「地表太空旅行」　兩小時從紐約到北京的真空運輸系統

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

「好不容易綠燈了，怎麼又有路人擋在斑馬線上？現在汽機車要停讓行人，不是只會讓路口更塞嗎？」

「怎麼一綠燈，腳才剛踏出去，就差點被撞到，台灣真的是行人地獄啊！」

話說道路設計的最高原則，就跟ＸＸ製藥一樣，是先研究不傷身體，再講求效果。包括行人、駕駛者等用路人的安全要確保，再來才是讓所有用路人都能在安全的條件下，快速地到達目的地。

那麼駕駛轉彎時須等候行人的規定，你怎麼看呢？身為行人的我覺得，這只是遲來的行人正義，本該如此啊！以前每次過馬路都要急急忙忙，還擔心被司機怒瞪，感覺真的很差。不過握上方向盤的我卻又覺得，哇靠，現在每次汽車轉彎遇到行人就要停下來，結果根本如入行車地獄，一整排車子在路上塞爆，綠燈都結束了，車子還卡在路中間！

與其讓每個人都陷入行人與駕駛的無間道，也許我們該思考的是最根本的燈號設計問題，調整號誌設置加上增設行人專用時相（Pedestrian Scramble），被認為是擺脫行人地獄惡名的關鍵一招，但這招真的有用嗎？該怎麼用才真的好棒棒呢？

紅綠燈秒數該如何設計？

最近交通改革的呼聲很高，820「還路於民大遊行」也即將登場。台灣交通雖然不會因為一次的遊行，在一夕之間改變，但能讓更多人在乎交通的癥結，願意理性討論，我認為都是很好的發展。

因為多起令人傷心的事故，「道路設計」如今備受重視，然而設計道路不是看心情或靠直覺，不論是車道寬度、人行道寬度或是標線位置，都是集合交通學、數學和心理學分析的綜合結果。其中，紅綠燈的設計相對來說比較簡單，因為那就是解數學題嘛。

喔？這數學題該怎麼解呢？我們先以最簡單的雙時相號誌來舉例。這裡所謂的時相，就是指號誌的狀態。例如一個最一般的十字路口，會由一個南北向綠燈、東西向紅燈的時相，加東西向綠燈、南北向紅燈的另一個時相，組成雙時相系統。如果又加上禁止直行、僅允許轉彎的情況，那就是又多了一個時相。而由三個以上組成的系統，就是我們常聽到的「多時相交通號誌」。

現在我們眼前有一個雙時相號誌路口，我們的目標，是設計一個在固定時間內，能讓更多車通過，駕駛可以花更少時間抵達目的地的路口。唯一的條件，是它的紅燈與綠燈時間必須一樣長，那麼你會希望紅燈長一點還是短一點呢？蛤，短一點比較好？真的是這樣嗎？

當我們在設計號誌週期 (signal timing) 時，通常會將號誌畫成類似於 PM 常用的甘特圖，更加一目了然。現在我們有第一種設計：紅燈、綠燈各一分鐘，一個號誌週期是兩分鐘。以及第二種設計：紅燈、綠燈各 30 秒，一個週期是一分鐘。實際畫成甘特圖，雖然一次的紅燈等待時間變短了。但長時間來看，你遇到綠燈跟等紅燈的時間，是一樣多的，也就是在相同時間內，前進的距離是一樣的。

當然啦，相信你也看出來了，現實情況不是這樣，就算是藤原豆腐店的送貨員，從零加速到一百，喔不對，一般道路速限是 50 公里。從零加速到 50，也是需要起步時間的，如果遇到紅燈也需要煞車時間。再加上黃燈的轉換時間，這些時間加起來會產生不少的時間損耗。如果遇到一次紅燈，就會損失 5 秒。那麼在週期為兩分鐘的道路上行駛兩分鐘，實際上的有效時間，只有 60-5 秒，也就是 55 秒的時間。在週期為一分鐘的路口呢？雖然行駛兩分鐘的綠燈時間總計也是一分鐘，卻因為會多遇到一次紅綠燈。所以有效時間會損失 2 次 5 秒，也就是有效時間只剩下 50 秒，比週期是兩分鐘的道路還少了五秒。

