輕鬆使用Android裝置控制樂高機器人：多點觸控

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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她是全球知名好萊塢影星，同時也是發明「展頻技術」（Spread Spectrum；過去稱為秘密通訊系統）的關鍵人物，更被人尊稱為「Wifi 之母」、「藍牙之母」，鮮明的性格、亮麗的外表（她真的很漂亮）、才能與智慧，造就了海蒂．拉瑪戲劇性的一生。

海蒂．拉瑪（Hedy Lamarr，1914－2000）的原名為海德薇希．愛娃．瑪麗亞．基斯勒（Hedwig Eva Maria Kiesler），是個出生於奧地利的匈牙利猶太後裔，父親是維也納知名的銀行家，母親則為一名鋼琴家。

為夢想勇敢前進電影產業

少女時期的海蒂．拉瑪被電影吸引，便毅然決然放棄了當時仍在學習的通訊專業，退學後的她學了鋼琴、芭蕾，幸運地被導演馬克斯．萊因哈特挖掘，將她帶到了位於柏林的表演學校，先是由場記員做起，闖蕩電影界。

1930 年，年僅 17 歲的海蒂．拉瑪出演了她的第一部電影，之後陸陸續續拍攝了多部作品，其中讓她從此聲名大噪的，是在 1933 年的捷克電影《神魂顛倒》（Ecstasy），劇中她不畏世俗眼光，為戲裸泳及全裸在森林奔跑，這也使她成為了第一位在螢光幕前全裸出鏡的女主角。事後海蒂．拉瑪回憶起這部作品：「你用你的想像力，便可以看到任何女演員及她的裸體。」

成名不久後，她便結識了第一任丈夫——弗里茨．曼德爾，是一名奧地利的軍火商。由於生意上的往來，海蒂．拉瑪因此可以在招待客戶時，從旁聽聞丈夫與買賣方之間的交談，這便促成了她擁有無線電通訊知識的機緣。

儘管生活富裕，然而婚後的海蒂．拉瑪並不快樂，處處遭受限制，甚至連熱愛的電影產業也被禁止涉足。1930 年代納粹滲透奧地利，海蒂．拉瑪堅決反對納粹，但身為猶太人的丈夫卻與希特勒及墨索里尼等法西斯主義份子做交易、打交道，終於讓海蒂．拉瑪下定決心逃離不愉快的婚姻生活。

在逃離到倫敦後，結識了老牌電影公司米高梅創始人之一路易．梅耶，他與海蒂．拉瑪簽訂了一份長達七年的影視合約，前往美國踏上好萊塢演藝之路。她由於電影《神魂顛倒》受到不少批評，也是在此時將名字改為我們所熟知的海蒂．拉瑪。隨後便在好萊塢參與多部影視作品，出演許多受人歡迎的電影，成為家喻戶曉的女星，紅極一時。

1940 年海蒂．拉瑪在聚會上認識了鋼琴家喬治．安塞爾，就在兩人聊天時，她想起了軍火商前夫曾與納粹官員談起如何操控魚雷的內容……。

發明展頻技術

就在某次聽安塞爾彈奏鋼琴時，看著按壓不同琴鍵就能使聲音有所變化，於是海蒂．拉瑪聯想起，直接用無線遙控魚雷，就很容易使之被相同頻率的信號干擾，造成魚雷偏離目標，既然改變鋼琴鍵能直接改變聲音，那麼同理，如果是直接改變無線電信號的頻率就能改變發出的信號！若不停地隨機改變信號頻率，因敵人干擾而影響魚雷的機會就會減少很多。

做為專業且優秀的音樂家，安塞爾想出了具體的實施方法，他曾使用了 16 架自動演奏鋼琴創作了《機械芭蕾》（Ballet Mecanique）一曲，而自動鋼琴的原理為，以打孔紙卷來記錄音譜，透過裝置捲動紙軸，紙卷上的孔位與驅動機械連動，使相對應的裝置擊琴鍵，從而演奏出音樂。

運用自動演奏鋼琴的原理，在魚雷的接收器和艦船發射器內安裝相同編碼的滾筒，在兩者同步運轉時調整頻率，就可以達成透過載波快速切換不同頻率，使得接收端與發射端產生偽隨機（後稱此技術為跳頻展頻；Frequency-hopping spread spectrum, FHSS）。

