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分生年代擁抱海洋生態:台大海洋所謝志豪副教授專訪--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/09/19 ・5722字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

作者/趙軒翎(科學月刊編輯)

2014年謝志豪升等為台大海洋研究所教授,2015年7月又榮獲日本第18屆生態學琵琶湖獎的殊榮。他結合理論模型、野外調查實務數據與統計分析等跨領域科學方法,解決湖泊及海洋生態系統中漁業、優養化與環境變遷問題,而獲得此獎的肯定。

台灣大學海洋研究所位於校園的西北角,醉月湖的北岸,左右有天文數學館與凝態中心暨物理系館兩棟新的高樓矗立,襯托之下,海洋所的大樓顯得多了些歷史的痕跡,這裡就是謝志豪副教授任職之處。進入四樓的研究室,我們遇到的是如同實驗室中大學長般親切、沒有拒人之外學者架子的謝志豪老師,這樣一位年輕學者卻已有多篇令人驚豔的論文發表在世界頂尖的期刊上,讓人不能不好奇他究竟是怎麼做到的?

分生年代抵抗分生

雖然達到錄取醫學系的成績,卻寧可就讀台大動物系,謝志豪笑著說當時許多進入動物系的學生都是這樣。他進入台大就讀的那年,民國82 年,正好是中央研究院分子生物研究所、生物醫學研究所相繼正式成所的時代,在相關人士的宣揚與媒體的播送下,分子生物學成為當時台灣的顯學。在這樣的氛圍下,吸引了許多像謝老師這樣的學子進入生物相關科系就讀,期望能在這個尖端的生物研究中有所突破,進而貢獻生技產業或是醫學領域。

不過到了大二升大三的暑假進入實驗室後,他發現自己總是做不好分生實驗,搞不定這些儀器和技術。雖然實驗室的學長安慰他,犯完所有可以犯的錯誤之後,一定可以海闊天空、駕馭自如,但這樣的挫折卻仍讓他覺得自己不適合這樣的研究方向。

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直到他跟著教授無脊椎動物學的陳俊宏老師,到澎湖去做野外實驗,在海邊採集樣本,他至此萌發了對生態的喜愛與熱情。而後又有幸遇到石長泰和丘臺生老師,帶領他進入浮游生物的世界。關起分子生物的這扇門後,生態的這扇窗開啟了,每個月出海採樣、努力學習浮游生物種類鑑定。謝志豪說,雖然要用很小的鑷子在顯微鏡下解剖微小的浮游生物,但對他而言卻比分生實驗容易上手。

研究所時想選擇純粹的海洋生態研究,不要再有分生實驗的實驗室。但在當年那個研究氛圍下可說是難上加難,因為連生態學都面臨分生的新研究工具引進而導致的轉型壓力。最後他選擇了與石長泰、丘臺生兩位海洋生態學家,學習如何研究台灣海峽的浮游生物與漁業資源。

讀論文是興趣

難道不跟著分生的潮流,就只能沉浮於傳統生態學領域?謝志豪可不這麼認為,他勇於跨入了另一個他不那麼熟悉的領域,並將生態學與這個領域做緊密的連結,這個領域是「數學」。生物統計及生物數學在現在可能不是一個新興的概念,但當時台灣在這方面的研究卻落後許多。他笑著說,當時會唸生物科系的通常數學不太好,或者是覺得自己數學不太好。不過開始想用數學作為研究工具,但數學又不好怎麼辦?於是他開始去旁聽數學系的課程,接觸微分方程、高等微積分,並且自己學寫程式,一點一滴唸下來,才發現是自己把數學想得太難了。

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在眾人提倡分生的年代毅然決然地轉身投向海洋生態的懷抱, 勇敢走與大多數人不一樣的路。(謝志豪提供)

多數的研究生把大多數的時間花在自己的論文題目上,他卻將大把時間拿來了解各種不同的領域,他說讀論文是他的「興趣」。當他對某個主題有興趣,他會去念這個主題相關的論文,其中遇到不懂的或有疑問的,就再去閱讀更多的論文。「我想知道它的來龍去脈,我對歷史很有興趣,我會想知道誰是第一個提出這樣的想法的人,為什麼想這樣解決問題。」謝志豪的語句中很自然的流露他渴望更多新知識、新觀念的熱情,在這樣的過程中,他不僅擴充他的學識範圍,這些求知經驗更在一點一滴的累積下,成為他現在課堂上授課的題材。

