垂直起降無人機──《知識大圖解》

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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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。