可發展 6G 無線通訊，還能超感知透視！科技新星「太赫茲技術」到底是什麽？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

你有沒有想過，當我們用手機打電話、發簡訊，或者用電腦上網時，訊息是如何在短短幾秒鐘內傳遞到世界的另一端？這背後有一個重要的技術，叫做編碼與調變。

簡單來說，編碼是把我們的資訊轉換成適合傳輸的格式，而調變則是把這些編碼訊號載入到傳輸介質中，無論是電波、光纖還是其他方式。透過這兩項技術，我們才能在繁忙的城市街道上、偏遠的山區裡，甚至是高空中的飛機上，隨時隨地進行無縫的溝通。

在這過程中，錯誤更正碼可以起到哪些幫助呢？

這些技術雖然複雜，但它們在我們日常生活中的應用卻是無處不在的。如果你對這些內容感興趣，未來還有更多的通訊技術值得探討，例如量子通信、光通信和毫米波通信等。這些新興技術將如何改變我們的世界，又會帶來哪些前所未見的便利和挑戰呢？

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室Numeracy Lab的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話，這些似乎是上古時代的科技，其實都發生在過去兩百年內。而手機，作為近五十年來的產物，又經歷了怎樣的演變呢？

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年，一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布，迅速走紅，登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關，但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla，沒錯，這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要，而從 3G 到 6G，行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢？讓我們一起深入了解。

行動通信的歷史雖然只有短短幾十年，但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭，再到行動通信所帶來的社會變革，每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中，我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi，也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技！

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

參考資料

• Nikola Tesla predicted smartphones in 1926 like a boss – GeekWire
• Who Invented Radio? https://www.pbs.org/tesla/ll/ll_whoradio.html
• ITU-R FAQ on International Mobile Telecommunications (IMT)
• 你有聽過台灣納稅人的血淚 WiMax 嗎？中離王 Intel 與榮景不再的高通——4G 篇 – 寫點科普Kopuchat
• WiMAX 業者：政府騙了我們

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《太赫茲技術：6G 無線通訊與生物影像感測的希望之星》
• 作者 / 科技大觀園團隊｜簡克志

「太赫茲」是物理單位，英文為 Terahertz（THz），字首「Tera-」是 10¹² 的意思，所以太赫茲就是 10¹² 赫茲，也就是每秒 10¹² 次的意思，亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」，其實是指太赫茲波段，就是電磁波的一組特定波段，頻率範圍是 0.1 THz～10 THz，對應電磁波波長為 3 mm～30 µm，介於微波和可見光之間，因此也稱為毫米波和次毫米波。

研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為，對一般人來說，「太赫茲」依然是陌生名詞，因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣，被許多廠商拿來當成行銷用語。 

太赫茲波段有什麼特別的？

楊尚樺強調，太赫茲波有三個特點：辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用，比如說可見光就和人眼細胞有互動（註 1），柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地，太赫茲波可以辨識出特定的化學分子，得知物質成份，可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 

另外，太赫茲波可以做到「透視」，人眼看不到的東西，太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例，太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼，可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體，還可以檢測液體和氣體。 

 太赫茲波的「透視」有別於 X 光檢測。人體的生物分子（如 DNA、RNA）照射 X 光會受損，因為光子能量太強，容易把分子裡的電子打出來，成為游離電子；而失去電子的分子變得不穩定，會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之，太赫茲波的光子能量很小，無法破壞生物分子，更無法將分子內的電子游離出來，因此太赫茲波對生物體是安全的。 

太赫茲波可以做到非破壞性的偵測，很適合工業製造與品質管控的應用，例如半導體廠在晶片封裝之後，檢查內部有無斷線，或是評估 3D 晶片封裝是否完好；藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術，楊尚樺笑著說：「其實是有點誤打誤撞。」2011 年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時，未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi 提到實驗室是做太赫茲技術，這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術，多為物理系或應用物理的學者，太赫茲相關元件（發射器或接收器等）也很難取得。 

跟隨著 Mona Jarrahi，楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」（terahertz emitter）開始接觸，博士班念到第 4 年和第 5 年時，他開始懷疑這項技術是否在 10 年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多，幾乎都是困難的，看不到出口的，出口的光相當微弱」，楊尚樺說道。 

甚至後期和指導教授 Mona 討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時，楊尚樺坦白和 Mona 說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為，在許多人類所需的工程應用上，太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭，前景相當限縮。Mona自然不這麼認為，卻也沒有多說什麼。 

後來，在申請教職的期間，楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術，不只看業界技術和資金來源，更看向 10 年後和 20 年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產，且 6G 無線通訊帶來大量市場需求，應可克服許多困難。再來，太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題，不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡，又有很多題目，可以做長期的研究，很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置（Terahertz Device），可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器，被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件，就可以做出想要的太赫茲系統。 

