讓你一看就懂的無人機原理！——《世界第一簡單無人機》

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

飛天車的革命性技術：從無人機到 eVTOL

你知道嗎？今年巴黎奧運，大家終於能親眼見證那個在科幻電影中反覆出現的夢幻交通工具——飛天車。這項技術或許會改變我們的通勤方式，讓塞車成為歷史，隨時隨地想飛就飛。

德國公司 Volocopter 將在巴黎奧運期間推出空中計程車服務，來驗證飛天車的可行性。這不僅僅是技術創新，Volocopter 還強調他們的飛天車非常環保，而且噪音極低，不會像直升機那樣帶來城市上空的巨大噪音轟炸。其實，不只是 Volocopter，包括現代汽車在內的多家汽車製造商也都宣布加入這場飛天車的競賽。

那麼，飛天車會是未來十年交通工具的主角嗎？這項技術值得投資嗎？還是僅僅是商業噱頭，實際需求並不大？如果你對這些問題感興趣，那我們就需要先了解一些背景知識。

首先，什麼是飛天車？2023 年 6 月的巴黎航空展上，Volocopter 展示了他們的成品，取名為 VoloCity。雖然名字是由「速度」（velocity）而來，但 VoloCity 其實並不是真正的車，而是一種電動垂直起降飛行器（eVTOL）。這類飛行載具更像是放大版、可以載人的多軸無人機，是私人飛機和直升機之外的另一種選擇。

儘管 eVTOL 看起來像是大型無人機，但它可能徹底改變現有的飛行載具生態系統。傳統飛機和直升機由專業飛行器製造商生產，而 eVTOL 則結合了無人機和電動車的技術，使得更多企業可以進入這個市場，並且設計變得更加多樣化和創新。例如，奧迪和空中巴士在 2018 年推出了一款模組化概念飛天車「Pop.Up Next」，能在汽車和 eVTOL 之間自由切換。

此外，摩根士丹利預測，2040 年全球 eVTOL 市場規模將達到 1 兆美元，2050 年更會達到 9 兆美元。這些數據顯示，投資這個領域可能會是一個明智的選擇。

飛天車的噪音與環境挑戰

飛天車不僅技術上有所創新，它的噪音控制也十分值得期待。與傳統直升機相比，eVTOL 的電動系統使其運行噪音大幅降低，這也是它的一大優勢。然而，儘管如此，我們仍需關注飛天車噪音對環境和健康的影響，尤其是在城市中頻繁起降時可能帶來的問題。

至於飛天車的起降地點，現有的直升機停機坪、大型建築物或停車場的屋頂都可以被改建為 eVTOL 的起降點。一些公司甚至設計出可以在任何平坦表面起降的飛天車，真正實現了「門到門」的夢想。

當然，這一切的實現還有待更多的試驗和技術驗證。目前，歐盟航空安全總署（EASA）規定，飛天車的安全標準必須與大型噴射客機相當。至於巴黎奧運期間的示範飛行，儘管目前仍在等待最終許可，但這已經是朝著飛天車商業化運營邁出的一大步。

飛天車的夢想正在逐漸成為現實，你會考慮搭乘嗎？

為什麼無人機飛得起來？

不管是載人的直升機，還是無人機，飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉，使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低，就會有一股拉力將螺旋槳往上拉（升力，將物體垂直向上拉升的力量），如此一來便能讓機體上升。

再來，同時使用多個螺旋槳，並分別調整各螺旋槳的轉速，就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上，仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳，會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時，會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣，會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降，就可以讓那一側的機體下傾，往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉，則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子（馬達）轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達，是所謂的無刷馬達（brushless motor）。

無刷馬達顧名思義，就是沒有電刷的馬達。相對的，學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉，使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉，可以減輕維護的負擔。而且，無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態，故可穩定控制其速度，當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況，可以馬上停止馬達運作，並發出警告訊號，以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩（flat torque）、高功率等優點。

另外，將訊號送至轉子的零件叫做 ESC（Electric Speed Controller）。也可以說，ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上，無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線，電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同，ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流，使轉子能夠持續旋轉。也就是說，無刷馬達中的 ESC，扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的，ESC 的輸入端也有三條電線，分別是連接到電源正負極的電源線，以及從 FC（Flight Controller）接收訊號的訊號線。其中，FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊，以控制機體的行動。

無人機的感應器

• 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度，是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的，與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器，則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合，可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量，並控制機體往傾斜方向的反方向拉回，保持機體平衡，懸停於空中。簡單來說，陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

• 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時，氣壓感應器會測到越低的氣壓，故無人機可參考氣壓數字，以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓，要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化，就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時，如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊，就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器，在地表附近使用超音波感應器，兩種感應器的組合搭配，便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

• 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤，可感應地球的磁場（地磁），藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過，地磁的北邊（磁北）與地圖的北邊有一定差異，即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同，磁偏角也不大一樣。舉例來說，札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°，那霸卻只偏了 5°（參考自日本國土地理院網站）。因此，若換一個地方飛無人機，就需進行「羅盤校正」，重新確認磁場感應器所指示的北方，與實際北方間的差異。

• IMU

GPS 是全球衛星導航系統（GNSS：Global Navigation Satellite System）的一種，是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣，無人機可接收 GPS 的電波，藉此判斷自身所在位置，並設定好飛行路線的經緯度自動飛行，或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」，用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過，就像汽車在進入隧道後，導航系統會失效一樣，無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此，為了維持無人機的安全飛航，操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外，包括 Phantom 在內的某些多軸無人機，不僅會接收 GPS 訊號，也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號，偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU（慣性測量單元：Inertial Measurement Unit）。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況，就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前，一定要進行 IMU 校正的習慣。

