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誕生於動盪幕府末期的天才機關師 —《大人的科學》

親子天下_96
・2015/11/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

持續了數百年的「機關人偶」歷史是日本獨特的文化。在進入新世紀之際,出生時間僅僅相差 2 年的兩位天才機關師,更將機關人偶推向高峰。這兩位分別是製造的機關人偶十分精妙而擁有「魔術師」別稱的大野弁吉(1801~1870年),以及「東芝」創業者的田中久重(1799~1881年)。兩人的卓越技術透過他們的機關人偶相關故事與傳記等,流傳至今日。

舉例來說,當時才十幾歲的久重在老家旁邊的五穀神社夜間祭典上,對著前來購買傷痛軟膏及觀賞雜耍的群眾,展示自己製作的機關人偶。在屏息以待的眾多觀眾面前,手捧端盤出現在舞台上的女性裝扮機關人偶,微微晃動頭部,踏著優雅的步伐來到舞台邊緣停住。在舞台旁邊等候的青年久重,請三位觀眾拿起端盤上的茶杯,一飲而下,等到最後一人把杯子放回端盤上,女偶便轉身,心滿意足地晃著腦袋,沿著來時路往回走。

這個十分精巧的「擬真人偶」作品,令在場所有人無不忘我驚嘆:「太妙了」、「真是不可思議」。後世的機關裝置研究家東野進先生,重現久重製作的這個「茶酌娘」人偶。見了人偶的動作之後,證明這段小故事並無誇大。茶酌娘捧著擺了三只茶杯的端盤、微微點著頭、雙腳交互移動往前走,走到事先設定好的距離時,就會自動停止,再藉由端盤裡的三只空茶杯重量讓它轉身,回到原本出發的地方。

茶酌娘
久重製作的茶酌娘。無須拿起端盤上的茶杯,人偶也會自動停止,擺上 3 個空茶杯後,人偶才會轉身回到原來的地方。

這種不是利用引擎或馬達,而是利用高超技術實現的精確動態,連生活在現代的我們都感到驚訝,更何況是江戶時代那些只見過人類操控的人偶淨琉璃(譯注:日本傳統四大戲曲之一,以人偶搭配音樂演出的戲劇。淨琉璃是指以三味線伴奏的說唱表演。)的老百姓;對於他們來說,發條是陌生的動力來源,不難想像當他們見到能夠自行活動,而且動作變化豐富的機關人偶時,受到的衝擊有多大。

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利用來回各地表演與自學 鍛鍊技巧的久重

寬正十一年(1799 年),田中久重出生在筑後國(現在的福岡縣)久留米的鱉甲精工師的家裡。才 8 歲就懂得替收納硯台等的箱子加上特殊的保險箱數字鎖,讓私塾的朋友們為了打開箱子吃盡苦頭,早早便展現其才華。自小就在老家旁邊的五穀神社接觸「機關裝置表演」的久重,到了 15 歲的時候,在該神社的例行祭典上發表「竹輪澆花器」。他埋首在機關裝置的世界裡,沒有接觸家業的鱉甲精工,從早到晚都躲在後院廂房的二樓裡,專心致志思考並製作機關裝置。父親過世後,家業改由弟弟繼承,久重專注在機關裝置上。20 歲左右,他在五穀神社發表「雲切人偶」的演出,人稱「機關儀右衛門」,因而遠近馳名。

但是,機關師的人生絕不輕鬆;為了滿足觀眾,必須經常追求「新技術」,但是知識只能夠靠自學取得。久重在文正七年(1824 年)留下妻子,來回各地進行真正的機關裝置表演。他巡迴肥前、肥後(今日的佐賀、長崎、熊本),前往上方(江戶時代的京都、大阪與週邊區域)。他一邊演出,一邊參加各地的市集、法會、例行祭典等;表演有時大受好評,有時不受青睞。他仰賴旅途中的表演收入維生,一邊漫遊各地,學習該地方特有的技術,逐漸提昇製作機關裝置的技巧。久重製作的「童子杯台」、「寫字人偶」,以及被譽為最高傑作的「拉弓童子」等機關人偶名作,被認為都是在這段時期誕生。

