從零打造「MIT迷你潛艇」——專訪中山大學水下載具研發中心主任王朝欽

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上，總是時不時地晃動？這個問題或許有些令人不安，但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計，台灣每年有 40,000 次以上的地震，其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日，花蓮的大地震發生後，台灣就經歷了超過 1,000 次餘震，這些數據被視覺化後形成的圖像，宛如台北101大樓般高聳穿雲，再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後，許多外國媒體擔心半導體產業會受影響，但更讓他們稱奇的是，台灣竟然能在這麼大的地震之下，將傷害降到這麼低，並迅速恢復。不禁讓人想問，自從 25 年前的 921大地震以來，台灣經歷了哪些改變？哪些地方可能再發生大地震？如果只是遲早，我們該如何做好更萬全的準備？

要找到這些問題的答案，最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館：國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

下一個大地震在哪、何時？先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分，台灣發生了一場規模7.3的大地震，震央在南投縣集集鎮，全台 5 萬棟房子遭震垮，罹難人數超過 2,400 人。其中，台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過，地面隆起2.6公尺，多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區，保留這段震撼人心的歷史，並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

車籠埔斷層保存館建於原操場位置，為了保存地表破裂及巨大抬升，所以整體設計不採用樑柱結構，而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成，外觀為曲線造型，技術難度極高，屬國內外首見，並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍，讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力，進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館，透過互動展示，讓參觀者親手操作，學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示，面積上，台灣是一個狹長的小島，卻擁有高達近4000公尺的山脈，彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史，從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震，到1999年的921大地震，都發生在台灣西部，與西部的活動斷層有密切關聯，震源位於淺層，加上人口密度較高，因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域，地震震源分佈更廣。與西部相比，雖然東部地震更頻繁，但由於人口密度相對較低，災情相對較少。此外，台灣東北部和外海也是地震多發區，尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶，至沖繩海槽向北延伸，甚至可能影響到台北下方，發生直下型地震，這種地震因震源位於城市正下方，危害特別大，加上台北市房屋非常老舊，若發生直下型地震，災情將非常嚴重。

除了台北市，蔣正興博士指出在台灣西部，我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響，該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外，我們也需要留意西南部的地震風險，如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部，因為存在眾多活動斷層，當然也需要持續注意。

我們之所以擔心某些斷層，是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量，一旦達到臨界點，就會釋放，進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘，尋找過去地震的證據，如受構造擾動沉積物的變化，然後透過定年技術來確定地震發生的時間點，估算出斷層的地震週期，然而，這些數字的計算過程非常複雜，需要綜合大量數據。

挑戰在於，有些斷層的活動時間非常久遠，要找到活動證據並不容易。例如，1906年的梅山地震，即使不算久遠，但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難，更不用說那些數百年才活動一次的斷層，如台北的山腳斷層，因為上頭覆蓋了大量沉積物，要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動，我們仍然可以預先對這些構造做風險評估，從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區，就是那個可以發現應變之道的地方。

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員，常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後，台灣進行的六大改革。制定災害防救法，取代了總統緊急命令。修訂了建築法規，推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍，在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產，增設了歷史建築類別，確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

最後，則是推行防災教育。黃英哲表示，除了在學校定期進行防災演練，提升防災意識外，更建立了921地震教育園區，不僅作為教育場所，也是跨部門合作的平台，例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作，進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址，讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力，最具可看性；然而除此之外，園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地，為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老，在園區服務將近 19 年，主要負責日語解說工作的陳婉茹認為，園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化，如抬升的操場和毀壞的教室場景，讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力，尤其是對於年輕的小朋友，即使他們沒有親身經歷過，也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶，之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀，原本小朋友並不認真聽講，到處跑來跑去，但當他看到隆起的操場，立刻大聲說這他在課本看過，後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

除了每看必震撼的地景，園區也透過持續更新策展，邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到，去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生，當時她儘管驚恐，依舊背著腿軟的學姊下樓，讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

在地震體驗平臺的設計中，黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力，更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作，一樓展示區採用了時光機的概念，運用輕鬆、童趣的風格，希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片，讓遊客真實感受921地震的情境。她強調，這次展覽的目標是全民，設計上避免了血腥和悲傷的元素，旨在讓觀眾帶著正向的感受離開，並重視防災意識。

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始，九月完成，為了迅速而有效地與設計師溝通，黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具，來加快與設計師溝通的過程。

