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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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Technology Review 年度科技創新獎

文:布利斯(Kevin Bullis)譯:羅耀宗 攝影:席格(Gregg Segal)

期刊圖文授權
期刊圖文授權

TR35 年度創新獎得主 史特勞具爾(JB Straubel)
32歲,特斯拉電跑車設計者


史特勞貝爾(JB Straubel)把車開出加州聖卡洛斯(San Carlos)的特斯拉汽車(Tesla Motors)總部時,為車子的狀況道歉。車輛外觀看起來不錯,橙色烤漆金光閃閃,但是裡面一些儀器垂吊在儀表板外面;藍色皺紋膠帶草草寫著一行字,警告助手席的安全氣囊壞掉了,而且不曉得從哪裡傳出怪鈴聲。這部車子曾經送到英國做振動試驗,目的是「把它搖得四分五裂,毀掉它,」史特勞貝爾說。現在,它是工程設計車──意思是說,身為公司科技長的史特勞貝爾,在它身上鑽洞,用螺釘裝上硬體,一點都不心痛。「它可說已經報廢了,」他說,「卻是我們目前的車隊中最快的一輛。」

特斯拉電跑車
特斯拉電跑車

好像要強調他說的一點沒錯似的,他踩下油門,車子往前猛衝,把他壓向椅座,史特勞貝爾卻一副若無其事的樣子。從加州101號高速公路一處入口匝道完全靜止不動起步,到超越其他的車子只要幾秒。就跑車來說,這樣的加速通常需要快速換檔才辦得到,但史特拉貝爾的手沒離開過方向盤。這輛特斯拉Roadster靠電瓶和電動馬達驅動,擺脫了老式燃燒汽油的引擎受到的限制,就算開到最高時速120哩以上,它還是維持在唯一的一檔。

史特勞貝爾今天沒有開到時速接近120哩。這輛車子能在短短不到四秒的時間內,從靜止加速到時速60哩,「很快就趕上車流,」他邊說邊放鬆油門,「這會寵壞你,」這麼強大的東西,可以用來替代吃汽油的內燃機。不難了解為什麼它讓人那麼興奮。

這輛車子的加速性能優異,史特勞貝爾比任何人的功勞都要大;特斯拉創立的目的,是為了量產高性能電動車。Roadster是它的第一款投產車型,這輛車子根據英國汽車製造商蓮花(Lotus)的設計,外觀採用碳纖維材料,車架用鋁製成,看起來很吸引人,重量卻很輕。不過,史特勞貝爾和他一手挑選的團隊自行設計這輛車子的腦子、肌肉和內臟──電子控制器、電動馬達和電瓶組,Roadster才能從起跑線開動後,擊敗速度最快的汽油驅動汽車。

電動車最為人稱道的優點,是有益於環境保護:它們不會排放有害氣體,而且效率高,即使充電用的電力來自燃燒化石燃料的發電廠,也能減低碳排放總量。但是史特勞貝爾的成就,利用到另一個比較少為人知的優點:汽油引擎只在範圍有限的引擎速度內達到最大扭力──這是加速的關鍵,要使引擎維持在最佳範圍內,需要齒輪和離合器的一個旋繞系統,可是加速性能仍然會被犧牲掉;幸好電動馬達從靜止到每分鐘數千轉,都能產生最大扭力。這一來,便可以使用只有一兩種速度的傳動系統──因此電動車比汽油動力車的反應能力要強。不過,特斯拉的共同創辦人塔本寧(Marc Tarpenning)說,大部分電動車輛並沒有充分利用扭力上的優勢,這是因為它們通常動力不足,部分原因是為了盡可能壓低它們的價格,史特勞貝爾想要改變這件事。

他剛進特斯拉的那段期間,公司取得愛西推進公司(AC Propulsion)的許多技術授權。愛西推進是家小公司,已經拼湊出電動車的雛型,加速系統和Roadster類似。特斯拉的創辦人決定使用愛西推進的零件來生產本身的雛型。但那些零件「貴得要命」,塔本寧說,「而且沒有兩種零件相近。」史特勞貝爾後來幾乎把每一種零件都重新設計。

