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大英雄天團在泛科學

活躍星系核_96
・2015/02/02 ・2249字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 488 ・五年級
相關標籤: 大英雄天團 (5)

文/張鳳茹 蕭汎如

https://www.youtube.com/watch?v=V1KdvrcolOk
去年十月底至今有去舊京山旅遊的朋友,可能會聽到當地居民討論一起關於卡拉漢博士的案子,甚至推薦你去存放時空傳送門殘骸的景點拍照留念。這起案件中還有幾位重要人物,但他們相當低調,民眾往往只注意到經常跟在他們身旁、長得像大型會走路棉花糖的醫療用機器人。

這次泛科學團隊非常榮幸邀請到這幾位低調的宅宅-阿廣、阿費、哈妮蕾夢、芥末、雷葆(下圖由左下順時鐘),也就是大家時有所聞的「大英雄天團」,來分享他們各自在科學上的想法。

另外阿廣還帶來了從哥哥阿正的電腦中翻到的錄音檔,讓我們有機會聽聽阿正怎麼說,也節錄一段在本文最末。

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大英雄天團

古靈精怪阿廣

Q:請問Hiro,除了高額獎金的誘惑之外,格鬥機器人到底有什麼魅力啊?
A:和哥哥設計的杯麵(大型會走路的棉花糖!)不同,格鬥機器人講求的是:裝甲、力量還有速度!但是,這也是最基本的條件,而且一般來說,難以同時存在,像是「曾經」稱霸舊金山地下世界機器人格鬥賽的阿山老大,他的大塊頭機器人就是很好的例子。我設計的格鬥機器人可不一樣!我認為,格鬥擂台的獲勝的技巧,在於出奇不意的戰術攻擊!欸嘿!這就需要非常快速移動的能力了。然而,若想要格鬥機器人擁有敏捷的身手,就得拋棄笨重的裝甲,最終勢必得會面臨力量不足的窘境。總之,就看你要點滿哪個技能啦,如果要我來選的話,當然是大腦遠勝於一切,比起安穩的強壯金剛機器人,我更愛能夠完成我的戰術指令的機器人。這就是格鬥機器人的魅力,滿足設計者的每一個小小夢想!對了!聽說Robot Boxing League(RBL)競賽在台灣和香港也逐漸盛行呢!實在超級酷!

更多細節請看:《大英雄天團──站上機器人格鬥擂台》

色彩魔法師哈妮蕾夢

Q:很多粉絲形容你是把科學當藝術來念,很好奇你是否曾想過從事設計,又你對色彩的熱情是否對科學研究有影響?
A:與其問我的色彩品味對研究工作的影響,不如來說說繽紛的科學世界如何開拓我的視野,我實在對化學材料的多變深深著迷,比方說改變溫度就可以重複塑形的記憶塑膠、改變張力導電性就會不一樣的碳原子,或是可以自我修復的水膠,就像關注流行穿搭一樣!你永遠不知道類似的配件排列組合之後,又會蹦出什麼最新潮流!像我現在做關於非晶質金屬的事情,也可以說是鎵合金和電壓混搭出來的新潮流呀!

更多細節請看:《大英雄天團-液態金屬》

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變裝阿費

Q:你本身沒有從事科學研發工作,但對於科學的瘋狂及親身試驗的精神,與大英雄天團的其他成員相較卻有過之而無不及,想請問是什麼原因讓你常保這樣義無反顧的動力呢?
A:其實也沒什麼特別的啦,就小時候太無聊了,只有管家陪我玩,就開始胡思亂想自己有超能力,可以變身長出外骨骼什麼的,在世界各地冒險。後來遇到這群宅宅,當時他們正在做「動力服」,超酷的阿,就是那個時候一天到晚跟他們窩在實驗室,才會被說內褲反穿啦!只不過後來發現不是要拿來冒險,是要拿來幫助別人走路的……

更多細節請看:《大英雄天團-穿戴式的超能力》Walk Again Project

一絲不苟芥末

Q:聽說你連半夜過馬路遇到紅燈都不會闖,是一個非常有原則的人,那如果有狀況和你心中所秉持的原則衝突的話,你會怎麼辦?
A:你問到重點了,其實到現在我也還不知道該怎麼辦。我是愛好和平的人,但我最自豪的是能夠發展出手持式雷射武器……雷射很好用,用在顯微鏡上可以看到很小的東西,用在3D光嫁接上有很高的精確度,用在印刷品除墨可以節省很多紙張,反正我不可能放棄研發更多雷射的應用。對了,你不覺得結合雷射雕刻與3D列印的工藝品很美嗎?

更多細節請看:《大英雄天團-雷射武器》

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神形蛋葆

Q:你發明的無阻力單車,騎乘的時候是否安全呢?為什麼想要發明無阻力單車?
A:就老實跟你說吧,我實在受夠了鍊條的折磨。速度卡卡的不順暢就算了,有時候還會「落鏈」,修它還要弄髒手(其實我不會修QQ)!因為我超喜歡騎腳踏車,除了非常環保之外,我很享受自己身體持續運轉的那種刺激感,會讓我整個人都充滿活力。所以,我就開始思考,有沒有辦法能夠克服鍊條的阻礙,發明出磁浮單車呢?目前也都還在改良的階段啦。你不要問我安不安全,你知道的,「科技始終來自於人性」,當然,一個東西是否危險,最重要的就是看使用它的人技術好不好囉!

更多細節請看:《大英雄天團──未來世界的磁浮自行車》

阿正

Q:請問阿正如果還有機會的話,會希望替杯麵增加什麼功能,或是改良什麼地方呢?
A:杯麵啊…….我希望它可以更為直覺的偵測到受傷的人的需求,除了單純的讓傷者自行評估傷痛等級一分到十分,也可以更具有人性化的自動分級的功能。還有最讓我頭痛的一點就是,杯麵有點太胖啦,在圓圓的療癒系外型和功能敏捷的救護機器人的天平上,其實我也非常苦惱呢。理想中的長照機器人,究竟該具有什麼不可或缺的特質呢?又有哪些可以增加的特殊功能呢?我想我是有點江郎才盡啦!希望阿廣可以幫我,讓杯麵能夠幫助更多的人,讓醫療救護更為普及、迅速而且照護到每一個人。

更多細節請看:《大英雄天團──Baymax V.2理想中的長照機器人》

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大英雄天團劇照

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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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由杯麵淺談照護機器人——《羅伯特玩假的?破解機器人電影的科學真相》
PanSci_96
・2016/02/04 ・2646字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

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。

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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。

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海豹造型、全身毛茸茸的Paro,具有細緻的觸感、慵懶的眼神,真的是超級卡哇伊。圖片提供/清華大學通識教育中心林宗德教授。

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!

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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?

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柴田崇德博士說Paro就是設計來讓人們「抱」,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。攝於日本筑波產業技術綜合研究所柴田崇德博士會議室。

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。

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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?

ROBOT-a1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。

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《大英雄天團──未來世界的磁浮磁動自行車》
蕭汎如
・2015/02/04 ・1679字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 604 ・九年級

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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?

來源:wegeekgirls
來源:wegeekgirls

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?

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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。

 來源: bicycleman
來源: bicycleman

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!

 來源: Flickr
來源: Flickr

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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。

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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!

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參考資料:

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蕭汎如
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PanSci 實習編輯,台大公衛系,對世界充滿好奇,最喜歡的句子是王爾德在《溫夫人的扇子》中寫的一句台詞:"We are all in the gutter, but some of us are looking at stars. "。沒錯,我們都身陷在日常生活的爛泥溝渠之中,但還是可以抬頭,仰望燦爛星空。:)