一首歌的時間就能變形的「變形蛙」

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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• 作者／胡立德；譯者／羅亞琪
• 編按：本篇沒有蟑螂圖片，請安心服用！

黎明時分，柏克萊生物系的學生高什克‧賈拉雅姆 (Kaushik Jarayam) 聽見蟑螂竄走的聲音，他正坐在生命科學系館的階梯上吃貝果，就跟每天早晨一樣。貝果的屑屑掉落在水泥階梯上， 竄走的聲音愈來愈大，甚至演變成窸窣聲，同時，附近山茱萸樹下的落葉堆也開始出現動靜。

他看見灌木叢中冒出兩根長長的觸角，接著是一抹褐色物體朝他的腳衝來。高什克本能地站起身，胡亂踩踏了幾下，大部分只踩到水泥地，但其中一下踩到了一個小生物，發出壓扁的聲音。那個生物迅速逃跑，衝進他剛剛坐著的階梯上的一個小縫隙。

那是似乎天下無敵的美洲蟑螂 (Periplaneta americana)，即使鞋子踩中了牠，牠卻還逃得了，高什克不禁感到好奇：蟑螂怎麼有辦法活過這樣的重擊？在進行縝密的實驗後，高什克將會發現這些動物看起來很堅硬，實際上卻很柔軟。在研究的歷程中，他將發明一種可被輾壓的機器人，會變形，但不會碎裂。

以柔克剛，軟一點才有存活的可能

高什克正在攻讀生物學博士學位，但是他從未上過任何一堂生物學的課程。他在印度的邦加羅爾長大，這個地方在他小時候還是個小鎮，但後來發展成一座繁忙的都市，有許多資訊科技人才湧入。他曾就讀印度理工學院孟買校區，專攻機械工程，特別是製造領域。

在我們的世界，隨處可見製造的痕跡，例如加工成型的塑膠或鑄造的金屬，這當中大部分的成品都是堅硬的。高什克將開始了解，製造業的發展前沿不再是如何讓機器和裝置更加堅硬，而是如何把這些東西變得更柔軟。

高什克對製造產生興趣時，正值四軸飛行器剛被開發出來。四軸飛行器有四個各自獨立的旋翼，如同正方形的四個象限般排列。旋翼的數量使四軸飛行器非常具有機動性，可以定點旋轉、俯衝、懸停以及隨飛隨停。

早期的四軸飛行器有一個問題，那就是它們的性能遠超過存活能力，它們飛行的速度太快了， 如果撞到東西，便直接碎屍萬段。因此，工程師開始在飛行器外圍包覆一種類似倉鼠滾輪的保護裝置，倘若發生碰撞，保護裝置會先被壓碎，以便保護裡頭的旋翼。

於是，高什克便開始研究蟑螂的運動，因為牠似乎無論受到什麼樣的撞擊都似乎無法被摧毀。

跟蟑螂學習如何「完整地」活下來

從蟑螂的角度來看，這種能力是必需的，因為牠們一直處在被掠食者吃掉的危險當中，蜥蜴、貓、鳥等動物都很樂意大啖蟑螂這種具有豐富蛋白質與脂肪的營養來源。一旦被抓住，蟑螂很快就會遭到嚼食吞嚥， 因此能存活的唯一機會就是加速逃跑，愈快愈好。

蟑螂隨時準備逃命，牠們可以在 \(\frac{1}{50}\) 秒的時間內做出反應，比人類快上 10 倍；牠們能以每秒 25 倍體長的速度奔跑，相當於一輛車以每小時 450 公里的速度前進。

速度是蟑螂生存的關鍵，因為太重要了，所以蟑螂沒有時間閃躲物體，只能直直一頭撞上。

如果你把這個動作用高速攝影機拍下，接著慢速播放，就會看見蟑螂是衝撞牆壁，回彈，接著才直爬上牆。如果牆壁下方有小縫隙，牠會以最快的速度把身體擠進去，這個行為可以讓牠在體型大上許多的掠食者面前消失無蹤，牠們通常是僥倖成功的。