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進入理論生態殿堂

碩士畢業後他申請上了相當著名的加州大學聖地牙哥海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography),前往美國就讀博士班。「我跟我的老闆馬克歐曼(Mark Ohman)說我不要做種類鑑定,這我已經會了,我想做洋流模型,看洋流的流動如何影響生物漂送及族群變動。」也因此謝志豪走入理論生態學,由一本《生態學入門》(A Primer of Ecology)和程式設計課本開啟了新領域的門。從大學、碩士班累積起來的數學也沒有荒廢,他每個學期必定修一門數學系或機械系大學部的數學課,他打趣地說,「上過國外的數學課,才發現台灣的數學課,對於非數學專業領域的學生而言,真的教太難了,不是學生太笨!」

因為他的認真與努力,也讓他遇到了影響他博士班生涯的第二位老師,杉原(George Sugihara)教授。謝志豪回憶道,「我去上他的計量生態學,別的同學交作業都是紙本,我都寫程式,老師每次給我的成績上都寫Super !他改成績的方式就是ok、good、excellent、super 分級, 沒有分數。」好的表現使杉原教授對謝志豪印象深刻,並將他挖角到自己的實驗室。

這個轉換讓謝志豪相當掙扎,一來是原實驗室的歐曼教授是帶他走入理論生態領域的重要老師,給他很多激勵和幫助,且當時已經準備要提博士資格考了。二來是他懷疑自己有沒有這個能耐,可以去應付新研究課題的挑戰。當他下定決心與舊實驗室道別時,他的理由是,「我認為我現在做的研究題目不夠具有挑戰性」,看似一句相當直接、大膽的話背後,其實有相當多的考量。

「當我在念碩士班時,像洋流模型這樣的題目全世界只有十個人在做,但當我唸博士班時卻有一百人會做,且出現了很多軟體,若我不能自己去發明軟體,那我就只是學會使用軟體和調整參數,這並非我讀博士班的初衷。」他決定給自己更新的挑戰,這種「除了要好,還要更好」的態度,相信是他不斷突破自我的動力,不過這次的轉換跑道卻也帶給他意想不到的艱難磨練。

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他成為了兩個教授共同指導的學生,雖然這不是很特別的案例,但當發現這兩個教授對彼此頗有意見後,夾在中間的學生就相當尷尬了。兩位教授都是學生公認非常嚴格的老師,能在這兩位嚴師指導下順利畢業,謝志豪笑著說自己成了系上的「傳奇人物」。

雖然謝志豪一直都以輕鬆的語氣敘述這段經歷,卻不難想見當時他所面臨的壓力與挫折。博士班三年級他得重新構思研究題目,老師卻又一直不滿意他提出的想法,此外公費留學的獎金也即將用罄,卻沒有經費來源。在什麼都沒有的窘困情況下,曾讓他非常後悔轉換實驗室的念頭。

謝志豪老師親切、爽朗的個性,以及談話之間的妙語如珠,讓整個訪談笑聲連連。(洪英愷攝影)
謝志豪老師親切、爽朗的個性,以及談話之間的妙語如珠,讓整個訪談笑聲連連。(洪英愷攝影)

獲得漁業寶庫

幸運的是,他遇到了一位準備從美國西南漁業中心(Southwest Fisheries Science Center, NOAA)退休的老教授約翰(John Hunter)。約翰手中有一筆累積50 年的加州魚類資料,想找人幫他分析這些資料,希望對漁業有幫助。他說「I should give this treasure to a good hand」,而謝志豪則成為這雙「good hand」。

「他們想從資料庫中找到生態指標(ecological indicators),能夠幫助他們做環境和漁業的資源管理,讓他們經由指標判斷什麼魚可以抓、什麼魚不行之類的問題。」當時相當流行發明生態指標,至今仍是一門顯學,因為不管是政府單位或研究單位都想找一個簡單可行的標準,因此陸續發展出一百多種生態指標。謝志豪說他當時對漁業一點都不了解,要從不了解到了解,他認真下功夫,遇到不懂就找書唸、找人問。「發明生態指標何其之難,不同的魚受到不同的漁業壓力,要找到一個數值就可以來全面應用,其實我認為不是一個成熟的科學想法。」在大家極力尋找生態指標的情況下,謝志豪卻有相反的想法,「這些指標可能有用,但是它需要和沒有漁撈的狀況作比較,但現實上全世界都是先有漁撈後才去測量這種魚。唯一有用的指標還是回到傳統的漁業管理方法,一個種類、一個種類去做指標,但這不是政府單位想要的,因為已經有研究顯示,單一種類指標有相當大的缺陷。」

