血汗淚的交織史—用眼淚感測血糖的智慧型隱形眼鏡

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！

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）。

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？

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。

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。

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。

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）。

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！

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《聰明的隱形眼鏡，替眼睛做健康檢查！》
• 作者 / 郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

戴隱形眼鏡可以幹嘛？除了矯正視力，或讓虹膜看起來變大變漂亮，現在隱形眼鏡還能幫你的眼睛做健康檢查！交通大學電機工程系教授邱俊誠的團隊開發出一款智慧型隱形眼鏡，只要戴上，就能檢測眼球溫度、淚液蒸散速率、滲透壓、眼壓等數據，可提供眼科醫生做為診斷依據，協助研判病患是否有輕微或嚴重的乾眼症或青光眼症狀。

眼疾的檢測更準確，治療方法升級

這項研究對於眼睛的檢測帶來很大的突破，因為它可望讓眼疾的檢測變得方便快速，還能讓治療變得更加精準。乾眼症的成因不只一種，可能是淚液分泌不足，也可能是淚液成分中的油脂不足造成淚液蒸散過快，但過往的檢測方法並不能很有效的區分，因此醫生在給藥時，常常只能用自身經驗，做主觀的判斷。但有了智慧型隱形眼鏡協助檢測，能依據醫生的需求提供更精準的科學數據，也就能讓判斷與投藥更加正確。

而針對青光眼的患者，醫生也可以使用智慧型隱形眼鏡的數據，找出容易眼壓高的時間點，針對這些時間點給予藥物治療。邱俊誠進一步解釋：「這些檢測數據是珍貴的大數據資料，等到累積夠多數據，醫生或藥物開發商就可以分析出更準確的藥物配方。」因此這項研究成果一公布，立刻引起了各界關注。

另一個引起大家注意的重要原因，在於這是第一個可以戴得舒服的智慧型隱形眼鏡。目前全世界大部分的智慧型隱形眼鏡研發，都是以硬式鏡片做為基礎，但邱俊誠說：「我們一開始就是從『可配戴』的角度當出發點，因此是以現有的軟式隱形眼鏡材料矽水膠去做設計。」他們將可測量溫度、濕度、壓力等各種特性的感測器、處理晶片，以及傳輸資料用的天線等元件，就像三明治的內餡一樣夾在鏡片的夾層裡，因此配戴時的感覺，就和普通的隱形眼鏡一樣。

一度產生懷疑……真的做得出來嗎？

從 2011 年開始研發，到 2019 年宣布成功，這條路走了八、九年，邱俊誠表示：「其實並不是沒想過放棄，因為中間有太多困難，讓我一度沮喪，覺得看不到答案。」 

要做出這款智慧型隱形眼鏡，其中一個困難點在於元件的整合，儘管感測器都已經設計得非常精巧，靈敏度也夠高，但要整合在小小的曲面鏡片裡，還要能有效運作，有許多細節需要考量。邱俊誠舉例說，這些元件的檢測及訊號傳遞，需要從外界以無線電方式提供能量，能量過低無法啟動元件，能量過高可能造成鏡片溫度上升，因此光是能量的傳遞就花了許多時間研究。

另外，「隱形眼鏡是要戴在人眼上運作的，一旦牽涉到人，就會增加許多變異。」邱俊誠以裝在鏡片內的天線舉例，天線的設計必須將人戴上隱形眼鏡後的實際狀況納入考量，因為人眼會帶著隱形眼鏡移動，要如何讓天線的傳輸沒有死角，不因隱形眼鏡轉了一個角度就無法傳輸，讓團隊花費了不少心力。

幸好，邱俊誠的團隊裡有許多優秀的學生，不斷嘗試各種可能，堅持不放棄，邱俊誠說：「最後終於成功的那一刻，真的是五味雜陳。」

智慧型隱形眼鏡還有更多潛力與可能

目前，這款可以檢測眼睛的智慧型隱形眼鏡已經通過動物實驗，在相容性、毒性、敏感性、刺激性的測試都通過考驗，邱俊誠說：「接下來會進入人體實驗，希望在四、五年內讓產品上市。」換句話說，不久的將來，我們到醫院檢查眼睛，或許不再需要點散瞳、打麻醉、把試紙插入眼睛，而是戴上隱形眼鏡，坐等數據自動傳輸到醫師電腦就好。

而邱俊誠對這款智慧型隱形眼鏡，也希望繼續做更好的調整與設計。目前的鏡片裡沒有電池，能量由外界傳輸提供，因此在檢測時，除了戴隱形眼鏡外，還得戴一個如同一般眼鏡般的裝置來搭配提供能量。邱俊誠說：「我們正在研究如何把電池也整合在隱形眼鏡裡，這樣一來檢測會更方便，看起來也更簡單美觀。」

在未來，邱俊誠還希望讓智慧型隱形眼鏡有更多功能，舉例來說，如果有一副隱形眼鏡，戴上就能自動調校視力，不論近視幾度，它都會自動改變曲率、厚度，來符合你的度數，這有多好！邱俊誠表示，這種鏡片的困難度在於內部必須要有動力來源才能改變並維持隱形眼鏡的形狀。「雖然困難，但我們已經著手在研究了。」