蒙大拿州的生物學家塔拉‧馬吉尼斯 (Tara Maginnis) 曾對野外昆蟲進行一次普查。昆蟲生來會有六隻腳，但在野外捕獲的昆蟲之中，腳的平均數目卻是五隻，這些五腳昆蟲算是幸運的了，牠們勉強成功逃脫，可以再多橫行一天。

模擬野外環境，觀察蟑螂的荒野逃生

由於蟑螂速度太快，在野外很難觀察，高什克便在實驗室裡做了一個障礙訓練場。

蟑螂喜歡生活在散落著枯枝落葉的林地上，在這樣的環境中，其褐黑相間的體色有助完美偽裝。高什克建了一個開放的走道，末端是一個隧道入口，隧道屋頂只有兩枚硬幣疊起來的高度，是蟑螂站立時高度的 \(\frac{1}{4}\)。當蟑螂要進入隧道時，就會像黃金獵犬要把身體擠進信箱一樣。

高什克用高速攝影機拍攝蟑螂進入隧道的動作，從遠方看， 這隧道口就像是個小縫隙。在進入隧道前，蟑螂會先把長長的觸角伸進去，探索完裡面的空間之後，牠會短暫停頓，接著再把頭塞進縫隙，瞧瞧裡面。有時，牠得硬塞好幾次，頭才進得去。

蟑螂高 1.2 公分，是縫隙高度的 4 倍，為了擠進洞裡，牠用前腳往前走。縫隙很低，因此當牠把頭塞進去時，身體會往上傾斜 45 度，導致後腳在半空中亂踢。蟑螂處變不驚，繼續用前腳把身體拉進縫隙，短短 1 秒鐘，整隻蟑螂已經進到縫隙中，從掠食者的角度看，蟑螂就像是憑空消失了。

高什克用玻璃排成隧道的牆壁，這樣就能看到裡面。蟑螂幾乎把自己擠壓到完全扁平，牠在站立時，腳通常是位在身體下方，但現在卻像螃蟹一樣水平攤開。高什克拿一根棒子往隧道裡戳，模仿貓把爪子伸進去的動作。令人驚訝的是，蟑螂竟以螃蟹走路的方式遠離棒子。

他又多戳了幾下，蟑螂加快速度並開始跑了起來，雖然這時身體仍處在被壓平的狀態。被壓扁的動物還能夠全速衝刺，令高什克十分訝異。我們在開車經過狹窄巷弄時，並不會全速行進，若全速行進的話，車子很容易就會損壞到無以修復的地步。

穿戴盔甲的蟑螂，天生就有被壓扁的潛能？

雖然蟑螂看起來全身覆蓋著閃亮的盔甲，但牠們其實有許多柔軟的關節，讓身體能極度靈活地形變。例如，蟑螂腳上的每一個關節都是由柔軟可形變的半透明膜所組成，就如中世紀騎士的盔甲在膝蓋和肩膀部位有著互相重疊的甲片一般。蟑螂的腹部也覆滿了百葉窗般互相重疊的甲片，高什克認為，這些重疊的甲片允許蟑螂的身體在壓平時往側邊擴展。蟑螂天生就是可以被壓扁的。

為了測試蟑螂的極限，他把蟑螂放在機械式壓機裡，四面都有透明牆壁，以防蟑螂脫逃。接著，他施加等同於蟑螂體重 900 倍大的力在牠身上，相當於把人壓在一間單房公寓底下。

此時腹部甲片輕輕擴張，讓蟑螂柔軟的內臟得以透過柔軟的透明膜被推出。蟑螂的體內大部分是液體，因此當身體受到向下的壓力時，也就意謂體液必需從某處流出，而流出的地方就在甲片之間。當外力消除後，這些透明膜會把蟑螂推回正常的形狀。

蟑螂在承受這麼大的外力後，仍能毫髮無傷地走開，牠們就像一顆裝有馬達的壓力水球，縱使被壓扁到認不出原貌，仍能繼續行走。蟑螂可以承受多大的下壓力而不死亡，就要看牠的外骨骼能承受多大的體內液壓了。

然而，機器人就不會有這樣的限制，它們互相連結的部位可以是空氣，而不必是液體，就跟紙鶴一樣，機器人具有被壓成一張紙後仍可繼續運作的潛力。高什克受到蟑螂承受輾壓的能力所啟發，決定製作一個人造版本。