不久他們就看得很清楚,知道電動馬達提供的極大扭力會造成問題,尤其是在高動力車輛中。史特勞貝爾找來的工程師巴格里諾(Andrew Baglino)說,少了調諧良好的馬達控制器,扭力會把駕駛人甩得團團轉。除此之外,駕駛人踩油門的動作、道路的狀況,以及電瓶和馬達的電子特性之間複雜的相互影響,會造成出乎意料的結果。愛西推進公司的控制器是「人為造作的類比系統──已有二十年歷史的電路,亂得一塌糊塗」,史特勞貝爾說。他和團隊成員在開發可以投產的汽車時,發現有個控制器運作得很好,另一個控制器卻不靈光,而且理由說不出來。「我們忙上好幾個星期除錯(debug),試著了解到底哪裡不一樣,卻始終找不出原因,」史特勞貝爾說。不可靠的控制器有時導致馬達耍脾氣,有時所有的動力被切斷──有一次,車子竟然在公路上狂飆。

史特勞貝爾認為,數位控制系統可以解決這些問題。改用數位得從頭做起,但他相信新系統可望同時改善性能和速度的發展;可是公司決定堅守類比系統,期待那些奇怪的表現有一天能夠改善。

這阻止不了史特勞貝爾的決心,他要巴格里諾去做看起來好像是有空才做的計畫:設計一種測試設備,把公司的馬達和電瓶送進模擬駕駛周期,走過每個步驟。這套設備擁有數位控制能力,史特勞貝爾希望將來能把它轉換為汽車的數位控制器。

在此同時,工程師繼續絞盡腦汁,去除類比系統的問題。「心裡明明知道要把它們淘汰,卻還是努力解決它們的問題,感覺實在很蠢,」史特勞貝爾說。

研發數位測試設備的時間長達數個月之久,工程師對於如何設計雛型數位控制器,已經懂得夠多,他們做出來的東西果然能用;不久,亂成一團的類比系統就被束之高閣。車子忽好忽壞、急衝猛停的情形不再發生,利用數位控制系統,開車上路十分平順,車子的反應能力也好多了。

特斯拉Roadster規格表
特斯拉Roadster規格表

Roadster能有出色的馬達,也得歸功於史特勞貝爾的堅持。特斯拉起初是用一套外接的傳動裝置,包括兩具齒輪──一具用來從靜止加速,另一具用來跑到高速。由於採用這套系統,Roadster的最高時速超過120哩;但是車子往往才跑兩三千哩,換檔系統就報銷。史特勞貝爾設法把它換成單速齒輪箱,他和團隊成員很早就重新設計電動馬達心臟中的圖型結構金屬板和線圈,以求同時改善效率和扭力;但是從電瓶到馬達的電子驅動力,仍然有所限制。為了善用增加的扭力,史特勞貝爾添加性能更高的電晶體,並且調整馬達和齒輪箱之間的電機連結機制。這些改變,提高了馬達能在低速產生的扭力,工程師也能使用單速傳動系統,卻不致犧牲加速性能或者最高速度。

但是史特勞貝爾最叫人刮目相看的貢獻,可能是避免車子爆炸成一團火球。特斯拉的創辦人剛開始,決定使用筆記型電腦所用的輕量鋰離子電池來驅動汽車,但是鋰離子電池一旦被刺穿、壓碎、充電過多或者過熱就會起火燃燒。另外,由於每個電池都很小,因此更大的挑戰是:需要6,831顆電池,車子才能跑得夠遠。所有這些電池必須用電線連成一體,以求持久,但每顆電池的充電溫度都必須得到審慎的控制。

對史特勞貝爾來說,這不成問題。在他還太小不能考駕照之前,就投入研製電動車輛,而且很早就計劃用筆記型電腦的電池當汽車的動力;在他的領導之下,所有這些目標一一達成。但是一路走來,他的團隊發現,在某些極為罕見的情況中,一顆電池的生產瑕疵可能使它熱起來,在沒有任何外部原因的情況下起火。(2006年就因為這個問題,回收千百萬顆筆記型電腦用電池。)史特勞貝爾發現,6,831顆電池中的任何一顆燒起來,可能波及鄰近的電池,引發連鎖反應,毀掉整個電池組,進而把車子燒成廢鐵。塔本寧當時問過這麼一句話:「那麼,小史,我們的能源儲存系統會怎麼樣?」