結論就是，雖然綠燈長一點，紅燈也需要等久一點，但比起不斷地走走停停，能將速度維持在速限的時間更久，就能節省更多時間。

號誌連鎖，幹道更順暢

當然，以上假設是紅燈與綠燈一樣長的情形，大部分的道路規劃都存在幹道、支道的區分。幹道是交通的命脈，也是車流量最大的地方，因此綠燈時間就會設計的比紅燈還要長，在號誌設計上也會有其他的考量。

例如，大家在路上看到一整排綠燈，一路大順暢，心情一定也十分舒暢，這被稱為號誌同步 (Signal Synchronization)。剛才討論的是單一紅綠燈的時間長短，現在我們同時考慮整條路上的紅綠燈，依照經驗也知道，沒有號誌同步的幹道，遇到的紅燈次數自然也會比較多，那麼因為頻繁減速、加速而出現的時間損失又多起來了。

但是，號誌同步真的是最優的作法嗎？其實不見得。當我們將號誌再次畫成圖，把號誌的時間和空間擺在一起，形成時空圖（Time-Space Diagram），並且加入行駛速限的考量。

我們會發現，放入合適的時差，能讓號誌如波浪般傳遞下去，每次你剛好到下一個路口，就會剛好遇到綠燈，達到真正的一路大順暢。這種安排方式被稱為號誌連鎖 (Signal Coordination)。而要讓雙向的道路都能受益於號誌連鎖的好處，就需要透過嚴密的車流量與數學計算。

在這些基礎之上，還需要加入時間、車流、轉彎道等資訊，才能做出最有效的號誌設計，實在不簡單。在這個基礎之上，若要解決行人屢屢遭遇事故的困境，該怎麼設計紅綠燈呢？

行人專用時相是什麼？

前陣子，關於駕駛轉彎時須等候行人的議題又再度浮上水面，有人提出既然每次汽車轉彎遇到行人就要停下來，不如增設「行人專用時相」（Pedestrian Scramble）來解決問題。在這個時相內，只有行人可以移動，反過來說，在汽車移動的時候，行人是不能移動的。

這有什麼好處呢？首先，因為行人穿越馬路時所有汽車都得靜止，因此行人可以穿越對角線，穿越馬路的次數從兩次變為一次。對於駕駛來說也有好處，因為駕駛行駛時已經沒有行人會穿越斑馬線，因此右轉車輛可以不受影響，降低等待時間。而最重要的是，行人移動時沒有任何交通工具正在移動，直接降低了車禍的風險。倫敦交通局在 2010 年的報告中，便說明行人專用時相可以降低 38% 的行人傷亡。

既然這麼立竿見影，那把所有路口都加設「行人專用時相」就解決問題了嗎？其實也不是。增加一個時相，就意味整個週期拉長了。因此不論是行人還是車輛，要等的紅燈時間也會拉長。在少部分城市，就觀察到駕駛更容易因為等得不耐煩而搶跑、闖紅燈，例如加拿大的多倫多，就因此在 2015 年取消了行人專用時相。

一般認為，適合設置行人專用時相的地方，僅在行人人流量高的路口，例如鬧區、車站前、幹道交叉口等等。在行人數量不多的路口，增加時相可能反而會使塞車問題更加嚴重。

還有什麼方法能讓行人更安全的過馬路？

事實上，台灣交通安全協會理事長陳宏益也表示，行人專用時相只是短期應急作法，更好的做法是搭配不同路口採用不同的措施。例如設置「行人早開時相」（Leading Pedestrian Interval），讓行人比車輛早 3~7 秒綠燈，增加行人被駕駛看到的機會、減少人車爭道。