蔣正興博士說，當初學界建議在此設立地震教育園區，其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生，這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後，安朔葉教授立刻趕到台灣，認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點，建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年，在斷層館的展示更新中，便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外，作為 20 週年的相關活動，今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄（MOU），強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀，感謝他不遺餘力，長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

前事不忘，後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍，只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示，921地震發生在車籠埔斷層，其錯動形式成為全球地質研究的典範，尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示，距離車籠埔斷層約100公尺內，住在上盤的罹難率約為1%，而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近，特別是上盤，是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動，這一數據清楚告訴我們，在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後，政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長，全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性，但台灣不同，斷層活動十分頻繁。例如 1951 年，米崙斷層造成縱谷地震，規模達 7.3，僅隔 67 年後，在 2018 年再次發生花蓮地震，這在全球是罕見的，也因此 2016 年劃設的地質敏感區，在 2018 年的地震中便發現，的確更容易發生地表破裂與建築受損，驗證了地質敏感區劃設的有效性。

在過去的20年裡，921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步，也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡，每一項展示，都在默默提醒我們，那段傷痛歷史並未走遠。然而，我們對抗自然的力量，並非源自恐懼，而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區，感受那因地震而隆起的操場，或是走過曾經遭受重創的教室，你會發現，這不僅僅是歷史的展示，更是我們每一個人的責任與使命。

來吧，今年九月，走進921地震教育園區，一起在這裡找尋對未來的啓示，為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

延伸閱讀：
高風險？ 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟！」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇－霧峰九二一地震教育園區｜天下雜誌

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《水下載具的新星——仿生魚的設計與未來應用》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜吳謹安

地球地表有 70% 被水體所覆蓋，但湛藍水面下的廣袤區域卻鮮少有人類踏足，水中的壓力、密度與溫度變化更構成許多潛在危險。而水下載具便提供相對安全的方式協助人類進行水下活動，早期遙控式水下載具（Remotely operated Vehicles，ROV）主要執行「粗工」類型的工業活動，母船以纜線供電並傳輸資訊給載具，對操作靈活度、節能的要求較低。直到近年水下載具逐漸被賦予水下探勘、調研等任務，在大範圍移動前提下，開始發展無纜線的自主式水下載具（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）。但AUV在海中移動同樣會受到操作靈活性的挑戰，並且缺少纜線供電使得節能也成為一大難題。

針對水下載具的限制，臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授便指出，若能研發出仿生魚，模仿在水中長期演化的魚類的力學系統—即仿生型自主式水下載具（Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle，BAUV）。將有助於克服現行水下載具在海中所遭遇的節能與操作限制。

一般水下載具面對的挑戰：靈活度與節能

一般 AUV 以剛性機體搭配螺槳作為驅動，在活動時會受到許多挑戰與限制—(1) 靈活度：螺槳驅動的載具無法做到靈巧的迴旋，而淺水層或近岸水流通常較為強勁，更不利於剛性高的 AUV 活動。(2) 螺槳潛在故障風險：海洋垃圾與水生植物可能捲入螺槳導致故障。(3) 能源使用效率：螺槳驅動載具過於耗能，使得載具活動時間受限無法長期在水下獨立作業。

郭教授也提到，BAUV 吸引人之處在於近岸作業時非常好用。一般 AUV 受限於環境與自身結構的限制，在近岸作業時常綁手綁腳。相較之下，BAUV 柔軟的身軀可以在狹小空間內迴旋自己的身體，並且透過擺動尾鰭、胸鰭或是排水等方式推進，沒有螺槳捲入水草與垃圾的問題。

不過，BAUV 在設計上也需要考慮諸多因素。例如，BAUV 通常以連桿原理驅動鰭片擺動，需要考慮零件彈力係數多少、擺動幅度才能接近魚鰭的擺動。此外，生物學家甚至嘗試發展人工肌肉，利用改變材料的溫度或壓力，達成材料的膨脹收縮，進而模仿肌肉纖維的伸長與縮短。但相較電動馬達，人工肌肉目前提供的力量輸出較小、速度不夠快，只適用於小型載具。而且軟性人工肌肉如何承受海底高壓也須進一步研究。

郭教授提到中國浙江大學發表於 Nature 期刊的研究，便參考深海獅子魚（hadal snailfish）的身體結構，捨棄堅硬的抗壓外殼，改以柔軟的矽氧樹脂等聚合物包裹電子零件，並有著一對大而薄的翅膀規律擺動提供動力，最終成功地在馬里亞納海溝 10000 公尺深的海底游動。

