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【活動紀實】M.I.C. XXX:指難

吳易軒
・2015/02/15 ・2466字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

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紀錄/吳易軒

如果你是天性嗜酒的人,出門在外想開瓶紅酒解饞,卻苦無開瓶器,這時該怎麼辦?又或者隔壁鄰居老愛引吭高歌唱KTV又大走音,想測個分貝舉報他,難道真的要買個分貝計才行?本期【M.I.C. XXX:指難】邀請到東吳大學教授陳秋民以及龍山國中的鄭志鵬老師為大家介紹如何利用身邊的工具和科學原理解決生活中的問題。

陳秋民:紅酒、奶油、水電工

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陳老師拿著一根金屬管子,上下一晃,裡面發出一聲清脆的叮鈴聲,陳老師問著大家裡面裝的是三態中的哪一態,結果回答固態的大多數人都被當掉啦!

今天的主題「紅酒、奶油、水電工」都跟這跟管子脫不了關係,提到物理就雙眼散發著光芒的陳老師笑稱自己是垃圾堆中淘寶的物理教授,希望大家能將科學融入生活中,「科學不一定要當工作,但一定要好玩」。

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水錘作用Water Hammer

不用開瓶器要怎麼開紅酒?其實很簡單,準備個水桶,把酒瓶倒過來,讓瓶底朝上,然後手握拳敲打瓶底,敲個3、4下瓶塞就「啵」一聲出來囉(沒那麼優雅就是了)!原理是「水錘作用」,酒瓶倒過來時,水在下空氣在上,敲打瓶底後因為慣性水會往上,因而擠壓空氣造成極大的壓力,然後水重重往下敲擊瓶塞,軟木塞就是這樣被水敲出來的。

而這個原理就跟家中水管一樣,當水在管路中流動時,若將管路下游之閥門快速關閉,水流具有慣性,因此水流之慣性動量持續往前推擠,造成管內壓力急速上升,因而產生水錘作用,一日敲日日敲,不僅噪音煩人,水管敲久也會壞,敲壞就漏水啦,因此會建議裝上水錘吸收器來停止這些困擾。

熱導管

講完了紅酒跟水電工,那奶油又是什麼呢?陳老師笑著說,他們家都會自己做豆漿,豆漿要放冷了才能冰起來保鮮,那如果是外面店家煮了一大桶該如何快速冷卻呢?你只需要放一根熱導管在豆漿裡,讓電風扇吹著露在外面的導管,不出五分鐘豆漿就冷了,比起你一邊攪拌一邊把灰塵細菌都攪進去要好得多。

熱導管主要是利用熱的對流,藉由管子裡氣態、液態的循環傳遞熱能,比起一般金屬傳導更快速,加上毛細現象的幫忙,平躺著放也不是問題。因此把熱導管的技術運用在奶油刀上,手的熱能傳遞到刀口,不需要苦苦等著奶油退冰,就能漂亮切完奶油囉。

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credit:wiki
credit:wiki

除了以上,陳老師也同場加映如何利用摩擦力將掉在酒瓶裡的軟木塞取出,以及自己DIY真空,在影片中都有精彩的示範。

鄭志鵬:用App玩科學

2011年時,還是國中生的吳承儒,帶著筆電及手機搭了兩百遍的高鐵,就是為了瞭解高鐵地層下陷的情況。他利用筆電內部設置的加速度感測器測量震動,加上GPS定位系統,記錄高鐵從高雄到台北的震動幅度,這個研究也獲得了台灣國際科學展覽會地球科學組二等獎。

其實我們身邊有很多工具,尤其是行動裝置越來越進步的現在,若真想做些實驗、測量些什麼,不必像當年的吳同學還得自己進修學寫程式,搜尋一下關鍵字,相應的APP就唾手可得,而這也是本次鄭老師想跟大家分享的主題。

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鄭老師介紹了許多測量工具APP,其實只要輸入關鍵字搜尋就有許多選項任君挑選,而以下依鄭老師介紹的工具種類為大家舉幾個例:

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  1. 地震儀:透過手機中的陀螺儀加速度感測器能夠測量由火山、地震或任何其他原因造成的地面運動,並將數據顯示在x、y、z三軸。

Seismometer FREE(IOS)

Seismograph(Android)

Instant Heart Rate(只要將手指放在閃光燈處,手機就藉由觀察血液流動來計算脈搏的跳動。)

  1. 音頻發聲器:能夠發出不同頻率的聲音,可以用來測試音響麥克風器材、聽力測驗,若要趕蚊子的話…還是買個蚊香吧。

Frequency Sound Generator(Android)

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Tone generator(IOS)

  1. 分貝計:利用手機麥克風收音測量周遭環境的分貝數。

Decibel 10th(IOS)

deciBel(Android)

  1. 磁力計:利用手機內建的磁力計測量周圍的磁場,並將數據顯示在x、y、z三軸。

Magnetic Field Detector(Android)

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Teslameter 11th(IOS)

  1. 虛擬物理工程Algodoo

這是一套虛擬的2D物理世界軟體,可以創建圓、齒輪、鐵鍊、箱子等物件,透過點擊、拖動、傾斜等動作去模擬,在鄭老師的網站小P老師的教具工房有一些介紹及示範。

  1. 外掛顯微鏡:類似像下圖這樣的外掛顯微鏡頭,可以讓你以比較輕便的方式隨身攜帶,如果在戶外突然燃起科學魂,想要用顯微鏡一探究竟,這或許是不錯的選擇。
credit:www.trendhunter.com
credit:www.trendhunter.com
  1. 測光:利用手機中的光傳感器量得環境中的照度。

Lux Meter(Android)

Light Meter – lux measurement tool(IOS)

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關於科學,鄭老師都提到,當我們熟悉了這些原理與工具,就要嘗試應用在生活中、試著解決問題,陳老師特別強調舉一不只反三,若能反五、反十那更好,我們不是要培養科學家,是有科學素養的人。可能菜市場的老闆娘很厲害,能夠俐落的把塑膠繩扯斷,可是他們不知道那是有關滑輪與摩擦力,當你知道原理就可以有更多應用,「好奇」是學習科學的最重要的動力。

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【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

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吳易軒
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Pansci實習編輯,喜歡接觸各種新鮮有趣的人事物,相信這世界沒有什麼不可能,最喜歡的一句話是「每個時間都要很穩定、很清楚的知道自己在做什麼」。

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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

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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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