照護裝置很貼身，守護健康更加分！

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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科幻電影中常見主角穿戴輕薄短小、造型簡潔前衛的配飾，幾下帥氣操作與嗶嗶聲，就能紀錄、傳輸資料訊息。電影中的奇幻情節往往反映人類願望之所在，穿戴式科技讓這樣的渴望漸漸實現，讓數位與現實世界的互動更加豐富而自然，許多商業或科技雜誌也預測穿戴式科技將成為下一波主流的峰頭浪尖。

不少科技廠商與學術單位相繼投入研究，拓展穿戴式設備的應用範圍，賓夕法尼亞大學犯罪學教授查爾斯洛弗勒（Charles Loeffler）提出在罪犯佩戴的電子監控裝置中嵌入加速度計，能準確的偵測穿戴者開槍動作，自動回報槍擊地點，縮短警政部門反應時間。

一些假釋或緩刑出獄的罪犯必須穿戴電子監控裝置，以便警察或法院人員追蹤他們後續行動。但查爾斯洛弗勒說，儘管有這些預防措施，這些在社會服刑的人仍得為全美國近半數的槍擊案訴訟負責。若在現行監控設備上結合既有科技，便能在他們開槍時記錄並回報，有效阻止槍手。

洛弗勒在線上期刊《PLOS ONE》發表研究報告，提出一種穿戴式的加速度計，可用來追蹤是否有人開槍。它長得就像慢跑者常用來追蹤記錄路徑距離的東西，槍擊發生時，它便在讀取裝置上顯示出不易忽視的圖樣讀數。「一發射擊的過程相當鮮明。為了瞄準，你會盡力保持靜止，緊接著下一瞬間，你的手掌、手腕、手臂經歷一股衝擊力道的移轉。」洛弗勒對電力電子工程師協會的雜誌《科技綜覽》（IEEE Spectrum）解釋。

為了測驗手槍槍擊的加速度計讀數和其他類似動作有所區別，洛弗勒召集了十位賓夕法尼亞大學校警部職員，他們手腕戴著加速度計，嘗試多種品牌與口徑的槍枝，口徑0.22英吋的左輪手槍到口徑0.45英吋的柯特半自動手槍都是實驗對象。洛弗勒接著比較另一組樣本數據，該組人馬佩戴相同裝置出外度過尋常一天，執行粗重的建築工作，包括使用一把口徑0.22英吋的火藥釘槍。

火藥釘槍與小型手槍皆受相同的火藥驅動，這正是證明加速度計能輕易識別槍枝的良好對照組。「在釘槍內部，0.22英吋火藥並不是用來推進子彈，而是當作活塞。」洛弗勒說：「從數據分析來看，活塞撞擊釘槍的情況與槍擊差異很大，因為機械學的力量傳導不同。」

洛弗勒的實驗展示了槍擊的幾個識別因素，第一是加速計能感測槍管內迅速膨脹的氣體與外部空氣相遇時產生的槍口爆擊；它也善於偵測能量釋放時傳導至上臂的反作用力，以及子彈射出時，槍口端往上抬移的力道。不論槍枝的樣式或口徑為何，這三個因素加在一起構成了槍擊的識別標誌。洛弗勒的資料也顯示了槍擊偵測不容易出錯，研究中測試了357發槍擊，只有三發被誤認為其他活動；錯誤肯定的狀況也很少，在693種其他情境中，僅三次被誤認為槍擊。若再更進一步改良，該技術甚至有潛力辨別出槍擊是由什麼口徑的槍枝擊發。

加速度計若結合追蹤假釋犯行蹤的感測器，透過全球定位系統，它可在佩戴裝置的人開槍時立即發警報給警政部門。這節省了當局收到報案後，交叉比對槍擊地點與鄰近追蹤器下落的時間與精力，為警察清楚指出哪些被追蹤者並不在槍案現場，也可能阻止了被監控者將開槍擺在首要行為考量，進而減少槍擊犯罪。洛弗勒與同事正在賓州工程部探索將加速度計嵌入既有監控裝置的可行性，因監控器與加速度計已被設計得相當小巧、適於穿戴、不耗電，他們在設計測試版本時沒有預見太多困難。他說若要特製這樣的監控裝置，較大的挑戰在於說服法院和警政部門採納此技術。

