機器戰警的真實性？

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？

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。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。