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因此他提出了一個在當時很創新、奇特的想法,他要比較加州地區受漁撈和沒受漁撈影響的魚種,把受漁撈影響的魚種當實驗組,沒受漁撈影響的魚種當對照組,以此來看漁撈對魚種的影響。這個時候他的實驗室是整個大自然,不受漁撈的魚種受到的環境壓力,單獨來自氣候變遷和生物之間原本的交互作用,但受漁撈的種類除了這些以外,還要承受撈捕的影響。運用來自約翰老教授的50 年資料,他就能用各式各樣的分析方法來比較這兩種狀況。

「當時我提了這個想法,我的博士班口試委員,漁業界的大老都覺得我是拿橘子和蘋果來比較,根本不可行。」謝志豪打趣地說,每次與口試委員的會議,老師們總是吵成一團,不過因為當時大家做生態指標也做不出個所以然,於是就只能死馬當活馬醫的試試看了。

後來這樣的一篇研究發表到國際知名期刊Nature。即使如此,還是有一些反對的聲浪,但也同時引發了新的研究浪潮。以往的學者曾提出許多相關的物種互動模型,以及魚類族群結構的分析,但往往只停留在模型,沒有以實際的資料去驗證。謝志豪謙虛的說,「我就像走在路上幸運撿到NOAA資料庫的這塊寶,而自己只是從中挖寶。」但若是沒有他一直不斷地進修數學分析、努力鑽研理論生態學,即使有這樣的寶礦在手,也不見得能讓他發光發亮。

成功的研究發表在好的期刊等於博士班順利畢業,這在謝志豪身上卻是不成立的,他發現指導老師希望他能留下來,繼續完成其他研究,加上其他種種壓力,讓師徒二人起了爭執。在崩潰邊緣的謝志豪,很慶幸他的背後一直有一雙支持他的手,讓他不會放棄倒下,這一雙溫暖的手來自他的太太。「我太太一直很支持我,她原本有很好的工作,但是她選擇放棄工作陪伴我。」說到這裡謝志豪的語氣柔和了許多,透露的是無限的感激與溫暖。

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另一方面是前老闆與口試委員們的幫忙,使得杉原教授在最後妥協,也寫了封很好的推薦函,讓他順利在京都大學找到博士後研究的工作。在這段期間他們也迅速將第二篇Nature 的論文送出去,謝志豪說他的老師認為,即使在相處上遇到衝突,但科學研究不應該因為這些事情而受挫折,不繼續前進。即使到現在,謝志豪仍然和杉原教授維持合作,共同指導學生。「我感謝我的指導教授對我的嚴格要求與挑戰,我自畢業以來,還未遇過比博士班生涯更大的挑戰。」

創建台灣海洋生物資料庫

2007年回到台灣,在台大海洋所開始建立自己實驗室的謝志豪,對於研究走向經過一番思索後,回到了他碩士班時期做的海洋浮游生物生態。以往台灣幾乎沒有完整、且有系統性建立的海洋生物資料庫,研究人員都是到處抓資料分析,能分析的參數有限,空間象度也有限。謝志豪認為這樣不行,「我希望能夠建立一個資料庫,這個資料庫30年之後會有用,將來我能夠像約翰老先生一樣找個good hand來好好利用它」,因此決心要投注心力在創建台灣浮游生態資料庫。這是一條披荊斬棘的路途,箇中艱辛只有實際去做才會瞭解。

「你可以想像我需要花多少時間、多少人力、多少經費,才能完成一個資料點,而一篇論文需要累積4、50個資料點才夠,我需要投資的遠遠超過想像。」這個資料庫中的資料相當齊全,包含海洋環境的背景資料,如溫度、鹽度、溶氧量、各式營養鹽;以及浮游生物的資料,如浮游植物的濃度、生產力、浮游動物的濃度、種類等。

謝志豪這一等就是6、7年,其間慫恿他發表論文的聲音不斷,卻動搖不了他不做「泡麵式」發表的決心,他認為當資料搜集還不夠說一個完整的故事時,連自己都說服不了,怎麼說服別人!