後來發現,答案已經握在手上,主要是因為在電池組開發之初,史特勞貝爾的看法就取得上風。原來,車子的原始設計是採用空氣散熱的方式,以控制電池的溫度和延長它們的壽命,但是史特勞貝爾很快就知道,那種方法不管用。

「關於我們應該走的方向,曾經有過多次熱絡的討論,」史特勞貝爾說。但他冷靜沉著的推理,加上一些擲地有聲的數據,說服別人接受他的看法。因此而採用的液冷式散熱系統──用管路通過幾乎每一顆電池──也解決了電池自發性燃燒的問題。稍加改良之後,這套系統可以很快排出過熱的電池所產生的熱氣,不致引發鄰近的電池跟著燃燒。和數位控制器一樣,史特勞貝爾力排眾議,找到解決方法。

特斯拉今年開始交運Roadster;頭四輛已在6月之前交車。曾經在Google當產品經理的理查‧陳(Richard Chen),希望耶誕節前有車可開,早在車子投產之前,公司還沒宣布價格,就寄出10萬美元的支票訂購。領到車,他的興奮之情溢於言表,這是有道理的:這輛車子的底價是10.9萬美元,而且訂單至少要排到一年以後才能領車。

Roadster研發成功,可能不只影響特斯拉的財務狀況。《新聞周刊》(Newsweek)引述通用汽車(GM)副董事長魯茨(Bob Lutz)的話說,通用幾年前捨棄研發電動車,後來決定捲土重來,正是被Roadster刺激的。他想,如果矽谷的新創公司辦得到,為什麼通用不能?此外,Roadster可能改變電動車給人的印象,提高它們上市成功的機率。理查‧陳等人試開滿意之後才決定購買,動機不是出於想要拯救地球(但陳表示,順便保護環境,是不錯的副效益),只是因為開起來十分過癮。

史特勞貝爾最近的工作重心,是改進Roadster,設計房車,為公司開拓更廣大的新市場。他們也想研發像戴姆勒(Daimler)的Smart那麼小又便宜的電動車。

為了實現這些事情,史特勞貝爾每天都工作很長的時間。能夠任勞任怨,持之以恆,部分原因在於他相信自己正在做重要的事情:找到一種方法,因應全世界的能源災難。但鞭策他往前邁步的最大力量,似乎只是單純的樂在其中,當他坐在最新一代Roadster的方向盤後面,明顯可以感受到這一點。這輛車子的新電子裝置能夠產生遠高於第一代車型的動力,「多個幾百安培的電力能夠辦到的事情,實在叫人大嘆神奇,」他猛踩油門,笑著說,「好玩吧?」

TR35 年度人道主義者 艾美.羅斯(Aimée Rose)

能嗅出炸彈的超靈敏探測器

波士頓羅根國際機場正在使用艾美‧羅斯研發的炸彈探測器,這種裝置極度靈敏而且便於攜帶
波士頓羅根國際機場正在使用艾美‧羅斯研發的炸彈探測器,這種裝置極度靈敏而且便於攜帶

文:費利曼(David H. Feedman)譯:羅耀宗 攝影:史密斯(Dana Smith)

1988年,飛越蘇格蘭洛克比(Lockerbie)的一架航空公司班機上,隱藏的一磅炸藥引爆;這場災難的震撼,終於讓我們了解一般人面對恐怖分子的行動時有多脆弱:泛美航空103號班機在半空中爆炸墜落地面,259名乘客死亡(地面上另外有11名無辜民眾傷亡),此一事件激起各國政府爭相出資,在幕後努力研發更好的炸彈探測方法。九一一恐怖分子襲擊美國之後,研發工作更加迫切,等到派往阿富汗和伊拉克的美軍開始死於簡易爆炸裝置(improvised explosive devices;IEDs),研發工作更如火如荼地進行。洛克比空難發生後二十年的今天,艾美‧羅斯(Aimée Rose)正扮演關鍵性的角色,研製和商業化超靈敏探測器,協助保護我們不受炸彈威脅。

