗎？

仔細想想，Paro 身為機器寵物，不會有自我意識，可以想見它並不知道自己在做甚麼， 當然也無從主動投入情感，所以我們感受的溫暖是來自本身的移情作用，願意沉浸於想像中自在、安全的氛圍裡，而機器寵物所能提供的實體感與多重感知上的回饋，比起一般的玩具寵物，更能營造出擬真互動的情境。

Paro 的成功可不僅於此，它身上的馬達、感應器等，全部手工製造，極其精巧、細緻， 讓擁抱它的人感覺相當自然、舒適，但卻不見得全然地模仿真的海豹，正如柴田博士所說， 當初選擇海豹造型，而非貓或狗，乃是基於人類對於海豹的印象是相當可愛，但並不熟悉， 想想誰家隔壁會住一隻海豹啊？也因此不至於對Paro 的外型與叫聲與真實海豹到底像不像有所成見。而他們團隊也持續不斷地根據使用者的回饋，調整出一代又一代更貼近使用者需求的產品，也由於這份貼心，讓原本該是冷冰冰、不具情感的機器寵物，卻溫暖了人心。

ROBOT學堂考：

1. 《大英雄天團》裡的杯麵所擁有的功能中，哪些恰好是目前學界的研發重點呢？
2. 目前居家照護機器人已有那些進展？
3. 日本所開發的Paro，真的具有醫療效果嗎？
4. 人類為甚麼能從機器寵物身上感受到溫暖呢？

本文摘自《羅伯特玩假的？破解機器人電影的科學真相》，由國立交通大學出版社出版。

雷葆的概念自行車設計超級酷！它的設計原理是什麼呢？為什麼現在只有磁浮列車？卻沒有磁浮車、磁浮機車、磁浮自行車呢？

這個問題的答案很簡單。首先我們得先區分，「磁浮」和「磁動（勢）」這兩個概念。「磁浮」是形容磁體浮在超導體上面的狀態，此時的磁鐵與超導體體所受總力為零，也就是說向下的重力與向上的磁浮力達到平衡。而所謂的「磁動（勢）」現象，則是描述電流流過導體所產生磁通量的勢力（force），是用來是用來度量磁場或是電磁場的一種「量」。

所以，回到問題本身，為什麼除了列車之外，我們還必須讓汽車、機車、腳踏車懸浮呢？

我們平時所接觸的交通工具，從自行車、汽車直到火車，大都是依靠摩擦材料之間的機械摩擦力，讓它們從奔馳的狀態中停下來，它們主要利用機械連杆、液壓油或者壓縮空氣……等等不同的方式達到煞車目的。而《大英雄天團》中雷葆的磁浮自行車，則是利用電磁感應的方式產生制動力，讓材料之間不需要有實際的摩擦，但可以達到煞車的目的。因此，自行車可以進行無摩擦自由轉動和制動，能量的運轉更有效率、速度也可以更快。

目前在現實世界，相關實際運用的技術是渦流制動技術（eddy current brake），中國大陸甚至據此技術在２０００年的時候，設計規劃上海磁浮列車，在２０１３年３月７日，由中國全國政協委員、中國鐵道科學研究院主任李和平在接受采訪時公開透露，中國已經掌握了最高時速５００公里的高速列車渦電流制動試驗技術。但是，在電影中，雷葆的磁動齒輪自行車，除了使用渦電流制動技術之外，它非常特別的地方是，車輪非常的輕薄可以輕易的自車體拆卸下來──甚至可以當成飛盤使用！

這麼優質的技術與概念，為何目前只有被應用在列車上呢？最主要的原因就是，運輸工具利用磁浮與磁動技術的同時，也得依賴軌道的設計，才能利用電與磁的作用，改變運輸工具的前進方向。（註一：磁浮列車的前進原理是利用線性馬達將線圈排成直線狀，車輛本身是被地面產生的磁力拖拉或推進而獲得動力。功能線圈是使用交流電，N 極與 S 極會互換，依照車輛量與超導性磁鐵位置，磁鐵的 N 極和 S 極能適時互換即可達到加速，由於車體與軌道間沒有摩力，能量不會因此而消耗。）然而，也因為磁鐵的同極互相排斥，令列車升高，當與路軌接觸時，會有不容易固定列車的狀況喔。

更多好文請看：《高溫超導體形成的秘密－電子袋》

雷葆的自行車還有許多需要克服的難題，比方說，若要因應不同體重的人們騎乘，就必須產生不同程度大小的磁托力；另外，車子移動的方向若不停的改變，又沒有像磁浮列車有輔助的軌道，電磁力的控制與計算就變的非常的重要，也是目前技術實施上最大的困難。

使用磁浮概念的新科技使用日新月異，2014年十二月德國重工業巨擘ThyssenKrupp就研發出沒有線纜的磁浮電梯，突破了傳統設計，製造出可以橫向移動的電梯，不僅速度快，也可讓多台電梯行走在單一通道中，充分的利用摩天大樓的空間。

http://youtu.be/KUa8M0H9J5o

德國大眾汽車（Volkswagen）在２０１２年北京車展的時候，提出了一個非常有趣的懸浮概念車的構想，它主張利用土壤中飽含的磁鐵礦，產生能量，進而促使汽車懸浮與前進。這款磁浮概念車，可以自動駕駛，透過聲控系統可以辨別人聲，並且開啟ＧＰＳ定位且自動導航。最特別的是它的安全感應器系統，它能根據當時行駛的速度和周圍汽車的距離，自動計算出最安全的行駛距離，當可能發生危險時，懸浮概念車就會自動下沉。

附上影片：《Volkswagen’s The People’s Car Project: Hover Car PART 1》

期待未來的磁浮世界，能讓我們的生活空間的樣貌會更為豐富、更有彈性、也更有樂趣！

參考資料：

• ThyssenKrupp unveils new directions for lifts – to the left and right