洛弗勒說：

政府部門是否願意採納此技術取決於他們有多理解它的價值。

這成本會比往常的作法更昂貴，比較可能佈署這類東西的是那些宣稱要處置槍枝暴力問題、相關法院和警政部門有良好整合的地方。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所
審校：陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

文／亞坦尼斯

開刀完、大病後的復健修養時期是相當關鍵寶貴的。而這段康復期間的生理指數監測，也是醫師在判斷恢復狀況的重要參數。然而，面對醫療資源匱乏的處境，實務上也難以讓所有病人在康復期的全程期間都待在醫院。另外，現有醫療監測器材的龐大體積，不僅阻礙病人的活動，也不適宜高齡、慢性等居家病患的長期監測。因此，如何能設計一個體積輕巧、價格低廉的醫療監測器材，也成了提升居家長期照護品質的研究方向。

目前，工研院生醫所林楨喨博士的團隊，正利用自行開發的電路模組與演算法，結合三導程心電圖、反射式血氧量測系統、以及高分子壓電電子聽診器，設計成穿戴式生理監測裝置。這樣的監測裝置除了能直接測量出心電、血氧、心音與心跳也可利用血氧和心電圖來估算血壓趨勢。這是由於過去的血壓計，雖也有手腕式的設計方式，然而氣壓加壓的方式，並不適合應用於穿戴式裝置，而用血氧值和心電圖來估計，就能實現穿戴式血壓監測的目標。

而連接三項裝置的電路，則是研發團隊自行設計，內建生理數值估算的處理器、運算邏輯以及無線模組。可將生理監測資料即時傳送到智慧型手機或電腦上，讓使用者可以即時監看自己的生理指標。

感測裝置的部分，研發團隊採用壓電材料開發薄型心電心音傳感器，克服駐極體麥克風所達不到低頻響應的能力，並可製成可撓式電子聽診器，應用於具有曲面的身體結構。再配合反射式血氧量測計，除可外接至手指或耳垂，也可以直接從裝置於胸口的感測器擷取血氧濃度。並結合三導程心電圖與多通道心音之智慧量測技術，當心電圖監測發生異常事件前後，便可即時記錄心音資訊，回診時便能提供醫生診斷所需要之資訊。

這樣穿戴式健康照護裝置的設計並不容易，除了要大幅縮小醫療器材的體積，又因須符合人體長時間配戴，而在形狀與配置上有諸多限制。而設計上另一個嚴峻的挑戰，是醫療器材的法規限制都會特別嚴苛。也因此，生醫所的研發團隊，不僅有負責硬體設計和軟體設計的研究員，也有一位專門負責法規的解讀與確認的成員，才能在技術上有所突破，也兼顧FDA法規裡安全性與功效性等各種規範。

三合一穿戴式醫療裝置，可以讓使用者舒適地長時間監測各項生理指數，不僅可以應用在心臟相關疾病的治療、復健與防治，未來也可以提供給運動員配戴監測，以作為更詳盡的訓練參考。另外，這些生理指數在也開始被用作自律神經與情緒相關的研究。相信在不久的未來，人們的身心狀況加隨著穿戴式醫療技術的進展，變得越來越健康。

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文 / Casual

健康穿戴裝置不是大人的專利，現在也有嬰兒用的了喔。

Owlet 是一種專門為嬰兒打造的穿戴裝置（襪子），只要穿著，你就能藉由智慧型手機或是電腦知道寶寶的脈搏、血氧量、體溫以及翻身警告。對於嬰兒的照顧者來說，我想翻身警告是個相當棒的功能吧！

OWLET 的應用

透過藍牙 4.0 傳給你的智慧型手機，如果你的手機不支援此規格的藍牙傳輸的話，它也付給你一個 USB 的接受器，插在電腦上，就能透過電腦來接收 Owlet 的資料，並從螢幕觀看。

若你處在 wifi 的環境，經過設定後，監測到的資訊能夠傳到雲端裡，你就能從其他的裝置或電腦查看。當你帶寶寶去看醫生的時候，就能很方便地把寶寶最近的數據提供給醫生，對於醫師的診斷或許會有所幫助。

來看看影片的介紹吧～

https://www.youtube.com/watch?v=q-5YDBp63uk

轉載自營養共筆