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科學家解開變色龍不用穿洋裝也能變色的祕密

Fungus
・2015/03/11 ・602字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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忘了那件白金又藍黑的洋裝吧。(圖片由作者合成)

忘了那件白金又藍黑的洋裝吧,在大家詫異洋裝如何變色之前,變色龍早已經是變色高手。但變色龍究竟如何變色一直是個謎。

通常變色龍會盡可能地變色以融入背景中,達到偽裝的效果。但是當他們面對威脅時,能夠快速地變成極具警告意味的顏色。過去科學家都以為他們是藉由調節皮膚細胞中的色素來變色,但日內瓦大學(University of Geneva)的研究團隊發現,變色龍的易容術竟然是透過重新排列皮膚細胞表層奈米結晶的晶格!

 

彩虹色素細胞(iridophores)含有鳥嘌呤(guanine)結晶。這些結晶排列整齊,所以可控制它們反射特定的顏色。如影片中看到的,變色龍原先為綠色,一旦遇到對手,他們便繃緊皮膚,擴大奈米晶格以反射較長波長的光線(黃色),先嚇嚇牠。不僅如此,研究團隊還發現,變色龍具有位於更深層的奈米晶格,這層結構能反射紅外線,讓他們多一種調控體溫的機制。

chameleon-540655_1280
from: Pixabay

研究成果發表於《Nature Communications》。這項發現未來或許能開發出拉扯時會變色的新材料。

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Fungus
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身為一名牙體技術師,有責任讓大家知道這是個製作假牙的行業。因深信數位加工的趨勢而在碩士生涯中與加法製造結下不解之緣。沉迷於底片相機,喜歡昆蟲,還養了一隻虎斑貓。

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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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鞋子顏色和左右腦優勢有關?真相在這裡,別被大腦和假消息騙了!
PanSci_96
・2019/05/07 ・1177字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

最近,Line 群組流傳著一張鞋子的照片,據說只要在上面看到不同的顏色,就能夠知道你是「左腦人」還是「右腦人」,也能讓你知道自己究竟比較感性還是比較理性。

挖~賽~一張照片就能讓你更了解自己,還不趕快測測看!?

神秘的左右腦測試圖,你測了嗎?

等等等等,你有沒有覺得事情怪怪的?到底人類的大腦是多簡單的東西,可以被隨便一張照片輕易破解?

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色彩恆常性:只是你的眼睛業障重,跟左右腦沒關係!

首先,為什麼有人看著這雙鞋子能看到灰綠,有人卻看到粉白呢?這其實是因為我們的大腦在觀看照片時會有個「自動白平衡」的機制,幫助我們理解所見之物。

假設我們給予大腦足夠的背景資訊,像是背景光源、附近物品的相對顏色,那我們的大腦就會自動進行白平衡,讓你看見物體原本的顏色;而經過大腦白平衡的結果,就是「色彩恆常性」。

那麼,如果你的大腦獲得的資訊不夠呢?嘿嘿,如此一來,你的大腦就必須選擇自己到底要怎麼處理,也就會出現不同的結果。

假設我們的大腦選擇無視背景資訊、不進行調整,只使用片段資訊,那我們就比較容易看見灰綠色。但是,如果我們的大腦比較雞婆一些,有將其他訊息考慮進去,調整了一番後,我們就會看見粉白──也就是原色的鞋子了。

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  • 編按:已有人提出原鞋廠牌的型錄,此鞋原色應為粉白色。「看見」粉白色應為大腦參考環境資訊「白平衡」校正後的結果。本文原寫法顛倒了,已進行內文修改。(2019/5/8 15:30)

阿阿,其實好幾年前就已經吵過類似的東西了:

所以你到底看到了什麼顏色的洋裝?

半腦謬論:左腦感性右腦理性?全是過度詮釋的問題!

……好吧,雖然看的顏色不同只是眼睛業障重,但是慣用左腦右腦應該真的會影響個性吧?比如說左腦管邏輯、右腦管創意,習慣用右腦的話比較感性?