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在謝志豪的研究路上,太太給予他的支持與鼓勵,讓他沒有在重重艱難關卡前放棄。(謝志豪提供)

難道就這樣放棄漁業研究了嗎?其實謝志豪並沒有放棄,2008 年發表在Nature期刊上的論文是延續博士班的研究,著重於漁業對魚群豐度的擾動,運用NOAA資料庫的資料分析,發現漁民撈捕時篩選體型較大的魚,造成魚群的年齡金字塔低齡化,進而提高魚群群族崩解的風險,是在對漁業提出沉痛的警告。此外,2012年發表在Science 的研究,則是以加州最著名的鯷魚與沙丁魚漁業為題,探討這兩種族群一增一減變動背後的真正原因。

問到未來有沒有可能回過頭來研究台灣漁業,謝志豪在短暫思索後回答,「我在等一個契機」,這個契機是讓漁業的採樣方法,以及獲得的資料更可信。「我還是想建立一個30 年計畫,期待將來有幫助。當然也有人跟我說,30年之後沒有魚了怎麼辦?那我真的無話可說了。」謝志豪也感嘆,我們對台灣附近的海域了解真的很有限,常常都在處理新的、不了解的現象。以往針對局部、特定種類的調查較多,卻缺乏大規模的調查,在我們還不夠了解自己的海洋的情況下,魚群卻已經面臨慢慢減少的危機。台灣海域面臨的另一問題是,即使規範了台灣的漁民,卻無法規範外國鐵殼船入侵的無奈。

蓄勢待發 航向新大陸

航行於波濤洶湧的大海,如何克服暈船、挺過暴風雨,需要的是不畏艱難的意志力。能夠乘風破浪地前進,航向未知的大陸,需要堅強與堅定。發現新大陸時,要的不只是攻頂插旗,求的是全盤的了解土地。謝志豪的研究之路一如這個旅程,克服困難、險阻的無畏精神與努力不懈的毅力,引領船隊向前挺進。

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謝志豪帶領學生們出海採樣。(謝志豪提供)

謝志豪說,當你知道自己想要什麼,就開始努力規劃自己的生活,不做浪費時間的事情,即使你的努力當下看不見,但你從過程中總是會學習到你下一步可能會用到的技能,不管是團隊合作、知識的積累、如何面對新的挑戰等。他從不要求學生要做什麼,反而要他們自己去想、去執行,訓練他們獨立自主研究、邏輯思考和時間安排。

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從2013年起,謝志豪與台大大氣系郭鴻基教授合授「生命科學數學」,希望能讓學生物的學生們,瞭解數學的樂趣與應用,開拓更寬廣的視野。我們可以期待的是,在謝志豪老師的帶領下,30年後完成的不僅是一個完整的台灣海洋生態資料庫,更是一批關切海洋生態的專家,在各地發芽茁壯。

100〈本文選自《科學月刊》2014年1月號〉

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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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深海發現大型礦場和「暗氧」!是能源危機的希望還是潘朵拉之盒?
PanSci_96
・2024/09/21 ・2334字 ・閱讀時間約 4 分鐘

深海的暗氧:無光環境中的神秘氧氣生成

深海,被譽為地球最後的未開發疆域,隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核,這些礦物因含有大量珍貴金屬,對現代技術,尤其是能源轉型,至關重要。然而,科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象:暗氧,即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解,還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

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長期以來,科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域,是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點,只有在陽光能夠到達的區域,氧氣才能被生成。因此,對於深達數千公尺的深海區域,我們的認識是,氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而,深海中缺乏光源,光合作用無法進行,這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海,但這一過程極其緩慢,往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此,科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現,是新能源的關鍵,還是海洋生態的災難?

在這樣的背景下,科學家對深海進行了更深入的探索,並發現了錳結核(英語:Manganese nodules),又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石,其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域,尤其是太平洋海域,儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術,如電池生產,具有極高的價值,吸引了全球各國的關注。

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然而,這些結核不僅是地球資源的寶藏,它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年,科學家安德魯·斯威特曼(Andrew Sweetman)在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時,意外地發現,在封閉的深海水域中,氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

科學家探索深海的多金屬結核時,意外發現「暗氧」的存在。 圖/envato

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測,深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下,充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣,從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設,團隊在實驗室中模擬了深海環境,並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過,這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據,某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特,卻能夠生成氧氣,這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測,這可能與結核的成分有關,例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用,降低了反應所需的能量。此外,結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為,地球上的氧氣主要來自於光合作用,但這一現象表明,甚至在無光的深海環境中,氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著,我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

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尤其值得注意的是,多金屬結核的形成需要氧氣,而這些結核大量出現在深海中,是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制?如果是這樣,暗氧是否可能推動了地球上生命的起源?這一問題仍然未有定論,但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰:開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」?