楊尚樺目前已做出一套影像系統，用於工業破損檢測時，可以看出晶片內部的破損，或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物，例如豆莢內部的豆子長得如何，以及水分子輸送的情況。生醫用途上，也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上，是屬於太赫茲光譜學（Terahertz Spectroscopy）的應用。 

與影像系統有關的，還有超感知（Super sensing）的研究，例如太赫茲波可以直接看透一本書，在不碰觸到書的情況下，把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子，也相當適合用來解析故宮文物，讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說，如果有機會的話，真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。 

楊尚樺指出，2013 年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家 Goya，平常在作品上一定都會簽名，但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別，從整體風格來看，大家都認為是 Goya 畫的，卻看不到簽名。 

因此 C. Seco-Martorell 等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫，才發現原來 Goya 把自己的簽名簽在畫作底下，被上層的顏料蓋住了，他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》（參考資料 1）。  

從影像系統邁向 6G 應用

除了影像系統外，楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在 6G 無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將 5G 的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍（0.1 THz～10 THz），同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段（註2）上，目標是做到每秒可傳輸 10¹² 位元，也就是在一秒要加載 10¹² 個 0 或 1。 

現在相關研究遇到了一些困難，與太赫茲元件有關。雖然從 5G 到 6G（太赫茲頻段）的頻寬擴大許多，但是系統的發射端和接收端是否能夠運作？如果太赫茲發射源能量很低，訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏，也很難獲取資料，並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。 

為了評估通訊系統是否夠好，也可以從訊噪比（訊號和雜訊的比例，Signal-to-noise ratio）來看，如果訊號和雜訊的比例愈高，訊號就愈乾淨，也更容易成功解碼。因此，提升訊噪比也是將來改善的重點。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產？相關元件非常昂貴，市面上買不到整套消費級的太赫茲系統，一套系統造價約數萬到數十萬美元，公尺級別的大尺寸也相當占空間。 

楊尚樺表示，目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」，大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器，只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間，是電學領域和光學領域的交集地，微波那端研究電學的人，會想要把頻率做高，靠近太赫茲波段；但是元件頻率愈高，電容影響愈大，輻射功率會急速下降。 

另一方面，電磁波段高頻那端研究光學的人，會從材料著手，通常會選用不同能隙（energy gap）大小的材料測試，比如說藍光 LED 的氮化鎵（GaN），能隙大，輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低，靠近太赫茲波段，能隙要夠小，但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料，必須要用特殊的技術才有辦法達成。 

即便達成了上述的窄能隙條件，例如輻射出頻率 1 THz 的光子，對應的能隙能量是 4 meV（milli-electron volts，能量單位），這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能（幾十個 meV），所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機，以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫，例如低於 -196.15 °C（77 K）的液態氮環境下，才有辦法達成。 

楊尚樺強調，不論是電或光的方式，都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率，也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒，如果不亮（功率不足），就無法探測周圍的環境，更不用說還要傳遞什麼訊號了。 

「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案，不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源，下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業，除了主流的 III – V 族光電元件之外，更開發 IV 族光電元件，目前實驗室已可獨立實現這兩類的主／被動元件。 

楊尚樺團隊的 10 年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小（毫米等級，mm），這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡？

在清大做研究的負擔很重，而楊尚樺也熱衷於教學，所以兩邊都忙，「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生，但其實研究同時也是教學，因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生，轉換成可以實作的初階研究者，這本身就要花很多心力教導。同時，行政角色上的導生，又或是其他系的學生，如果對太赫茲研究題目有興趣，他也會予以指點。 

「總之，做就對了！」他說道。在授課的同時，自己本身也會感受到某方面知識不足，會特別去學習。還有，因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同，所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教 3 年，必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長，心中就很有成就感。

要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為，從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看，絕大多數都很積極，有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究，也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識，以及分散研究力道，導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果，讓他感到相當驚訝。

不過，楊尚樺也提到，就他在學校的觀察，清大表現不錯的學生，普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了，但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度，楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而，讓他覺得不好的原因在於：學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態，卻沒有發展適合自己的主要路線，即便真的做了更多的事，表現往往也不會更好。換句話說，學東西不是因為想要學多而去做，而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。 

楊尚樺看過一些很厲害的學生，他們並沒有一個好的目標，而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益，就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情，怕的是沒有看到短期內的回饋，這其實不是好的學習態度，因為有些工作的效益，是不能只看短期的。 

最後，楊尚樺也勉勵清大的學弟妹，要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時，若這件事和你的興趣並不相符，當過程中遇到挫折時，就很容易考慮要不要往另一個方向走，而沒有辦法堅持下去。 

但是，如果你是做自己有熱情的事情時，不管遇到什麼困難，你會廢寢忘食地不斷破關，獲得很多技能，當解決一個難題之後，你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了，你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久，你的獨特性就出來了，就比較容易出類拔萃。 

注釋

• 註 1：不只人眼細胞，許多地球上的生物都和可見光有互動
• 註 2：載波頻段（Carrier frequency band）：用以乘載資料的電磁波頻率區間。 

參考資料

1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800