• 下篇《小強求生術（下）：人類有辦法打造跟蟑螂一樣「抗壓」的機器人嗎？》帶大家來看看，在參考天造的蟑螂之後，人造的版本可以達成哪些功能。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術：如何水上行走與飛簷走壁？動物運動與未來的機器人》，2020 年 1 月，三民出版。

• 文／文詠萱

編按：單身長達 10 年的「世上最孤單青蛙」都已經找到伴侶，那__呢？

一人一點錢，救救單身蛙

2008 年時，科學家們在野外發現了一隻瑟溫卡斯水蛙 (Sehuencas water frog，Telmatobius yuracare)，他們將之命名為「羅密歐」，並養在玻利維亞科恰班巴自然歷史博物館 (Bolivia’s Cochabamba Natural History Museum) 的水族館裡。

沒想到，整整 10 年過去了，在 2008~2019 年間，人們居然都沒有在牠的棲息地發現其他野生個體。這讓玻利維亞的環境保護人員非常緊張，因為這很可能代表羅密歐是世界上最後一隻瑟溫卡斯水蛙，假設牠翹辮子了，那這種青蛙也就要絕種了。更慘的是，這種青蛙的平均壽命為 15 年，要是不加緊腳步，可能就來不及了。

為了避免絕種危機，保育人員們積極地在野外尋找雌性的瑟溫卡斯水蛙，同時建立了人工繁殖計畫。但這還不夠，保育團隊甚至在 2018 年為羅密歐建立了一個個人網站，為牠填寫了詳細的交友檔案，並發起募款活動，希望能喚起大眾的注意，讓民眾、科學家、探險家能在野外棲地尋找雌性水蛙個體，讓羅密歐脫離滅絕危機，繼續繁衍下去。

除了上述種種，保育人員還做了許多努力，包括：訪問玻利維亞雲霧森林 (Bolivian cloud forest) 中曾見過此物種的居民，以建立瑟溫卡斯水蛙的足跡地圖；研究棲地水體中物種環境 DNA 及其滅絕原因，並找出方法保護那些留在野外的物種；建立該地區水蛙生物資料庫等等。

真命天女出現啦！

令人慶幸的是，2019 年 1 月，一支探險隊在探索玻利維亞雲霧森林時，竟在溪流中發現了五隻瑟溫卡斯水蛙！分別為三隻雌蛙、兩隻雄蛙，其中一隻雌蛙更正值生育年紀。經過多年等待，羅密歐終於找到他的「茱麗葉」了嗚嗚。

探險隊領導者 Teresa Camacho Badani 對於兩者間的未來十分樂觀，她深信異性相吸的道理。「羅密歐的個性有點害羞，他目前相當健康，喜歡吃東西；而這隻茱麗葉的個性截然不同，她精力充沛，時常游泳，有時候會試圖逃跑。」

危機未解除，兩棲動物陷困境

這些被帶回來的水蛙們將會進行健康檢查，以防止弧菌、真菌傳染病，當然也要讓羅密歐與茱麗葉見面，想辦法創造宇宙繼起之生命，繁衍出未來可以回到自然棲息地的後代。

在過去，瑟溫卡斯水蛙曾在玻利維亞雲霧森林內的溪流、河流與池塘等不到 10 個地點被發現。這些棲地曾有豐富的水生蛙生態，然而，目前玻利維亞、厄瓜多及秘魯的水蛙正在迅速減少，牠們面臨到各種威脅，包含氣候變遷、棲地破壞以及外來種鱒魚等。

全球野生動物保護組織的 Chris Jordan 表示：「將動物帶回圈養是有風險的，但由於野外青蛙數量太少，目前無法長期確保會持續繁殖，不得不帶回人工繁殖。」相關團隊表示會盡力恢復玻利維亞森林特有種青蛙，並將相關寶貴經驗提供給目前正面臨絕種的類似物種。

羅密歐找伴的故事引起了人們對於兩生類動物困境的關注，雖然故事有了好的發展，但人員並未在找到茱麗葉的溪流附近發現其他水蛙，這讓他們對於生態系的健康仍然十分擔憂。

參考資料

• World’s ‘loneliest’ frog gets a date. bbc 2019.01.15