或是呢，設置行人庇護島或將行穿線退縮，除了庇護島能多一分保障外，重要的是行穿線退縮能增加汽車的等候空間，並且因為車輛在轉入時已經轉直，比較不容易因為 A 柱死角而看不見行人。

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不到一毫米身長的水熊蟲，是一種多細胞微小的生物，在 18 世紀被科學家發現，歸類於緩步動物門，目前全球大約有 1000 種被發現，棲息地包括淡水沉積物、苔蘚類的水膜，有少數種類棲息於海水的潮間帶，甚至在喜馬拉雅山脈或深海都可以發現牠們的身影。

聽起來毫不起眼…嗎？那你就錯了，牠可是目前是第一種被認證可在太空中生存的動物，堪稱地表上最強的生物！

環境不太舒適？ 那就「假死」一下吧

水熊蟲體長通常在 0.3-0.5mm 左右，擁有頭部和四個體節，身體的表面含有幾丁質（節肢動物外殼的成分），擁有 8 隻腳，末端有爪子、吸盤跟腳趾，在顯微鏡下觀察，看到牠們身形飽滿、動作又笨重，所以被科學家稱為「水熊蟲」。

在 2007 年 FOTON-M3 任務，水熊蟲在太空待了十天，隨後回到地球，發現約 70％ 的水熊蟲存活，並成功繁衍後代；而在 2019 年 2 月 21 日，以色列的太空船創世紀號墜毀在月球，卻意外發現有大量的水熊蟲在 DVD 大小的鎳片^［註1］。

水熊蟲可以在乾燥、高溫（約為150 °C）、絕對零度（-272℃），面對輻射以及真空下的環境存活，因為具有四種隱生狀態–低濕隱生、低溫隱生、變滲隱生跟缺氧隱生，面對不利於生存的環境，牠們會捲縮起來，讓水分排出、暫停身體代謝，處於「假死」的狀態！

科學家們表示微重力和宇宙輻射，對水熊蟲影響不大，未來有望在太空研究中扮演重要的角色！

水熊蟲可以上山下海，不禁讓人心想，那些因太空船墜毀而登上月球的水熊蟲，至今是否還能行動？ 

名字有「熊」、長了八隻腳，步態卻像蟲？

最近刊登在「美國國家科學院院刊」（Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS）的一項新研究，透過用高速攝影記錄了水熊蟲的移動，意外發現水熊蟲的爬行方式跟比自己大 50 萬倍的昆蟲相似。

通常尺寸像緩步動物門一樣小的生物很少有腳，牠們不走路而只會四處滑動亂竄；水熊蟲卻擁有 8 隻腳，是一種很特別的生物，讓科學家不禁好奇，這麼微小的生物是利用什麼方式移動，於是對牠們進行了研究。

洛克菲勒大學的研究團隊，在顯微鏡下長時間持續觀察水熊蟲，並記錄其行走的步態（走路時身體各部位週期性的動態表現）。研究人員 Jasmine Nirody 表示，水熊蟲在沒有外力干擾下，有時牠們會很冷靜，以每秒半個身長的速度悠閒地漫步；當牠們看到對自己有吸引力的事物，這時會像踩了油門般，加快速度往目標物前進，可以達到每秒兩個身長。

研究團隊從水熊蟲移動的步態，以科學角度來解釋，我們平常走路，腳跟後蹬，此時會產生靜摩擦力，所以水熊蟲的爬行是靠著腳與地面接觸獲得動力，然而當我們行走在不同環境 （ 光滑或粗糙地面 ） ，會受到不同壓力、產生靜摩擦力不同，不過牠們的肢體協調很靈活，不管在大海或沙漠，牠們都會去應變不同環境！

水熊蟲跟昆蟲、甲殼類動物很相似，牠們都是在不同速度下步態相同，而脊椎動物會依據不同的速度改變其步態。

對此，研究團隊有兩種解釋，第一種是緩步動物可能跟螞蟻或是果蠅這類昆蟲或其他節肢動物有演化上的共同祖先，甚至有相似的神經迴路；第二種可能性是緩步動物和節肢動物並沒有共同的祖先，這兩類不同群體的生物為了生存，而演化出相同的行走。

