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

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

• 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。

• 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。