大腦處理視覺資訊的新線索

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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為什麼我們總是找不到鑰匙？

讓我們想像一個日常中會發生的情況。你下班回家，用手機確認電子郵件，同時把鑰匙插入鑰匙孔，打開大門。你踏入家中，家裡那隻不久前才認養、還沒訓練好規矩的好動小狗撲過來，纏著你跳來跳去，搞得你身上沾滿狗兒的口水。

你聽到女兒的房間大聲傳出卡加咕咕樂團（Kajagoogoo）的歌曲，一小段極易琅琅上口的重低音合成流行音樂鑽進你的腦門。你疲憊的走進廚房，裡面有股腐臭味，告訴你昨晚忘記把垃圾拿出去。然後，忽然一個抽痛，提醒你要冰敷幾週前扭傷的腳踝。

現在，不要轉頭，試著回想你把鑰匙放在哪裡。如果你想起自己把鑰匙留在鎖孔上，那很好，但如果實在想不起來，你也並不孤單。你可能只是被太多事情轉移了注意力，一旦有一大堆訊息襲來，我們對單一事件的記憶會變得混亂。

更糟的是，當我們試圖回想自己最後把鑰匙放在哪裡時，會一一過濾各式記憶，包括自己以前曾放置鑰匙的所有地方，以及我們把鑰匙放在各個地方的各種不同情況，不管那些事件是發生在昨晚、上個星期，甚至去年。會有很多這樣的干擾，所以諸如鑰匙、手機、眼鏡、皮夾，甚至車子等常用的東西，我們經常忘記它放在哪裡。競爭的記憶那麼多，能夠記住這些東西放在哪裡才奇怪。

破解記憶混亂：注意力如何幫助你記住重要細節

試著把記憶想像成一張桌子，上面雜亂的放滿皺皺的紙片。如果你把網路銀行的密碼隨手抄在這種紙片上，要重新找到這張紙片，不僅需要耗費一番努力和運氣，同時也在挑戰你的記憶力。這類經驗就像艾賓浩斯努力背誦的無意義三字母組，要找到當下所需的正確記憶，難度會不成比例的增加。

但如果你把密碼寫在一張亮眼的桃紅色便利貼，要找到就變得格外容易，因為桃紅色便利貼會從桌上所有其他紙片之中凸顯出來。記憶以同樣的方式運作。愈特殊的經驗愈容易記得，因為它會從所有其他記憶裡凸顯出來。

那麼，要如何使記憶從我們堆滿雜亂事物的腦袋中凸顯出來呢？答案是「注意力」和「動機」。利用注意力，大腦能把我們看到、聽到、想到的事情提高優先順序。我們隨時都可能把注意力放在四周的諸多事物上，而環境裡發生的事情常常會吸引我們注意。

在前面描述的假想情況中，你的注意力可能短暫的放在鑰匙上，接著注意力就被門打開後遇到的許多事情給轉移。即使你留意著應該記住的重要事物（一小時後得去機場接妻子，你需要那串鑰匙，否則會遲到），也不見得能幫你建立特殊的記憶，足以對抗各式各樣吸引你注意的干擾（好動的狗、廚房裡的垃圾臭氣，或女兒房間傳出的樂團聲音）。

這就是「動機」登場的時候了。你需要利用動機來引導注意力，讓注意力鎖定在某個特定的事物上，好製造一個之後能找得到的記憶。下次你放下鑰匙這類經常找不到的東西時，花一點時間專注在當時和當地的某個獨特事物，例如檯面的顏色，或鑰匙旁邊那疊未拆封的信件。只要一點點專心的動機，就能對抗大腦忽略日常事件的天性，建立較為明顯的記憶，如此便有機會戰勝那些干擾的喧囂。

——本文摘自《記憶決定你是誰：探索心智基礎，學習如何記憶》，2024 年 7 月，天下文化，未經同意請勿轉載。

我們的注意力若是集中在某個事物上，我們的腦部往往完全不會顧及其他東西，就算這些東西可能非常愚蠢，愚蠢到其實我們應該注意到的才對。

注意力集中的實驗：大猩猩服裝實驗

關於這樣的情況，伊利諾大學香檳分校的心理學家丹尼爾．賽蒙斯（Daniel Simons）和哈佛大學的克里斯多夫．查布里斯（Christopher Chabris）所拍攝的影片，著名的「大猩猩服裝實驗」，就是個很好的例子。

影片中有兩隊人面對面地玩球。一隊穿著白色衣服，另一隊穿著黑色衣服。兩隊各有一顆球，都傳球給自己的隊友，傳球的時候總是讓球先落地然後彈起。這時安排一個人數不少的測試組來觀看這段影片，他們的任務是計算白隊的球一共落地彈起了多少次。