錯錯錯!大、錯、特、錯!我們每個人的腦袋瓜雖然有左右半腦,但它們中間有個叫做「胼胝體」的組織將兩者牢牢地繫在一起,讓它們分工合作不相離。

我們的大腦裡,其實沒有所謂的「創意中樞」或是「數理中樞」。科學家曾藉由 fMRI 發現,當兩個半腦合作得越密切,數學解題解得越好。假設我們只活化單側左腦,並無法解決艱深的邏輯題目。

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讓我們讀讀文章,打破大腦偽科學吧:

所以說,請你別再相信什麼右腦管創意、左腦管邏輯這種荒謬的言論了!你的大腦本是一體,唯有同時合作才能夠完善整個腦袋的功能。

讓我們在面對那些似是而非的言論時,先停下來想一想,不要急著往自己身上貼標籤,才能夠成為更聰明厲害的「全腦人」(←並沒有這種東西)喔!至於那些亂傳各種左腦人/右腦人測驗的捧油們……

真的不要被騙了嗚嗚嗚~圖/YouTube

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PanSci_96
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PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

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智慧玻璃:利用電流來變色
李秋容
・2015/04/20 ・857字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

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智慧玻璃可以改變性質阻擋光和熱,常見的例子有防眩光後視鏡,以及為了保護隱私、節省能源的可變色窗戶。但這些應用花費昂貴,作為能量來源的電池和插入式插座也並不環保,嵌入式太陽能板又會遮蔽掉部分玻璃,於是研究人員發明了一種玻璃,可以從風雨獲得能量來改變顏色。對智慧窗戶來說,又多了一項可替換的能量來源。凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)的奈米材料工程師戴黎明(Liming Dai)表示:「這項創新是種新型態的再生能源。」

新型的玻璃利用摩擦起電,使夾在兩層玻璃之間的奈米發電機產生電流,讓原本無色的窗戶染上一層深藍色陰影。奈米發電機的最外層是由負電矽膠材質聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)做成的奈米稜錐體,水和空氣接觸時會產生正電,當雨滴滴落在玻璃上時就會產生電流。奈米發電機的第二層則用來收集風產生的能量,這層由兩片帶電的透明塑料組成,塑料之間以奈米彈簧線圈隔開,當風推動窗戶時會使兩片塑料接觸,彈簧因壓縮而產生電流。

團隊在《ACS Nano》上發表這項研究,測試結果顯示玻璃最大能產生每平方公尺130毫瓦的能量,電量足以啟動心臟調整器或提供智慧型手機待機時所需電力。喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的奈米科學家、同時也是本項研究的作者王鍾(Zhong Wang)表示:「此種輸出電力可適用於許多應用,可以作為家用或商用電力。」他和他的同事將發電機縮小,在2012年開始了第一個研究-利用腳步來點亮人行道,還發明了自我清潔鍵盤以及安全系統的感應器

目前,距離智慧玻璃商業化還有段路要走,因為玻璃還無法儲存電力。對此,戴認為或許可以將不影響透視性的透明超級電容固定在玻璃上。能源板目前的能源轉換率約為60%,接下來團隊希望能提高奈米發電機的產能效率。王認為我們周遭有許多可利用的能源,只是還不懂得如何使用而已。

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參考資料:

  • Smart window changes color with weather. Science [6 April 2015]
  • Yeh, M. H., Lin, L., Yang, P. K., & Wang, Z. L. (2015). Motion-Driven Electrochromic Reactions for Self-Powered Smart Window System. ACS nano.
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忘了那件白金又藍黑的洋裝吧。(圖片由作者合成)

忘了那件白金又藍黑的洋裝吧,在大家詫異洋裝如何變色之前,變色龍早已經是變色高手。但變色龍究竟如何變色一直是個謎。

通常變色龍會盡可能地變色以融入背景中,達到偽裝的效果。但是當他們面對威脅時,能夠快速地變成極具警告意味的顏色。過去科學家都以為他們是藉由調節皮膚細胞中的色素來變色,但日內瓦大學(University of Geneva)的研究團隊發現,變色龍的易容術竟然是透過重新排列皮膚細胞表層奈米結晶的晶格!

 

彩虹色素細胞(iridophores)含有鳥嘌呤(guanine)結晶。這些結晶排列整齊,所以可控制它們反射特定的顏色。如影片中看到的,變色龍原先為綠色,一旦遇到對手,他們便繃緊皮膚,擴大奈米晶格以反射較長波長的光線(黃色),先嚇嚇牠。不僅如此,研究團隊還發現,變色龍具有位於更深層的奈米晶格,這層結構能反射紅外線,讓他們多一種調控體溫的機制。

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