世足赛的科技足球

4年一次的第22届世界盃足球赛（下称世足赛），于2022年底在卡塔尔风光落幕，阿根廷在足球巨星Lionel Messi的带领下，夺得阿根廷队史第三座世足赛冠军，仅次于巴西的5座，以及德国及意大利的4座。

此次世足赛除了入围的32支队伍的精彩演出外，另一个吸睛的焦点是那颗科技感十足的足球。

媒体也大幅地报导在比赛前那颗足球要先充饱电，才能上场。举凡比赛时，该足球在场内运动的3维轨迹，如座标、速度、角速度及加速度等都会被完整记录，而且是实时将数据传送到数据库及信号处理器上。

在葡萄牙对战乌拉圭的那场球，葡萄牙大将Cristiano Ronaldo将队友传球，用头锤应声入网。大家都以为是Ronaldo建功，但事后分析数据显示球只些许碰触到Ronaldo的头发，该进球最后是判给其队友。

如果读者还有印象，在1986年阿根廷夺冠的世足赛，八强赛中阿根廷对上英格兰，Diego Maradona用头锤进了关键一球，以2:1气走英格兰。事隔多年后，Maradona承认当时是用左手拨进那颗球，并被称之为上帝之手（The hand of God）。

如果那时就有如此先进的足球，很容易就能够真相大白了。这颗足球是如何做到有如此的神奇功能？

原来足球内含了一个惯性量测单元（inertial measurement unit；IMU），以及超宽频无线传输系统（ultra wide band；UWB），加起来重量不到15克。

IMU是由三轴陀螺仪及三轴加速器所组成，使用矽基板的微机电技术（MEMS）所制作。矽基板除了是集成电路制作上最关键的材料外，矽原子间是以共价键作为键结，本身也具有非常优异的机械特性。试想一个12寸的晶圆，直径的长度是30厘米，而厚度却不到0.1厘米，在此长度与厚度比值超过300的基板上，头尾的平整度却能够维持在1个原子差距内，可见其机械强度的优越性。

因此在1980年代，学术机构开始利用矽基板及半导体的微影制程，制作出各式微机械元件，如微小型的齿轮、轴承，滑杆等。再加上使用的是矽基板，很自然地可以将相关的信息以电信号传送出来，所以统称为微机电。由于是将力学信息转换为电信号，因此也被称为传感器（sensor）或传感器（transducer）。

IMU的制作是利用半导体的制程，在矽基板表面先制作出一个感应膜（membrane），其下方是被掏空的，而感应膜是以精巧的悬臂与矽基板相连接。传感膜的设计，可以用来侦测不同方向的直线加速或旋转的力量，藉由感应膜的位移、偏移或转动，随之改变传感器的电阻值或电容值，间接地也得知受力的方向及强度。由于是微小化的传感器，所以才能放置在足球内。

UWB与其他无线通讯系统最大的差异，在于其使用的是脉冲式无线电波，就如同雷达般，除了可传输数据外，更能够精准地量测物件的位置，再加上低功耗特性，近来开始使用在传感网络（sensing network）、物联网（IoT）应用。

如果在足球场的周围架上十几个UWB的相位天线，一来可以接收由足球所传来关于球运动轨迹的信息，另一方面也可以实时精准定位足球；甚至球队在训练时，让每一位球员都戴上UWB发射器，教练就可以完全掌握住每位球员的跑位，以及足球运动方位的信息。

除了IMU及UWB外，此次世足赛也采用表面有微凹结构的足球，如同高尔夫球的表面一样。由于球在运动时，球的后方会产生一个气压较低的区域，形成扰流（turbulence），增加足球阻力，也增加运动的不稳定性。这些表面的微凹结构，能够有效减少此后方低气压的区域，增加球速及稳定性，同时也增加守门员的挑战，不过这些都是球迷所乐见的。

足球是世界上运动人口及球迷最多的运动，也是资源投入最多及市场规模最大的运动项目。现代的科技无所不在，运动市场是科技业很好的合作平台，不仅拥有庞大商机，同时也造福广大球迷。