作業環境大不同：淺海與深海作業的挑戰

如同魚類適應其生活環境演化出不同型態，在淺海與深海作業的 BAUV 外型設計也有不同。淺海因為有較為強勁的海流波動， BAUV 通常接近流線型，能因應海流借力使力、做出高速的迴旋動作。郭教授以溪流中的魚類為例，在溪流中常可以看到魚類緊貼在石頭後方游動。原理便是利用水流經過石頭後形成的反向渦流，幫助牠們不費力地在流動的溪流中保持在固定位置。

反之，深海水流較小，主要的問題是密度躍層（Pycnocline）、通訊與環境偵測：

(1) 密度躍層：海水密度受溫度、鹽度與深度影響，通常密度會隨水深增加而變大，直到一定深度後，深度的影響降低。此時，密度主要受溫度與鹽度影響增加，有時會突然形成一道密度劇烈增加的水層，便稱為密度躍層。若 BAUV 無法改變自身密度，可能因浮力太大無法突破向下潛入。相反的，也可能無法有足夠的浮力向上浮出水面。

(2) 與水面的通訊：深海作業的 BAUV 與母船間可能相隔有數公里厚的水層阻斷電磁波傳遞，使得資訊聯繫變得更加不易。儘管仍可利用通訊聲納與水面聯繫，但同樣面臨電力的限制。郭教授也提到或許載具不需要頻繁地與水面聯繫，以比目魚為例，比目魚身形扁平且長期在海底，幾乎與海底融為一體。教授指出若能設計一種 BAUV 模仿比目魚，不主動探測水面有甚麼，而是被動的接收資料與訊號，節省探測消耗的能量。直到接收到特定訊息，才啟動運動機制做出回應。另外，也可以在 BAUV 活動的範圍設置具有電磁感應接頭的海底電纜，BAUV 只要貼在電纜上便可以直接傳輸訊息與充電，更為方便與節能。

(3) 辨識周遭環境與導航：在深海無光環境中，BAUV 需要依靠聲納或是磁力感測周圍環境，但如何自主導航與定位仍是一大挑戰。因此，郭教授提到魚類在水中成群活動時，並不是依靠視覺追蹤前方的領游者，而是利用身上的體側線感測周圍流場的壓力變化，進而達成追蹤。教授近期的研究便模仿參考魚類體側線的原理使 BAUV 能夠追蹤前方的領游者。

神奇的設計讓仿生魚能自主追蹤其他魚類：模仿魚類的體側線

深海大部分魚類雖然視覺已經退化，但在掠食者靠近時仍然能快速地閃避。而淺海常可見到魚群快速地變換，形成螺旋等幾何圖案。這些行為部分仰賴的便是魚身上的體側線細胞，以纖毛感測水流加速度與壓力梯度變化，進而辨別周遭環境的變化。

近年，研究者們也嘗試模仿魚類體側線原理讓 BAUV 得以感知並與周遭環境互動。體側線的模仿可利用微晶片技術，搭配類似纖毛的感測元件達成。另一種則是現成的壓力感測器，以壓電材料將壓力變化轉為電壓。以此原理透過排列於 BAUV 體表的壓力計陣列感測，並反推出壓力源頭加以分析是否遭遇地形障礙，或有其他移動的物體正在靠近。

近期研究中，郭教授的團隊也以模仿魚類體側線的方式，透過側線的排列與偵測方程式的推算可以得出前方壓力源位置的方式，協助 BAUV 追蹤前方的領游者。結果發現當領游者位於 BAUV 前方一定角度扇形區域內時，對於領游者（壓力源）的跟隨與定位最為準確，這項發現也與現實中魚類追蹤行為的統計數據一致。

不過，郭教授也提到體側線感測原理的限制，一般魚群群游時個體如此緊密相鄰，部分可能肇因於體側線有效感測的距離限制，其感測的水壓變化頻率較低、無法遠距離傳遞。因此若要使用水壓做導航，必須與相鄰的魚群靠得非常近。

未來展望

提到 BAUV 未來的發展目標，郭教授說，BAUV 在近海、淺水等水流強勁的區域能達成傳統 AUV 所做不到的操作，並能克服螺槳驅動載具的風險。甚至能利用海流或旋渦的水流「借力使力」，以較少的能量運作。除了近海作業，BAUV 也被看好能應用於海底探勘，節能的優點使 BAUV 能大範圍的蒐集資料，高度的靈活性也能幫助其閃避障礙物，研究結果可以應用於民生與國防用途。