在現代戰爭中，無人機的角色越來越不可忽視。從俄烏戰爭到中東衝突，無人機已經從戰場的輔助工具，逐步成為戰術的核心力量。例如，伊朗對以色列的空襲，以及胡塞組織在紅海對美軍的攻擊，無人機的身影隨處可見。這些無人機不僅成本低廉，還具有驚人的靈活性，從偵查、干擾到實施精確打擊，它們的功能無所不包。

舉例來說，在 2024 年 4 月伊朗對以色列的空襲中，伊朗發射了 170 架無人機與數百枚導彈。雖然以色列防空系統成功攔截了絕大部分攻擊，但一枚防空導彈的成本往往是無人機的數倍甚至數十倍。同樣的情況發生在 2023 年底，胡塞組織利用僅需 2000 美元的無人機攻擊美國驅逐艦，而美軍為了防禦，使用了造價高達 200 萬美元的標準型導彈。這些數字顯示出，在不對稱作戰中，無人機的高性價比給傳統武器帶來了巨大挑戰。

這樣的發展讓各國紛紛投入無人機技術的研發與應用，美國的「地獄計劃」（Hellscape）便是其中之一。該計劃將數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機投放到台灣海峽，藉此增加中國艦隊登陸台灣的難度，並將整個海峽變成「地獄」。此外，美國也在研發無人機與有人戰機的協同作戰，透過無人機在前方吸引敵方飛彈，保護戰機的安全。

台灣的無人機發展之路

那麼，台灣在這股無人機浪潮中扮演什麼角色呢？

根據《華盛頓郵報》的報導，美軍印太司令部的新司令塞繆爾‧帕帕羅四星上將表示，美國正計畫打造「地獄計劃」，一旦中國朝台灣發動進攻，美國將派出數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機，封鎖台灣海峽。這樣的防禦策略突顯了無人機在現代戰爭中的關鍵地位。

儘管台灣尚未完全掌握無人機技術的核心，但政府已意識到其重要性。2023 年底，經濟部成立了無人機產業發展專案辦公室，目標是讓台灣成為「無人機民主供應鏈的亞洲中心」，並在 2030 年達到 400 億元的產值。這項計畫無疑展示出台灣在無人機產業上雄心勃勃的願景。

無人機技術的核心：通訊

要掌握無人機，首先要掌握的是其通訊技術。無人機的發展歷史顯示，通訊技術的突破是其成長的關鍵之一。早期的無人機僅能進行簡單的視距內操作（VLOS），但隨著科技的進步，現在的無人機已經可以進行超視距操作（BVLOS），這大大提升了它們的戰術應用範圍。

大疆是中國無人機技術的領導者，其發展的 2.4G 高清圖傳影像系統「Lightbridge」便是無人機技術的重大突破。這一系統能夠將無人機拍攝的畫面即時傳回給操作員，並維持一定的解析度與低延遲。這意味著無人機不再僅僅依賴肉眼操控，而是能夠進行更遠距離、更精確的任務。

然而，2.4GHz 的頻段雖然穿透力強，但也面臨頻率擁擠的問題，容易受到干擾。為了解決這個問題，現代無人機開始使用 5.8GHz 頻段。這一頻段雖然傳輸距離較短，但資料傳輸速度更快，抗干擾能力也更強。在這兩個頻段之間，大疆開發的 OcuSync 2.0 技術能夠自動切換，確保始終使用最佳的訊號頻段，提供穩定的飛行控制和圖像傳輸。

這些技術上的突破使得無人機在戰場上變得越來越不可或缺。例如，無人機不僅能進行偵查和打擊，還可以通過蜂群技術同時發動多點攻擊，擾亂敵方的防空系統。無人機之間的通訊技術也發展迅速，無論是表演性的燈光秀，還是軍事上的蜂群作戰，無人機都展現出極大的應用潛力。

反無人機系統的崛起

無人機的迅速發展同樣引發了反制無人機技術的需求。反無人機系統（C-UAS）大致可分為兩種類型：軟殺與硬殺。軟殺主要是針對無人機的通訊進行干擾，利用無線電干擾槍發射強大訊號覆蓋 2.4GHz 和 5.8GHz 頻段，使無人機失去控制。而硬殺則是直接摧毀無人機，例如使用火力攻擊或網子捕捉。

以色列本古里安大學的教授格拉‧維斯提出了一個新的思路：透過無人機的飛行軌跡來追蹤操作員的位置。由於無人機的動作會隨著通訊信號的強弱變化，這些變化可以用深度學習模型來分析，從而反推出操作者的位置。這一技術目前的準確率已經達到 78%。

此外，美國的軍工企業開發了一款名為「路跑者 M」（Roadrunner-M）的自殺無人機。這款無人機不僅能像飛彈一樣追蹤目標，還能在完成任務後自動返航進行回收，降低了作戰成本。

台灣無人機產業的未來

儘管台灣無人機產業的起步較晚，但政府和產業界已經意識到其巨大的潛力。無人機不僅僅是一種武器，它還可以成為通訊網路的關鍵節點。例如，雷虎科技的 T-400 無人機不僅用於軍事，也正與中華電信合作，將無人機作為訊號中繼站，在災害發生時提供通訊支持。

隨著 5G、B5G 及 6G 的發展，無人機將成為未來通訊基礎設施的重要組成部分。台灣無人機產業的發展不僅關係到國家安全，更涉及到未來的數位基礎建設。無論是在軍事還是民用領域，無人機的應用將越來越廣泛，未來有望成為台灣科技產業的一個重要支柱。

總而言之，無人機技術正在改變戰場生態，而台灣也正在積極參與這場技術革命。隨著更多資源的投入，台灣有機會在全球無人機市場中佔有一席之地。無人機的發展並不僅僅是一場技術競賽，還是一場關乎國家安全與經濟未來的戰略賽跑。