除了科學研究的價值,多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬,特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而,大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

對於發現的深海資源,是要開採?還是選擇守護海洋生態? 圖/envato

首先,深海採礦可能導致噪音和光污染,破壞深海生物的棲息地。此外,採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物,尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示,水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量,這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此,雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機,但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦,呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

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暗氧的發現,不僅為科學研究帶來新的挑戰,也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間,我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下,模擬自然過程生成多金屬結核,從而實現可持續的資源開採。

此外,暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時,不一定意味著那裡存在光合作用生物,可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採,這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護,我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域,避免打開潘朵拉之盒。

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海洋盛宴——抹香鯨落
黑潮海洋文教基金會_96
・2023/11/05 ・3099字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文 胡潔曦|黑潮海洋文教基金會 鯨豚保育研究員
  • 本文轉載自黑潮海洋文化基金會《海洋盛宴——抹香鯨落》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持黑潮喔!
圖一、抹香鯨舉尾下潛

編按:本文主要內容與圖片摘錄、翻譯自文獻Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan,期望在頻繁目擊抹香鯨的 7 月,跟大家分享抹香鯨落的研究。

生存在深海中並非容易的事,由於深海裡缺乏陽光與有機物質,許多生物是藉著海水表層落入深海的有機物質維生。當鯨豚死亡後沉入海底,這段過程、遺體以及過程中所形成的生態系均可被稱為「鯨落」。鯨落可以說是生命的延續之源,而這些殞落至海底的鯨豚有如「金山銀山」,不僅能提供大量的有機物,同時也將許多硫化物帶入海底,造福許多海洋生命,因此也有一句話說:「鯨落,萬物生」。這篇文章透過閱讀國外文獻與整理,希望跟大家分享抹香鯨死亡之後的貢獻!

圖二、世界目前已知的鯨落位置,Implant=人工鯨落  Fossil=鯨落化石  Natural=自然鯨落(Li et al. 2022

故事的開始——集體擱淺在日本的抹香鯨

在 2002 年 1 月,日本的西南海岸發生了一起集體擱淺,共發現了 14 隻抹香鯨,而其中 12 隻抹香鯨被綁上水泥塊後,被當地政府沉入了 Nomamisaki 岬角周邊深度大約兩、三百公尺的海裡,形成了多座人工鯨落。當時有許多學者對於抹香鯨落感到好奇,究竟牠們會吸引來哪些生物?而抹香鯨龐大的遺體會需要花費多長時間分解呢?透過這項研究,或許能讓人們對大型齒鯨落的分解過程更加瞭解。

圖三、編號 12 之抹香鯨在 2003 年之手繪插圖(Fujiwara et al. 2007

事實上,在 2002 年以前,多數的鯨落研究出自於美國的加利福尼亞州外海,並以鬚鯨為主要研究對象,而這些鯨落的深度幾乎都落在一、兩千公尺深,比起這次抹香鯨落群的深度深了非常多。而這次大量出現在日本西南海域的多座人工鯨落有著種種獨特性,包含了:深度淺、是大型齒鯨的鯨落等等,也讓學者們充滿好奇心。

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究竟要如何長期觀察抹香鯨落呢?

閱讀至此,不知道讀者們是否有一項疑問?在兩三百公尺深的海裡,既缺乏可見光,同時也承受著數十倍的大氣壓,在這樣的條件下到底要如何觀察抹香鯨落呢?「ROV——水下探測載具」即是這個研究的一大助手,能夠幫助科學家們突破這些困難,不僅能在深海中蒐集珍貴的影像,也可以完成採集的工作。而在團隊耗費了 3 年運用水下載具追蹤其中的五隻抹香鯨後,他們也有了些有趣的收穫,透過圖四可以看到這段時間抹香鯨的外觀變化。

圖四、編號 12 之抹香鯨 a. 2003 年 7 月  b. 2004 年 7 月  c. 2005 年 7 月利用水下探測載具拍攝影像(Fujiwara et al. 2007

經過數年的追蹤後,研究團隊發現,抹香鯨落歷經分解的速度堪稱飛快!根據 2003 年的鯨落研究,學者將鯨豚分解的過程定義為下述四個階段(Smith and Baco 2003),而第一個階段到最後階段可能會歷時數年甚至到數十年,當鯨豚的遺體越大,可能耗時越長:

  1. 移動清道夫階段(Mobile-scavenger):生物會快速消耗掉鯨豚體表上的肉與脂肪。
  2. 機會主義者階段(Enrichment opportunist):生物開始進駐鯨豚裸露的骨頭及周邊富含營養的底層泥沙上。
  3. 化能自養階段(Sulphophilic):骨骼釋放硫化物,供養海洋中依靠硫化物維生的生物。
  4. 骨礁階段(Reef):在所有有機物質被消耗之後,即會進入骨礁的階段。

註解:上述中文名詞翻譯參考自國家地理頻道及國立海洋科技博物館 鯨落展區。

鯨落最快被消耗掉的部分是身上的肉跟脂肪,而這份文獻研究的 5 座抹香鯨落,肉跟脂肪在經過 1 年之後已幾乎被消耗殆盡;經過 1.5 年之後,抹香鯨落已進入化能自養階段,骨骼開始釋放硫化物質;有些大型鯨落從化能自養階段轉為骨礁期要歷經數十年,根據這項研究發現,部分抹香鯨落竟在 3 年後就能夠進入骨礁期,身上所有的有機質都被消耗殆盡,而這樣的進度相較於過去鬚鯨落的研究是非常快的!研究人員初步推測,可能是因為此處的平均水溫相較其他鯨落研究的海域高,生物分解的速度比較快。

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抹香鯨落上意想不到的生物多樣性

這次的研究共有發現超過百種生物聚集在抹香鯨落周邊,包含軟體動物門、多毛綱與甲殼綱的生物等,在 1.5 年後,貽貝是抹香鯨骨骼上最為豐富的生物類群(圖五)。而抹香鯨落整體的生物多樣性在到達 3.5 年時來到高峰,紀錄中共有八十多種生物出現。

圖五、位在抹香鯨脊椎骨的貽貝(Fujiwara et al. 2007

除了確認抹香鯨的腐化速度之外,研究人員也會在探測載具每次下海時採集底部的泥沙,經分析發現,抹香鯨身體下方泥沙中的硫化物濃度,隨著鯨落分解的時間越久,濃度也會逐漸提高,並吸引來大量仰賴硫化物生存的生物。為了進一步確認周遭環境的生物是否與抹香鯨身上的有差異,研究人員也將抹香鯨 10 米以內與外的生物做了比較,發現鯨落 10 米以外的物種與鯨落上的生物完全沒有重疊,也證明了鯨落的出現確實吸引來許多的生物。

鯨落,萬物生

鯨落的各個分解階段吸引了許多生物造訪,肉與脂肪等在幾個月內快速地被消耗掉,有機碎屑也能讓周邊海底的富含養分,而抹香鯨骨能釋放硫化物數年,部分大型鯨甚至可能長達數十年。「鯨落,萬物生」,在鯨豚生命的最後一章,牠們的身體緩緩沉入海底,成為了大量生物的食物來源。至 2022 年為止,目前世界已知鯨落共有約 160 座,也希望隨科技進步,人們能更深入認識鯨落為環境帶來的影響。

影片分享:美國於2019年在NOAA保護區發現的深海鯨落

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  1. Fujiwara, Y., Kawato, M., Yamamoto, T., Yamanaka, T., Sato-Okoshi, W., Noda, C., Tsuchida, S., Komai, T., Cubelio, S.S., Sasaki, T., Jacobsen, K., Kubokawa, K., Fujikura, K., Maruyama, T., Furushima, Y., Okoshi, K., Miyake, H., Miyazaki, M., Nogi, Y., Yatabe, A. and Okutani, T. (2007), Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan. Marine Ecology, 28: 219-232.
    https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2007.00150.x
  2. Li Q, Liu Y, Li G, Wang Z, Zheng Z, Sun Y, Lei N, Li Q and Zhang W (2022) Review of the Impact of Whale Fall on Biodiversity in Deep-Sea Ecosystems. Front. Ecol. Evol. 10:885572. doi: 10.3389/fevo.2022.885572
  3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whale-fall.html
  4. https://natgeomedia.com/environment/article/content-6001.html
  5. https://www.soest.hawaii.edu/oceanography/faculty/csmith/Files/Smith%20and%20Baco%202003.pdf
  6. http://hi.people.com.cn/BIG5/n2/2020/0409/c228872-33936490.html
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黑潮海洋文教基金會_96
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  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。