接下來,在技術和經濟方面都有了自信的久重,到了天保五年(1834 年)把留在久留米的妻子叫來,移居到有「天下廚房」之稱的大阪。此時,原本靠表演維生的久重,出現了重大的轉機。久重利用空氣槍的構造發明了「無盡燈」並開始販售。他第一次親手製作的生活必需品大受歡迎,坊間出現了許多類似的產品。這個發明也被認為是利用家電產品打造全新生活風格的國際企業「東芝」萌芽的起點。

無盡燈
利用空氣壓縮自動為燈芯補充燈油的方式長時間點亮燈火,保持裝置持續燃燒。

善用技術做生意的久重

久重搬到大阪的三年後,也就是天保八年(1837 年),遇上大鹽平八郎之亂(譯注:前一年日本發生天保大飢荒,地方政府卻拒絕援助民眾,因此大鹽平八郎率眾發起反江戶幕府的革命。),住家被燒毀,因此久重在叔母的幫助下逃難到伏見(現在的京都)。在那兒,久重拜比自己年輕20歲以上的廣瀨元恭為師,積極吸收蘭學(譯注:透過荷蘭傳入日本的歐洲學術、文化、技術的統稱)知識。

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另外,到了弘化四年(1847 年),他也拜師從安倍晴明(譯注:921~1005 年,日本平安時代的陰陽師)時代起掌管天文、編定曆法的土御門家,學習天文曆法學。這一年,他製作須彌山儀(以印度佛教宇宙觀「須彌山說」為基礎、解釋天動說的時鐘。「須彌山」是佛教傳說中位於世界中心、眾神居住的山。);又過了兩年,他獲得嵯峨御所(譯注:平安時代早期嵯峨天皇蓋的離宮,後來變成大覺寺。)頒發給商人與工匠的最高榮譽,稱號「近江大掾」。到了嘉永四年(1851 年),久重完成日本鐘最高峰的「萬年鐘」,隔年在京都烏丸開了「機巧堂」。

萬年鐘
底座寬 64.5 公分,高 83 公分的地上型時鐘,具備各式各樣的功能。黃銅打造的雙重發條兩組轉一圈的話,據說能夠持續讓時鐘活動 200 天以上。

這一年正好是美國海軍准將培里強行把船艦開進浦賀港,要求開港通商(黑船來航事件)的前一年,外國蒸汽船頻頻靠近日本,感受到威脅的久重利用從蘭書(譯注:荷蘭文或荷蘭的書籍。)上自學而來的知識,打造日本第一個蒸汽船模型。關白鷹司政通大人聽聞消息,將久重邀請至自宅,讓模型在庭園池子裡行走。關白對於蒸汽船模型在池水裡破浪前進的姿態相當感動,親手寫下「日本第一精工師」的招牌給久重。年過 50 歲的久重成為名實相符的頂尖「機關師」。但是,這也是他從「江戶的機關師─機關儀右衛門」變身為「明治的機械工程師─田中久重」的轉捩點。

奠定龐大企業基礎的「企業家」久重

安政元年(1854 年),幕府與美國簽署和親條約(日美和親條約),開放下田與箱館兩港口與美國通商,久重也在這一年受到佐賀藩邀請,成立日本第一個科學研究所「精煉方」。隔年,久重製作出正式的外輪式蒸汽船模型,也成了 10 年後佐賀藩完成的日本第一艘蒸汽船「凌風號」的原型。其後,他以機械工程師身分活躍於打造先進武器阿姆斯壯大砲等領域。到了 1868 年,他 70 歲的那一年,迎接了「明治時代」的到來。

蒸汽船雛型
外輪式蒸汽船模型

明治六年(1873 年)久重前往東京(譯注:江戶於 1869 年改稱東京。)。在麻布大泉寺成立「珍器製造所」,開始製作電報機。兩年後,他改到銀座煉瓦街成立「田中製造所」。直到他在明治十四年(1881年)以83歲高齡過世之前,仍然精力充沛地活躍著。

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本文摘自《大人的科學–迷你奉茶童子》,由親子天下出版。

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親子天下_96
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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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