兩人在 1941 年時向美國專利商標局（USPTO）提出專利申請，並將這項技術發明命名為「秘密通訊系統」（Secret Communications System），隔年順利通過，專利號為 2292387，就是我們現在的展頻技術（Spread Spectrum），值得一提的是，他們共使用了 88 種頻率，而鋼琴鍵數就是 88。

由於該技術是由演員與音樂家所發明的，期望為戰爭貢獻心力的兩人，此項發想在當時難以說服軍方使用。但兩人還是將專利無償提供給美國軍方使用，也自行支付相關的專利維護費用，而當時的電子科技發展仍無法支持這樣的技術，一直到冷戰時期，電晶體發明後才真正被運用於軍事上。

成為無線電通信技術發展的基礎

日後展頻技術被應用到眾多無線電通信中，分碼多工存取（Code Division Multiple Acces, CDMA）、無線區域網路（WLAN）、Wi-Fi 與藍牙都是基於此技術發明出的。

海蒂．拉瑪與安塞爾並沒有繼續深入研究他們的發明，而上述新技術與海蒂與安塞爾的專利雖有相通之處，但都沒有觸及其專利權，兩人終其一生未因此專利獲得任一分錢，即便至近年 ，這項技術還是被許多專利所引用。

在這項發明專利公布的 56 年後，1997 年兩人的成就才終於獲得電子前線基金會（Electronic Frontier Foundation；EFF）榮譽技術獎章殊榮，2014 年兩人被選入美國發明家名人堂，直到現代，海蒂．拉瑪才真正獲得世人廣泛的認同。

後記：

在讀完海蒂．拉瑪的故事後，筆者思考起，儘管海蒂．拉瑪不像大眾所熟悉的發明家、科學家，擁有豐富的學識背景，甚至是圈子裡優秀出眾的學者，然而她從生活中發現了他人不曾想過的，也確實把它實踐了，讓以為距離遙遠的科學發明，也有了浪漫親近的一面。

參考資料：

• 維基百科—海蒂．拉瑪
• 好萊塢美麗影星與秘密通訊技術的發明者—海蒂．拉瑪
• United States Patent and Trademark Office
• 維基百科—展頻

文／曾吉弘（CAVE教育團隊）

我們已經在前兩期的專欄中（2013年1月號、2013年3月號）介紹如何用Android手機上的姿態感測器來控制樂高機器人。搭配手機的感測器，您可以像玩Wii遊戲機一樣，以體感的方式來與機器人互動。本次專欄將使用App Inventor中的TextToSpeech元件（本文後簡稱TTS元件），讓手機「說」出機器人感測器的狀態（圖1）。程式執行的過程中，我們還可以即時更改感測器的類型，是很實用的功能呢！

App Inventor的TextToSpeech元件可以讓Android手機以語音方式輸出指定的文字或數值內容，本範例就是讓手機每秒播報一次感測器數值。除此之外還可指定語系與國家，預設值是eng（英語）與USA（美國），代表美式英語。您可以參考App Inventor中文學習網來改為其他歐陸語系，例如德語、法語或義大利語，會有更有趣的效果。

請注意！目前App Inventor不支援中文等亞洲語系的語音輸出。

開始玩機器人

請把NXT機器人組裝好，並將左側馬達接在NXT的輸出端B，右側則是輸出端C（註1）。請確認NXT主機的藍牙是啟動的，接著將NXT主機與Android手機進行藍牙配對（註2），完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後您可以從NXT主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能：

STEP1  登入畫面：

首次進入程式的畫面如圖2a，只有「NXT裝置清單/連線」按鈕可以按，其它所有按鈕都無法操作。點選[NXT裝置清單/連線]按鈕後進入藍牙裝置清單（圖2b），請找到剛剛配對完成的NXT主機名稱（本範例為abc），點選之後就會由Android裝置對NXT主機發起藍牙連線。順利連線成功的話，就可接續選擇感測器類型（圖2c）。

STEP2  程式初始化：

在點選連線清單之前（ListPickerConnect的BeforePicking事件），需先將清單內容指定為Android裝置上的藍牙配對清單（圖3a）。點選之後則先測試連線是否成功，成功則將「選擇感測器」與「開始念/停止」設為可點選（圖3b）。

