【2014智活星期二】曾仁杰：文化創意與科技應用─教育翻轉

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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紀錄：羅紹桀

「我的小孩現在國一，他問我的問題我幾乎全部都不會，我唯一能幫助他的就是英文跟數學，但許多自然等等都能講出一些我從來沒有聽過的辭彙，這真的是每一個小孩的義務教育需要的嗎？」

演講一開始，曾仁杰老師就以他自己兒子的例子請我們反思目前教育的現況太過理論而與現實脫節，今天他將帶領我們一起思考翻轉教育的精神與實踐的方法。

曾仁杰：文化創意與科技應用─教育翻轉

教室如何不被Goog0le取代？

自從Google開始盛行，幾乎網站上面什麼都找得到，所以學生學習方是自然不同以往，既然如此，教學流程是不是反而應該顛倒過來：「在教室外時盡力Google，在教室時專門來做在家裡無法做的事，如實作方面的技術指導和問題解決。」

而曾老師與智活聯盟更希望在翻轉教室中加入「科技」與「文創」兩個極端的元素，希望老師能帶著學生到實際的場域，實際做出一些成品，從中學習，這些是一個人在家中透過網路比較難自行學習的東西。

智活聯盟串連全台

智活聯盟以交大為統籌中心，聯合全台北中南各大學校，以三大領域「設計思考與生活實驗室」、「智慧裝置與文創加值」、「多元族群與社會包容」等主題設計課程，並深入實際場域，透過不同領與產生創新。

【關於智活星期二】

智活星期二是Pansci與CRE@TAIWAN智活聯盟共同舉辦的小規模聚會，旨在推廣「智慧科技導入常民生活」的教學理念與社會實踐，活動的主要形式是找三、四位各大專院校不同領域的講者針對同一主題，各自在15分鐘內與大家分享自己的教學方法論與實踐經驗，並讓所有人都能參與討論，推廣智慧生活與創新服務。

http://www.youtube.com/watch?v=zY2OiiDkydc

文/林俞佐

「『智活文創』分別代表的是：『智慧、生活、文化、創新』」任教於交大土木系的曾仁杰教授，也是台灣智活文創聯盟計畫主持人，他在首場與PanSci泛科學合辦的「智活星期二」活動中，開宗明義地說明智活文創的架構跟精神。

「台灣智活文創產業跨校教學聯盟」的目的，是要將大學課程裡尋常的科技教育與文創結合。「我們希望可以將大學的課程中融入一些文創和科技的元素，並將這些領域碰撞、教學的經驗散播出去。」曾教授並接著問道：「如果要使挑食的小孩吃蔬菜水果最好的辦法是什麼？」答案很簡單，「把食物裝在麥當勞的紙袋裡。」開頭的投影片問答讓人驚覺價值包裝的魔力所在。(註：我曾經很喜歡喝麥當勞的大杯可樂，就是因為那個紙杯的包裝啊…)

科技的價值，是以有人「利用」來作為前提。曾老師分享一則故事：在二戰時期，偽畫專家Meegeren原本被批判責怪為叛國賊，但當他坦承自己其實是將荷蘭國寶畫家的畫作「偽造」後，再賣給德國納粹，反而成為保護國寶的國家英雄。這樣的評判驟然翻轉出自於立意是否良善，可這樣的說詞著實讓那些分辨不出真偽的藝術家跟收藏家臉上無光。同樣的情形也發生在近年，一位著名小提琴家Joshua Bell提著價值400萬美元的小提琴在地鐵站演奏45分鐘，這個與華盛頓郵報合作的實驗揭露人們可能太過於忙碌無法駐足欣賞，也可能真的無法去辨別美好的事物。(最後Joshua Bell獲得約32美元的施捨報酬，其中20元還是認出他來的民眾給的><)

創新是不同領域或特質的融合、突顯、與轉向，這些創新方式在烹飪、建築、與日常用品中都大放異彩，例如在紐約結合不同飲食文化的廚師Marcus Samuelsson是融合式創新、在杜拜整棟建築外觀就是一個QR Code的QR Code建築是突顯式創新、不再只是單純交通工具的腳踏車就是轉向式創新。這些都是以想像力為本設計、創造出來的文創產物。各種實例早已遍布在我們日常生活中。另一個案例是位在美國舊金山，每次要價美金60元的美食深度之旅Avital Food Tour，純裝飾用的無鏡片眼鏡（或著該說，鏡架）、益發複雜跟精良的機械式手表等，看似在功能上早該被淘汰，但都在原本的用途外，因為附加了新的價值而更熱門。

每當特殊節日或是科學名家的誕辰、偉大發明的創造日，Google就不再只是單純的商標或圖案，這樣的巧思創造，讓科技披上更人文、具有溫度的外衣。這是不同領域之間合作、磨合產生的價值，也讓各領域的知識有交流的可能。(小編透過這個認識了英國廣播劇作家Douglas Adams，最近的本草綱目李時珍也是蠻厲害的阿！)

此外，日本藝術團體teamLab運用科技技術表現藝術人文主題、glass keyboard結合光學感應與設計研發。

teamLab的瀑心圖

曾仁杰老師是智活文創聯盟的主持人，可本身的專業是土木，不免會讓人好奇曾老師跨領域的初衷或勇氣？「剛開始是被陷害的」(XD) 但曾老師表示，其實只要邊做邊學，不要侷限自己，過程中收獲還蠻多的。像所帶的學生中有文組跟理組的學生，他們難免會有些溝通磨擦，對同一主題的想法不同，「吵架在所難免」，然而價值就在之中誕生。回到曾老師開頭的故事，我們是否具備審視真正價值所在的眼睛呢？「物質的價值不在物質本身，而在人們對他的認知。」或許磨擦就是驅動未來進步的熱能！

紀錄：羅紹桀

「我的小孩現在國一，他問我的問題我幾乎全部都不會，我唯一能幫助他的就是英文跟數學，但許多自然等等都能講出一些我從來沒有聽過的辭彙，這真的是每一個小孩的義務教育需要的嗎？」

演講一開始，曾仁杰老師就以他自己兒子的例子請我們反思目前教育的現況太過理論而與現實脫節，今天他將帶領我們一起思考翻轉教育的精神與實踐的方法。

曾仁杰：文化創意與科技應用─教育翻轉

教室如何不被Goog0le取代？

自從Google開始盛行，幾乎網站上面什麼都找得到，所以學生學習方是自然不同以往，既然如此，教學流程是不是反而應該顛倒過來：「在教室外時盡力Google，在教室時專門來做在家裡無法做的事，如實作方面的技術指導和問題解決。」

而曾老師與智活聯盟更希望在翻轉教室中加入「科技」與「文創」兩個極端的元素，希望老師能帶著學生到實際的場域，實際做出一些成品，從中學習，這些是一個人在家中透過網路比較難自行學習的東西。

智活聯盟串連全台

智活聯盟以交大為統籌中心，聯合全台北中南各大學校，以三大領域「設計思考與生活實驗室」、「智慧裝置與文創加值」、「多元族群與社會包容」等主題設計課程，並深入實際場域，透過不同領與產生創新。

【關於智活星期二】

智活星期二是Pansci與CRE@TAIWAN智活聯盟共同舉辦的小規模聚會，旨在推廣「智慧科技導入常民生活」的教學理念與社會實踐，活動的主要形式是找三、四位各大專院校不同領域的講者針對同一主題，各自在15分鐘內與大家分享自己的教學方法論與實踐經驗，並讓所有人都能參與討論，推廣智慧生活與創新服務。