新型的可攜式化學「鼻」正廣泛用於探測空氣中微量的炸藥成分,這主要得感謝羅斯這位科學家、工程師、研究經理所做的貢獻。這些靈敏的儀器正在探測地雷、IEDs、密封容器中的液體炸藥,甚至接觸過炸藥的人。「你儘管要許多旅客接受安全檢查,但如果沒辦法探測出他們是否攜帶炸藥,那並沒什麼好處,」加州克萊蒙(Claremont)的哈維瑪德學院(Harvey Mudd College)研究國土安全作業的研究員馬托諾西(Susan Martonosi)說,「長久以來這是整個系統的罩門。」

新型的手持式偵探迄目前已經用於機場,即使對於隱藏、密閉式的容器,也能立即測出裡面的液體飄散出來的分子。
新型的手持式偵探迄目前已經用於機場,即使對於隱藏、密閉式的容器,也能立即測出裡面的液體飄散出來的分子。

機場常見的大型X光掃描器有美中不足之處,因此研發其他炸藥探測器的努力正待加強,羅斯的化學鼻是其中之一。X光掃描器找的是炸彈的獨特形狀,如果把炸藥藏在電子裝置裡面,這樣的花招很容易騙過X光機。新的探測器則是根據特別的化學成分,判斷是否藏有炸藥。這是個複雜的問題,因為那些化學成分的特徵五花八門,而且往往極其微弱。(訓練有素的狗,能夠嗅出炸藥散發的氣味,仍然是最可靠和最靈敏的炸彈探測方法,但這種狗供不應求。)機場主要是靠離子流動光譜分析儀(ion-mobility spectrometers),檢查擦拭過行李的拭紙,或者在密閉房間中,用吹在旅客身上的氣體來檢查裡面的化學分子。但是拭紙很容易漏掉隱藏得很好的炸藥,而且分析空氣樣本時,往往受到髒東西、灰塵和其他汙染物的干擾。羅斯用她的技術,首次製造出靈敏度和狗鼻子相近的炸藥探測器。此外,這是手持式裝置,用起來很簡單,而且只有它能夠探測出隱藏的液體炸藥。過去幾年,液體炸藥已經成為嚴重的安全威脅。

羅斯早在念大學的時候,就研究過探測化學物和有毒材料的問題。「我希望有機會做出某種東西,交給人們拿在手裡,這是跟生活有關的,讓大家更加安全,」她說。她本來準備到哈佛大學念材料科學研究所,直到一天早上六點被電話吵醒,一個不認識的人打來的,語氣亢奮,劈里啪啦講上一長串。「好像他講得不夠快似的,」她回憶往事說,「我在半睡半醒之間,一肚子火。」過了幾分鐘,才終於弄清楚那個人是化學教授,剛在麻省理工學院(MIT)設了個實驗室,有美國國防先進研究計畫署(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency)新提撥的補助金可用,準備開發能夠探測地雷的化學感應器。他看過她就讀MIT的申請,系裡其他的人竟然都沒注意到她的申請書,問她願意來談談嗎?

她答應去談談──其實,她本來就打算進城的──教授史華格(Timothy Swager)沒花多少時間,就說服她報名到他的實驗室當研究生,地雷探測似乎正是她一直想做的計畫。「世界上最窮的國家到處散布著地雷,傷害到地球上一些最窮的人,」她說。「這真是很叫人動心的機會。」

羅斯加入史華格的實驗室時,他正在合成一些聚合物,遇到特定的光波波長就會發出螢光。某種比較小的分子,例如三硝基甲苯(TNT)等炸藥中的分子,在任何地方和這些聚合物鏈中的一個結合起來,整個聚合物就會停止發光。即使只有單一目標分子和聚合物鏈結合,突然之間失去螢光,也是量測得出來的,所以聚合物可以做為極其靈敏的探測器的核心物質。「這些聚合物就像耶誕樹上的一串燈泡,弄壞一個,整串都不亮,」羅斯解釋說。「要是有大得多的分子來進行反應,就表示你會得到大得多的訊號,也表示靈敏度高得多。」操縱聚合物的組成,能使它探測出不同種類的分子。史華格、羅斯和其他團隊成員的目標,是找到聚合物,能夠探測埋藏的地雷上方不遠處,空氣中飄移的微量揮發炸藥。