但這只是兩種假設性說法，到底答案是什麼，還需要科學家們進一步研究。

水熊蟲的一小步，是科技上的一大步

水熊蟲的研究除了對動物運動學有很大的進展，科學們之後有望研究出，微小尺度行動的機器人！

例如 2020 年美國康乃爾大學跟賓夕法尼亞大學的研究團隊，設計出小於 0.1 毫米的微小機器人，一塊晶片上就可以製造出約一百萬個機器人。

這個微小型機器人由矽太陽能光電材料製作的簡單電路，跟四個電化學執行器製成的腳組成。研究團隊把機器人放在 200 微伏電壓、10 奈瓦功率的雷射光照射，從顯微鏡下觀察，會發現這些機器人在液體中游動。

這些機器人目前只能移動，其他功能還需要開發，水熊蟲的研究對微小型機器人的設計有很大的幫助，如果機器人再經過改良，在醫學上也有幫助，例如：運送藥物、人工受精、執行組織切片或微型手術等，雖然當中也有風險，需要經過跨領域的專家協助，找出適合臨床的使用。

除了微小型機器人，也對仿生機器人有幫助，其中昆蟲機器人考量到複雜機構學、運動學、動力學、昆蟲步態等研究，未來昆蟲機器人朝向以微小尺度、可進入角落或縫隙、環境監測等目標前進！

註解

1. 以色列的太空船創世紀號，是由「以色列方舟使命基金會」（Arch Mission Foundation）與其他民間機構合作發起的月球登陸計畫。由於該計畫的目的包括備份「地球生物學」的相關資料，基金會在發射計畫中，攜帶了一個稱作月亮圖書館（The Arch Lunar Library）的裝置，在大約一張光碟片大小的 25 片鎳片中，記錄了人類的歷史及科技等資料。此外，創世紀號裡也放入了25 名人類血液和毛髮樣本，以及部分生物的樣本，其中包括了本文所談論的水熊蟲，在經脫水乾燥後，保存於合成樹脂內。

1. Creature Survives Naked in Space, SPACE.com
2. ‘Water bears’ are first animal to survive space vacuum, New Scientist.
3. The physics behind a tardigrade’s lumbering gait, Science Daily.
4. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots, Nature.

長途飛行耗時費力，同時必須消耗大量燃油和資源，現在美國運輸業者Evacuated Tube Transport Technologies（簡稱ET3）正在開發一項運輸技術，設計概念是在兩地間建構長長的密閉管狀通道，只要將管道內的空氣抽出，就能利用真空的引力把膠囊狀的磁浮車廂快速運送到另一地；這種膠囊車廂每台可以搭載六名乘客，或載運367公斤的貨物。ET3真空運輸系統的聯結設計就像高速公路，但膠囊車廂會自動從起點運送到終點；以國內運輸來說，時速為每小時600公里，未來若開發成為國際運輸，每小時則可高達6,500公里，換算起來，從紐約到北京居然只要兩小時，也難怪ET3會將這項計畫形容為「地表的太空旅行」！

ET3表示，乘客不會像坐自由落體的遊樂設施那樣臉都給擠扁了，旅途中依然可以體驗到普通氣壓環境的舒適度；此外真空運輸系統也兼顧綠色環保，加速時的能量消耗會在減速時恢復，而且與高速鐵路相比，建設真空運輸系統只需要二十分之一的材料，因為膠囊車廂的重量只有183公斤。在成本效益上，真空運輸系統的造價是高速鐵路的十分之一、高速公路的四分之一。ET3預估，只需要一組真空運輸管，就能超越一條高速公路的運量。雖然聽起來相當不可思議，但若能成功開發實行，恐怕會給地表運輸帶來全面革新呢！

資料來源:ET3 Transportation Concept Promises NYC to LA in 45 Minutes

延伸閱讀：Vactrain

原文發表於Trr.特誌