取代GPS的新一代導航定位系統

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

眾所周知，狗狗有著一副靈敏的好鼻子，能夠感知周遭環境變化，然而不僅如此，最近更有研究指出，牠們可能還具有另一項隱藏能力——自動導航功能。這項功能就像狗體內擁有能感應磁場的羅盤，可讓牠們利用地球磁場推算陌生地形上的捷徑。

新研究發現，狗從陌生地折返回原點的方式有兩大類：一是隨著氣味依循原路回去的「原路折返」，二是從全新的路跑回來的「偵查折返」，其中有些採用偵查折返的狗會在回程時出現「沿著南北軸短跑」的現象，出現這種行為的狗，更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。

磁感悄悄出現？曾經發現狗會「定位」

「（導航能力）這是第一次在狗身上發現」，研究海龜磁感與導航的生物學家凱瑟琳．羅曼 (Catherine Lohmann)^註1 如此說道。

她提到，跟鳥類等遷徙動物比起來，對於狗身上導航能力的研究其實相對少得多。英國斑戈大學^註2研究鳥類導航的生物學家理查．荷蘭 (Richard Holland) 則附和道：「這是洞察狗如何建構牠們對於整個空間的畫面的機會。」

不過關於狗、其他動物甚至是人類「或許能夠感知地球磁場」這樣的情形，其實早已有過一些線索。2013年，已經研究磁接收 (magnetic reception) 30年的捷克學者海尼克．布爾達 (Hynek Burda)^註3 和他的同事就表示，狗在排尿和排便時會傾向將自己定為南北向，而同時，因為這樣的行為與標記和辨認領地有關，所以布爾達將這種定位校準解釋為「能夠協助狗釐清現在的位置與周遭的相對關係」。

然而，這種穩定不變的校準（白話文：知道東西南北），跟導航能力其實是兩回事。

隨意跑開後，狗竟然能從一條完全陌生的路折返？

在新的研究當中，布爾達的學生卡提捷娜．班尼迪克托瓦 (Kateřina Benediktová) 先將攝影機和 GPS 追蹤器放在4隻狗身上，然後再帶牠們到森林裡，接著讓狗四散而去，去追尋平均約 400 公尺外的動物氣息。

有趣的是，GPS 追蹤器顯示狗在回程路上（跑回向牠們的主人）出現兩種行為：一是「原路折返 (dubbed tracking)」，可能就是隨著氣味以沿著牠來時的路程回去；另一則是「偵察折返 (scouting)」，也就是從一條全新的路跑回來。

當卡提捷娜將獲得的實驗結果資料給布爾達看時，布爾達發現了一個奇怪的特性：在偵察折返的途中，狗會突然停下然後先向著南北軸跑個 20 公尺左右，才再又開始往回跑。那種短暫的 20 公尺小跑有點像是要校準磁場方向的模樣，但卡提捷娜還沒有充足的資料可以肯定這樣的推論。

於是他們擴展了這項研究計畫，幾乎人人都有養一隻獵犬的狩獵管理與野生動物學系^註4的同事也投入研究，3年來透過27 隻流浪狗進行數百次實驗。

在進入森林實驗時，研究團隊會試著避免給予狗其他能夠辨識方向的線索。只要情況允許，狗都會被帶到從沒去過的森林裡的一處，如此一來牠便不能依靠熟悉的地標來找路。同時主人會在牠開始漫步時就躲起來，以免狗是藉由看見主人而跑回來。另外，由於狗跑回來時，風向很少是從主人吹向狗的，所以氣味也不太會造成影響。

研究人員仔細看了 223 例的偵查折返狀況，發現狗會在回程時平均漫步約 1.1 公里的距離，而這當中有 170 次出現了「狗先停下，再掉頭沿著南北軸跑 20 公尺」的情形。同時，研究者們也指出，出現這種行為的狗，更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。「我真的對這樣的實驗結果感到蠻震撼的」羅曼如此說道。