更甚者，未來在 5G 網路的發展下，智慧型隱形眼鏡可望做到擴增實境（AR），透過隱形眼鏡，可以將世界各角落的即時美景盡收眼底，也能隨時與親朋好友「視訊」，而且就彷彿對方直接在你眼前般真實。相信不久後，我們就能親身體驗到智慧型隱形眼鏡對我們的生活及這個世界帶來的巨大改變。

• 高翊賢、冷明翰、童筱妍、蘇琬婷、葉曜華

隨著血糖浮動的心情，靠它終於可以舒緩了

號外！號外！大家照過來喔～這款超酷的智慧型隱形眼鏡，不僅輕、薄、短、小，結合了時下最新科技，對於糖尿病患者來說，更是個福音。

憑什麼這樣說呢？就憑它能即時並無痛的監測淚液中的葡萄糖濃度，讓人們不需要時時刻刻擔心在進食或是運動時，可能造成的血糖劇變。糖尿病患者也不用再為了測血糖而挨針受罪了。這款能夠偵測淚液裡葡萄糖濃度的隱眼，除了使用非侵入性的方式外，也不再需要透過鏡片和笨重的儀器連結才能測得數據，可說是方便了不少。

南韓科學家創新設計，突破舊有智慧隱眼的困境

其實利用隱形眼鏡作為偵測器並非新想法。在 2014 年一月，Google便宣布要研發「Google Contact Lens」，希望能透過淚液監測葡萄糖濃度。但最大的問題在於，融合了電子元件的智慧隱眼，其不透明、硬度高的元件不僅會影響視野，隱眼也容易變形而損壞。

為了解決這個問題，來自南韓蔚山國家科學技術學院（UNIST）及成均館大學的研究團隊，提出了新型智慧隱眼的構想，並於今年一月發表在《Science Advances》期刊中。此隱眼（如下圖Ａ）整合葡萄糖偵測器、LED顯示像素以及無線電力傳輸系統，利用LED視覺化即時的血糖濃度，便不需要額外的裝置了！

利用混合結構與折射率的配合，避免傷害並提供更清晰的視野

針對電子元件容易損壞的問題，研究團隊改良了部分隱眼的結構：

將電子元件置於加固基板（reinforced islands），天線及電路則置於彈性層（elastic substrate）中。加固基板鑲嵌入彈性層，形成混合結構（hybrid substrate）。（如下圖B）

當隱形眼鏡形變時，彈性層會吸收受力，將電子元件保護在加固基板中，便解決了元件容易損壞的問題，也增加了隱眼的壽命及穩定性。

其中，加固基板是由光感化合物聚合（photo-patternable polymer）所形成；彈性層則選用軟式隱眼的常規材料──矽膠彈性體。研究團隊最大化彈性層的面積，以提供更高的透氧性，避免智慧隱眼對使用者的傷害。

針對視野的清晰度的改善，研究團隊從兩方面著手：

第一，利用銀奈米纖維製作天線及電路。這種材料相當透明，不會遮蔽使用者視野，同時具有出色的延展性，可以降低使用者眼睛的異物感。

第二，研究團隊使用折射率相仿的加固基板與彈性層製作隱眼，避免因折射率差異造成的光線散射，藉此降低霧度，讓視野更清晰。（如下圖C）

隱眼中的偵測器：即時提醒血糖濃度異常

要了解葡萄糖偵測器，先來看看反應式：

Glucose + O₂ → H₂O₂ + Gluconolactone

偵測器中的氧化酶，可以氧化淚液中的葡萄糖。產生的過氧化氫再被分解，生成的氧、質子與電子會影響偵測到的電阻，藉此監控葡萄糖濃度。為了避免偵測器因過氧化氫累積而變得不敏感，研究團隊更將過氧化氫酶置於偵測器中，即時分解過氧化氫，讓偵測器的靈敏度可以維持，不出現延遲的狀況。

因此只要眼睛正常分泌淚水，眨眼時便能將淚液收集於隱眼中，利用非侵入性的方式持續偵測淚液中的代謝物。而此團隊設計的隱眼，在正常情況下，綠色的 LED 顯示器會一直亮著；但若葡萄糖濃度超過閾值，則會關閉 LED 顯示，提醒使用者血糖濃度異常。

此外，這款隱眼可透過無線的操作穩定其溫度，不會突然加熱傷害使用者的雙眼，以確保穿戴者眼睛的安全。此團隊的研究中，也有使用活兔進行活體測試，證明其無明顯的不良影響。

儘管淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度的關係還有待更近一步的研究，但這款智慧隱眼，仍為醫學臨床領域與物理新科技的結合譜出了新的樂章，希望能夠無線、持續、非侵入性地監測生理狀況，同時可用以偵測有關眼睛或是其他疾病的生物標誌物，也提供了應用在其他領域的可能性，像是擴增實境（AR），或是透過鏡片來投藥，避免使用者可能忘記吃藥的麻煩。

參考文獻

• Jihun Park, Joohee Kim, So-Yun Kim, Woon Hyung Cheong, Jiuk Jang, Young-Geun Park, Kyungmin Na, Yun-Tae Kim, Jun Hyuk Heo, Chang Young Lee, Jung Heon Lee , Franklin Bien, Jang-Ung Park. soft, smart contact lenses with integrations of wireless circuits, glucose sensors, and displays. Science Advances  24 Jan 2018. vol. 4 no. 1