大部分的受測者都能毫無問題地完成任務，說出正確的次數。然而測試員還想知道別的，也就是觀眾們是否注意到了任何不尋常的東西。一半以上的受測者均給予否定的答案。直到他們第二次再看影片且不去專心計算時，才驚訝地發現影片中有一個穿著大猩猩服裝的女人拖著腳步穿過畫面，停在畫面中央學著猩猩捶胸。

而大多數的觀眾由於太過專注在「計算次數」這件事上，因此竟完全沒注意到這隻大猩猩！ 心理學家以同樣的實驗要求另一組受測者計算黑隊的球落地數，結果也有三分之一的人沒注意到大猩猩。這名喬裝的女人之所以較能吸引黑隊觀眾的目光，是因為大猩猩的服裝也是黑色的。

這段影片是一個很明顯的例子，說明我們的注意力如何對感知到的東西進行過濾，而且我們不會意識到這個「過濾」的工作能達到這般程度。我們的注意力像是一盞探照燈，只能照亮很小的範圍，而其餘的黑暗部分則進入無意識的領域。

無意識的行為能幫助我們生活更便利

我們大部分的無意識源自於這種未被照明的感知。另一個重要部分則由我們在母體內以及一到三歲的經歷所組成。在這段時間裡，我們其實已經有了許多深刻的感知，但由於我們的聯合皮質尚未成熟，因此無法儲存這些經歷並將它們作為有意識的經歷來支配。

我們人格的三分之二左右是以這樣的方式逐漸成熟的，而我們自己日後卻不會記得，也無法想像當時確切的情況。

除了每天生活中無意識的感知以及幼童時期深藏的無意識以外，還有一些其他的無意識，例如下意識的「自動行為」。我常常驚訝於自己能在爛醉的狀態下走數公里的路並安全到家，即使我後來怎麼也想不起回家的路上究竟發生了什麼事。

而當我此刻正在打這行字時，我的手指又是如何在十分之一秒的速度下找到鍵盤上的鍵呢？ 如果有人蓋上鍵盤要我標記，那麼我大概連一個鍵也標記不出來。我的手指顯然要比我還來得聰明呢！

還有那些曾經歷過卻又遺忘的事物，雖然有很長一段時間完全不在我的意識當中，多年後卻因為某個刺激信號而又再度想起。其中一個非常典型的例子就是氣味；氣味能夠將一連串原以為遺忘的畫面重新喚回到意識中。

——本文摘自《我是誰：對自我意識與「生而為人」的哲學思考》，2022 年 10 月，啟示出版，未經同意請勿轉載。

photo credit: The.Rohit via photo pin cc
你想過大腦如何從成千上萬、不間斷映入眼簾的視覺資訊中，過濾掉不重要的內容，專注在有意義的視覺資訊上的嗎？

這樣的過程稱為「選擇注意力（selective attention）」，科學家不斷的辯論其大腦中的運作過程，Wake Forest Baptist醫學中心的研究者在動物實驗中發現了一項新的線索──關於前額葉（prefrontal cortex）在選擇注意力中扮演的角色。

選擇注意力的處理歷程中，主要可分做兩種：「由下往上（bottom-up）」與「由上往下（top-down）」。由下往上，是指注意力會自動導引到顏色、形狀或動作方向與眾不同的那個從背景跳出來（pop out）的影像，例如在高速公路上的廣告板；由上往下，則發生在當一個人專注於某個已知目標，像是在人群中搜尋你的家人。

在過去的研究，科學家相信這兩種注意力歷程是由不同的腦區控制的，由下往上的注意力發生在後頂葉（posterior parietal cortex, PPC）；而由上往下的注意力發生在前額葉。

Wake Forest Baptist醫學中心的Christos Constantinidis博士說：「我們的研究結果，提供注意力神經機制的證據，這也與注意力不集中（attention deficit hyperactivity disorder,ADHD）有關連，因為ADHD的患者有困難過濾視覺訊息，或是無法投入注意力，我們的實驗結果建議，有意識的投入注意力（由上往下）與移動注意力到吸引眼睛目光的物件（由下往上）都與前額葉有關。」

他們研究訓練了兩隻猴子看電腦螢幕上的影像進行實驗，同時記錄前額葉與後頂葉的神經元活動。螢幕上的影像會有一個圖示因為顏色不同而「跳出」，像是一個紅點環繞著許多綠點，目的是要促使由下往上的注意力發生，也因此那個與眾不同的圖示，不能被預期位置或是圖示性質（「預期」就變成了由上往下）。猴子要做的事情是，當牠一偵測到與眾不同的圖示，就要按下反應盒，而結果發現，此時紀錄的神經元活動不僅在後頂葉，在前額葉也同時發生。

原文網址：New Clue On How Brain Processes Visual Information—Science Daily [2012-07-22]
研究出處：《Nature Neuroscience》Early involvement of prefrontal cortex in visual bottom-up attention