例如，郭教授本次受訪前便剛結束黑潮發電的海上調研工作，未來若能以 BAUV 調查海洋渦流與季節、地域等變因間的關聯，更能有利於研究者以及政府做出有效率的決策。

參考資料

• 仿生魚雛形製作與試驗驗證
• 潛入未知的深海世界：仿生機械魚「Nemo」 與鋼鐵魚「Iron Fish」—《科學築夢大現場》
• 機器人專題報導（二）： 實地跟訪–探索海底兩萬里祕境–水下機器人
• 船的形形色色：海洋偵測大隊
• 自主式水下載具利用壓力感測定位追蹤領導仿生魚
• 哈佛大學的機器魚學會智慧協作，集體「游」上《Science Robotics》封面

• 本文改寫自國立中山大學秘書室公共事務組新聞稿

面對疫情，如何消滅病毒無疑是這場戰役中重要的一環。除了歷史悠久的酒精、次氯酸、臭氧、紫外光等消毒方式之外，在這波疫情中，也衍生出了專門對抗 SARS-CoV-2（也稱新冠病毒）的方法。

中山大學醫學科技研究所副教授楊閎蔚研究團隊 利用蛋白質技術，成功製成了可以阻斷 SARS-coV2 以「氣膠形式」傳播的懸浮粒子，並將這種懸浮粒子命名為「奈米盾」（AirParma）。

目前中山大學已將技術授權給科研創業計畫衍生新創公司「臺灣納諾帕瑪股份有限公司」（NanoParma Biomedical） ，並進入量產、銷售階段。

氣膠為疫情重要的傳染途徑

「氣膠」是一種懸浮於空氣中的「微小液滴」或「顆粒物質」，人們平時講話、唱歌、咳嗽，甚至是呼吸時，就會釋放出許多大小在 5 微米以下的氣膠；而當 COVID-19 感染者進行這些呼氣動作時，病毒即可透過氣膠釋放到環境中。

根據目前為止各類研究證據，包括實地空氣採樣量測分析、流行病學統計、臨床及動物實驗以及氣動力學模擬等研究結果，WHO 在今年 4 月 30 日正式承認「氣膠傳播」也是 COVID-19 重要傳染途徑。

自疫情爆發以來，許多層出不窮的超級傳播者事件，都是以氣膠傳播為重要傳染途徑。因此，如何減少環境中的氣膠懸浮病毒傳播更是當務之急。

雖然市售的酒精噴霧、次氯酸水或者臭氧製造機等能夠對抗新冠病毒，但這些化學物質卻因容易造成黏膜刺激、皮膚刺激、甚至較為嚴重的過敏等不良反應，所以比較適合以噴灑擦拭的方式使用、無法長期分散於空間中累積有效濃度，於是也就限制了它們對抗空氣中病毒傳播的效力。

ACE2為病毒感染的重要關鍵

在這樣的狀況下，中山大學醫科所副教授楊閎蔚率領材光系許盈培、生醫所李南熺、龎浩翰 3 名博士生，組成跨系所研究團隊，以防空系統為發想藍本，成功利用重組蛋白質技術研發「奈米盾」懸浮粒子，與氣膠中的新冠病毒上的棘蛋白受體結合域（receptor binding domain, RBD）結合而使病毒沉降。

楊閎蔚副教授表示，奈米盾懸浮粒子經測試，能在 30 分鐘內結合空氣中 40% 至 60% 懸浮的新冠病毒粒子，使其無法與細胞上第二型血管收縮素轉換酶 （angiotensin converting enzyme II, ACE2）受體結合，來降低病毒在空氣中傳播的風險。

目前已知冠狀病毒表面的棘蛋白會與宿主細胞表面的 ACE2 結合，並藉此進入宿主細胞。因此，理論上能夠透過阻止 SARS-CoV-2的棘蛋白與 ACE2結合，便能抑制病毒進入宿主細胞，進而產生感染。《Science》也曾報導，不同人對於感染 SARS-CoV-2 的難易之所以會有差異，可能與 ACE2 的表現有關。

中山大學研發團隊強調，「除了社交距離、濾網、口罩等較為被動的防禦措施外，『奈米盾』防疫噴霧是更主動的防疫手段。」

「奈米盾」主要適合的應用場景，是機艙、車廂、室內密閉空間等環境，在飛航期間、防疫旅館、防疫專車、商務會議、餐廳飲食等高風險場域皆可派上用場，即時捕捉空氣中的新冠病毒。目前「奈米盾」已經進入量產、銷售階段，並將於近期加入防疫陣線，期待能作為防空飛彈，為新冠病毒防疫再下一城。