STEP3 選擇感測器類型：

為了節省畫面空間，我們使用了Listpicker搭配清單來達到下拉式選單的效果。首先需要宣告一個清單，內容為（color.jpg, sound.jpg, light.jpg, ultra.jpg），就是使用的感測器圖檔名稱（圖4a）。編號index則依序由1到4。本範例就是使用這個編號來更改顯示的圖片與感測器類型。

由圖4b中可看到當我們點選了要使用的感測器之後，就要把「開始念/停止」按鈕設為可點選，代表我們準備好要念出感測器數值了。另外還把這個編號所代表的項目內容顯示在畫面上，最後則將Image元件的圖片換成這個編號所代表的圖檔（select list item指令）。例如圖4a中的sensorList清單中的第3號的項目內容就是「light.jpg」。

注意！List清單實際上就是一般程式語言中的陣列（array），App Inventor使用了較為親民的用語。另外n個項目的陣列其項目編號是由0到n-1，App Inventor則是1到n。

STEP4  根據選擇的感測器類型來控制TTS元件播報內容：

選擇感測器類型，實際上就是在ListPicker_SensorList中點選了某個項目，接著就要根據這個項目的編號index（請注意，不是項目內容！）來決定TTS元件的播報內容。在此我們使用一個副程式say來管理程式，讓程式更簡明易懂。在say副程式中，它會藉由接收到的sensor參數（也就是傳入的編號index）來決定TTS元件的播報內容與TextBox/Label的顯示內容。請看圖5說明：

STEP5  使用Clock元件來控制TTS元件：

我們將Clock元件的TimerInterval設定為2000毫秒，代表每兩秒呼叫一次say副程式，並傳入剛才所點選的感測器類型編號（SelectionIndex）。這樣就能控制TTS元件的播報內容與TextBox/Label的顯示內容（圖6）。

STEP6  開始/停止播報感測器數值：

如果在尚未建立與機器人的藍牙連線之前就要TTS念些什麼的話，就會得到-1 這個討厭的數值。所以我們使用「開始念/停止」按鈕來啟動或關閉Clock元件，並將現在的播報狀態（STOP！或SPEAKING！）顯示在手機的狀態列。您可以隨時用這個按鈕來決定停止或繼續播報資料（圖7）。

STEP7  斷線：

按下「斷線」按鈕之後，會中止藍牙連線（BluetoothClient.Disconnect指令），並使按鈕恢復到未連線時的狀態（圖8）。

操作

實際執行的時候，請先確認NXT已經開機且藍牙也啟動了，並將顏色、聲音、光與超音波感測器依序接在NXT主機的1到4號輸入端。接著在您的Android裝置上點選程式畫面中的「連線」按鈕，會進到如圖4b的藍牙清單畫面，點選您所要的NXT主機名稱並連線成功後，接著選擇感測器類型，點選之後會顯示對應的感測器圖片與名稱，如圖9所示。

最後點選旁邊的「開始念/停止」按鈕就可以聽到手機把感測器數值念出來了。以下是選擇超音波感測器時的畫面，畫面也會同時顯示數值為58（圖10）。

TTS元件是用來語音輸出的元件，它可以說出我們所指定的內容，包括文字與數字。您可以讓機器人用說的方式來呈現它的狀況，例如撞到牆壁時，可以說出「Ouch!」等趣味效果。期待您從本期專欄的內容來激盪出更多有趣的火花。請繼續關注CAVE的機器人專欄唷！

歡迎大家由此連結下載本程式來玩玩看，或掃描以下的QRCode也可以直接將檔案下載到手機。或到App Inventor中文教學網上直接下載本範例的App Inventor原始檔與apk安裝檔。本程式已上架Google play，請到Google Play搜尋「CAVE教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app了。

註1：想學如何開發App Inventor程式嗎？請到App Inventor中文學習網與我們一同學習。
註2：將Android手機設定為可安裝非Google Play下載的程式以及讓手機與樂高NXT主機連線等說明請參考此連結。
註3：與NXT連線後如果出現[Error 402]之錯誤訊息請不必理會，程式依然能正確執行。

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/5月號