世足賽的科技足球

4年一次的第22屆世界盃足球賽（下稱世足賽），於2022年底在卡達風光落幕，阿根廷在足球巨星Lionel Messi的帶領下，奪得阿根廷隊史第三座世足賽冠軍，僅次於巴西的5座，以及德國及義大利的4座。

此次世足賽除了入圍的32支隊伍的精彩演出外，另一個吸睛的焦點是那顆科技感十足的足球。

媒體也大幅地報導在比賽前那顆足球要先充飽電，才能上場。舉凡比賽時，該足球在場內運動的3維軌跡，如座標、速度、角速度及加速度等都會被完整記錄，而且是即時將資料傳送到資料庫及訊號處理器上。

在葡萄牙對戰烏拉圭的那場球，葡萄牙大將Cristiano Ronaldo將隊友傳球，用頭錘應聲入網。大家都以為是Ronaldo建功，但事後分析數據顯示球只些許碰觸到Ronaldo的頭髮，該進球最後是判給其隊友。

如果讀者還有印象，在1986年阿根廷奪冠的世足賽，八強賽中阿根廷對上英格蘭，Diego Maradona用頭錘進了關鍵一球，以2:1氣走英格蘭。事隔多年後，Maradona承認當時是用左手撥進那顆球，並被稱之為上帝之手（The hand of God）。

如果那時就有如此先進的足球，很容易就能夠真相大白了。這顆足球是如何做到有如此的神奇功能？

原來足球內含了一個慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU），以及超寬頻無線傳輸系統（ultra wide band；UWB），加起來重量不到15公克。

IMU是由三軸陀螺儀及三軸加速器所組成，使用矽基板的微機電技術（MEMS）所製作。矽基板除了是積體電路製作上最關鍵的材料外，矽原子間是以共價鍵作為鍵結，本身也具有非常優異的機械特性。試想一個12吋的晶圓，直徑的長度是30公分，而厚度卻不到0.1公分，在此長度與厚度比值超過300的基板上，頭尾的平整度卻能夠維持在1個原子差距內，可見其機械強度的優越性。

因此在1980年代，學術機構開始利用矽基板及半導體的微影製程，製作出各式微機械元件，如微小型的齒輪、軸承，滑桿等。再加上使用的是矽基板，很自然地可以將相關的資訊以電訊號傳送出來，所以統稱為微機電。由於是將力學資訊轉換為電訊號，因此也被稱為感測器（sensor）或傳感器（transducer）。

IMU的製作是利用半導體的製程，在矽基板表面先製作出一個感應膜（membrane），其下方是被掏空的，而感應膜是以精巧的懸臂與矽基板相連接。感測膜的設計，可以用來偵測不同方向的直線加速或旋轉的力量，藉由感應膜的位移、偏移或轉動，隨之改變感測器的電阻值或電容值，間接地也得知受力的方向及強度。由於是微小化的感測器，所以才能放置在足球內。

UWB與其他無線通訊系統最大的差異，在於其使用的是脈衝式無線電波，就如同雷達般，除了可傳輸數據外，更能夠精準地量測物件的位置，再加上低功耗特性，近來開始使用在感測網路（sensing network）、物聯網（IoT）應用。

如果在足球場的周圍架上十幾個UWB的相位天線，一來可以接收由足球所傳來關於球運動軌跡的資訊，另一方面也可以即時精準定位足球；甚至球隊在訓練時，讓每一位球員都戴上UWB發射器，教練就可以完全掌握住每位球員的跑位，以及足球運動方位的資訊。

除了IMU及UWB外，此次世足賽也採用表面有微凹結構的足球，如同高爾夫球的表面一樣。由於球在運動時，球的後方會產生一個氣壓較低的區域，形成擾流（turbulence），增加足球阻力，也增加運動的不穩定性。這些表面的微凹結構，能夠有效減少此後方低氣壓的區域，增加球速及穩定性，同時也增加守門員的挑戰，不過這些都是球迷所樂見的。

足球是世界上運動人口及球迷最多的運動，也是資源投入最多及市場規模最大的運動項目。現代的科技無所不在，運動市場是科技業很好的合作平台，不僅擁有龐大商機，同時也造福廣大球迷。