史華格現在是MIT化學系系主任。他說,羅斯對整個團隊在超靈敏探測器中成功使用聚合物的貢獻極大。他指出,首先,羅斯增進了研究人員在理論上對聚合物光反應的了解,接著,她想出方法,運用那方面的理解,發展出螢光亮度更強,也因此更容易在實用的裝置上監測的聚合物。

不過,聚合物的研發進展相當緩慢。「我們試著像化學家那樣動手,用了很多設備,在工作檯上煮燒杯,希望把它做出來,裝進小型、耐用、靈敏的手持式裝置中,」羅斯說。1999年,實驗室在模擬的地雷區測試早期的雛型,結果令人滿意,可能的用途很快就增加許多,而且顯得急迫。「我只想到對地雷的安全做出貢獻,沒想過美國士兵和飛機乘客的安全,」羅斯說,「我們沒想到會有九一一,沒想過阿富汗或伊拉克,沒想過恐怖分子會用瓶子帶液體炸藥上飛機。」

羅斯仍然是MIT研究生的時候,就開始和一家叫做諾梅迪克斯(Nomadics)的新創公司研究人員攜手共事。這家公司已經取得聚合物技術的使用授權,也取得政府的資金,為美國軍方開發炸彈探測器。羅斯2003年取得博士學位,2004年加入諾梅迪克斯當研究科學家,協助技術的商業化。(2005年愛西恩技術公司〔ICx Technologies〕收購諾梅迪克斯。)研究基礎科學問題多年後,她現在面對全新的挑戰:如何利用化學上前景看好的發展,製造實用的裝置。聚合物以液體的形式,在試管中運作得很好,但要用到實際的探測器中,則必須以薄膜的形式附著,而且即使光輸出受到干擾,螢光亮度仍然必須夠強,才能可靠地探測出有無爆裂物。

羅斯和她的同事發展出來的第一項產品,是稱做Fido XT的手持式軍用炸藥探測器。Fido XT不同於傳統的探測器,能夠查出空氣中兆分之數公克的炸藥,它很少發出假訊號,而且能夠幾乎立即重新設定(有些探測器在查出炸藥之後,需要好幾個小時才能恢復運作。)這種裝置有救到人嗎?「當然有成功的故事,」羅斯說,「但我現在不能說。」軍方並不急著開放給各界來評估它的炸彈探測能力,羅斯則指出,這種手持式探測器經常用在伊拉克和阿富汗的安全檢查站和巡邏任務上。由於Fido XT極為靈敏,用來活逮炸彈製造者特別有用:炸藥殘餘物經常沾附在這些人的衣服和皮膚上,使他們露出馬腳。軍方希望利用這種技術,在交通工具搭乘處、公共場所,以及搜索恐怖分子可能窩藏的社區住家時,找出和逮捕炸彈製造者。「恐怖分子的巢穴有許多人願意走出去炸掉自己或者放置炸彈,但他們只有一兩名炸彈製造專家,」羅斯說。「將那幾個人揪出來,就能防止數百起炸彈攻擊。」

羅斯和愛西恩發表Fido XT之後,把他們的眼光放在機場安全上。遺憾的是,2006年起,威脅改變了,從英國破獲的恐怖分子攻擊陰謀,發現飛機炸彈客改用當時的探測器察覺不出來的液體炸藥。但是羅斯為Fido XT發展的薄膜,可以用於製造其他聚合物的薄膜,包括察覺新炸藥威脅的薄膜。因此,該公司趕緊推出新產品:Fido PaxPoint手持式探測器。這具探測器目前已經用於機場,即使是隱藏、密閉式的容器,也能立即測出裡面的液體飄散出來的分子。「我們已經觀察那些東西幾年之久,當新的威脅成了當務之急,我們有能力在不到一年的時間內,從第一個雛型做到機場能用的實用裝置,」羅斯說。她指出,調整聚合物,讓新型炸藥無所遁形,這種能力是該公司所用技術的最大優點之一。

這玩意真的很酷。哈維瑪德學院的馬托諾西說,恐怖分子可能不斷改變花招,「就像我們探測爆裂物的能力不斷演進,製造新爆裂物的能力也不斷在變,」她說,「我們就好像在打飛靶一樣。」



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