內建羅盤判斷最短回家距離？！其實不太意外

布爾達認為狗之所以會沿著南北軸跑是為了釐清牠們的方向，「這是最合理的解釋」他說。

羅曼則表示，這個行為的意義在於狗可能能夠記得牠們之前的移動路程，然後再藉由參考體內的磁場羅盤，來釐清回家的最短路徑。

之後布爾達和卡提捷娜也開始嘗試另一種實驗方法，他們打算在狗的項圈中放入磁鐵，干擾磁場，然後觀察這樣是否會妨礙狗狗辨識方向的能力。這樣的想法與 1980 年曾經發表在《科學》期刊上的一篇爭議性實驗類似，當時的實驗是針對人類，研究者將磁鐵放入蒙眼受測者的眼罩中，實驗結果發現磁鐵似乎會擾亂人類直覺的方向感¹。

不過羅蘭大學^註5專攻狗隻行為的亞當．米克洛希 (Adam Miklósi) 則認為，要設計磁感的實驗其實是相當繁複的，因為很難排除其他感官，讓一隻動物完全只依靠一種感知來做出行為。

「這樣操作的難處在於為了要百分之百證明磁感，或是任何一種感知，你必須排除所有其他的感知。」

而米克洛希亦說道，其實「狗能夠利用磁場來辨識方向」並不是太令人吃驚的事，因為這似乎是一種古老的能力，而且可能出現在任何會橫越大片土地的哺乳動物身上。羅曼也贊同道：「你會期望動物在狩獵之後能夠藉這種方式回家，顯然能在狗身上看到應該滿合理的。」

註解： 

1. 時任北卡羅萊納大學 (The University of North Carolina at Chapel Hill) 生物系的助理教授。
2. Bangor University。
3. 為布拉格捷克生命科學大學 (Czech University of Life Sciences Prague) 的感官生態學家 。
4. The department of game management and wildlife biology, Czech University of Life Sciences Prague。
5. Eötvös Loránd University。

1. Baker, R. R. (1980). Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: Possible involvement of a magnetic sense. Science, 210(4469), 555-557.

本文主要編譯自：Dogs may use Earth’s magnetic field to take shortcuts

• 作者／海倫‧湯姆森；譯者／洪慧芳

告訴你確切位置的「位置細胞」

1960 年代，倫敦大學學院的神經學家約翰．奧基夫（John O’Keefe）開始探究「一般導航能力的祕訣存在於海馬迴」這個概念。

為了驗證這個理論，奧基夫趁著老鼠在開放空間行走時，研究牠們的大腦。他想知道老鼠探索環境時，哪些神經元是活躍的。他在老鼠的海馬迴裡植入一組薄電極，海馬迴可以記錄個別神經元與相鄰神經元通訊時所產生的微小電位尖波。

奧基夫利用這項技術時，發現有一種細胞只有在動物處於特定位置時才會發動。每次老鼠經過那個地方，那個細胞就會「啪」一聲發動。它附近的另一個細胞似乎只關心另一個不同的位置。只要老鼠走到那個地方，它就會「啪」一聲發動。下一個細胞只會跟著另一個位置產生反應，依此類推。

這些細胞的活動組合可以告訴你老鼠的確切位置，精確度在五平方公分內。奧基夫將這些細胞命名為「位置細胞」（place cell），並顯示它們如何一起告訴大腦的其他部分：「這是我目前的所在位置。」

位置細胞不只告訴大腦目前所在的位置，還能接收其他資訊

後續的數十年間，科學家發現位置細胞不只做這項任務。它們附近有個區域叫「內嗅皮質」 （entorhinal cortex），位置細胞也會從內嗅皮質的另外三種細胞接收資訊。

整合資訊到認知圖中的網格細胞

其中一種細胞稱為網格細胞（grid cell），是由梅－布里特．莫澤（May-Britt Moser）和愛德華．莫澤（Edvard Moser）這一對前夫妻檔發現的，他們兩人都是出生在挪威西海岸外的偏遠島嶼上。

他們兩人發現，導航能力有部分是依賴我們能夠思考自己如何移動，以及我們來自何處。

想想你在停車場中走向售票機、然後再折返回車子的方式。梅—布里特．莫澤和愛德華．莫澤發現，網格細胞是負責把這些資訊整合到認知圖中的神經元。

為了理解網格細胞是如何運作的，你可以想像一片地毯上布滿了六邊形所組成的網格，狀似蜂巢，你在裡面走動。你抵達網格中任一個六邊形的邊角時，那個網格細胞就會發動。把網格稍稍移向地毯的另一端，當你抵達六邊形的邊角時，就會換另一個網格細胞發動，依此類推。這些細胞建立了一個通用的空間地圖，持續為你的所在位置以及某些地標之間的相對距離提供最新資訊。

你與牆壁、邊界的相對位置，邊緣細胞來告訴你

位於內嗅皮質的另一種細胞是邊緣細胞（border cell）。這些細胞告訴你，你相對於某些牆壁和邊界的位置。例如，你的南方附近有一堵牆時，某個邊緣細胞會發動。你介於兩堵牆之間或靠近懸崖邊緣時，另一個邊緣細胞會發動。

轉向時，發動「頭向細胞」

為了讓你掌握資訊的全貌，邊緣細胞也與頭向細胞（head direction cell）共用空間。頭向細胞顧名思義，是指動物的臉部轉向特定方向時才會發動的細胞。

總和來說，我們如何找到目的地呢？

關於我們如何四處遊走，目前大家最普遍接受的理論是：大腦儲存著位置細胞在特定位置的發動型態，以便我們回到那個位置時，可以把它們當成指引。

例如，想像一下，你逛街一整天後去取車。這時位置細胞受到頭部方向、身體移動、周圍環境的影響，劈哩啪啦地發動。它們指引著你移動，直到當前的活動型態符合儲存的型態。瞧！你找到車子了。

不過，故事尚未結束。儘管腦內有這些活動，但腦內的羅盤不僅於此。關於導航能力之謎，這裡還缺了一塊拼圖。那一塊非常重要，失去它時，可能攸關生死。

• 下一篇《當大腦找不到地標參照，荒山野徑就能迷路迷到致命——《錯把自己當老虎的人》下》我們將談到腦內導航能力中，攸關生死的大腦構造。

——本文摘自《錯把自己當老虎的人》，2019 年 7 月，漫遊者文化。

Original publish date:Oct 17, 2010

編輯 HCC 報導

美國空軍利用物質量子力學特性，研發新一代定位系統，以原子鐘與冷原子導航系統取代GPS。

鑑於一些國家發射以不同頻率運作的區域性衛星導航系統，美國認為上述國家於戰時可能阻斷美國衛星GPS訊號，而無損及自身的衛星訊號。為此美國科學家著手研發新技術克服GPS訊號阻斷問題。

美國空軍首席科學家Werner J. A. Dahm博士表示，藉由提供時間資訊的晶片等級原子鐘以及提供位置資訊的微小化先進慣性導航系統，可以在無法接收GPS的環境代替GPS。上述所需微縮技術使用微機電系統製程所應用的微影製程。

Werner J. A. Dahm博士透露，另種途徑係利用量子干涉方式，或稱為冷原子方式、玻色愛因斯坦凝聚體方式，將原子群或分子群拘束在非常窄範圍的量子態，利用物質在量子態呈現波的特性，再對此物質波進行干涉，即可製造微小化的、非常精確的導航元件。

美國空軍預期於十年之內，此新一代定位系統可趨成熟並廣泛應用。取代GPS的新一代導航定位系統

參考來源：

• Scientific American:Getting GPS Out of a Jam
• National Defense, Air Force Chief Scientist: Machines Will Boost Human Performance