2020年國際科展現場直擊3：視覺中的鬼影是哪來的？讓未來的機器人幫忙搬家！

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文由 Epson 委託，泛科學企劃執行。

元宇宙狂潮來襲，數位互動娛樂發展越來越多元！相信大家對 VR 眼鏡並不陌生，但是要人手一台卻還是有難度，反倒是 AR 科技越來越蓬勃發展！例如博物館將 AR 眼鏡結合手上的裝置做互動整合，讓展示的恐龍標本活生生活在你眼前；又或者是去兩廳院看劇，專屬的 AR 字幕體驗讓不同國家的觀眾朋友都能即時享受與深度導覽。

這種近在眼前的數位娛樂——智慧眼鏡到底是如何演進的？又有哪些技術關卡需要去突破呢？首先，需要先了解 VR、AR 甚至是更高深的 MR 跟 XR 是什麼？這些差異點又在哪呢？

AR、VR、MR、XR 傻傻分不清楚？

其實目前為止，大家所聽到的 AR、VR 和 MR，通通都屬於 XR（Extended Reality）「擴展實境」這個大概念下，只要這個設備或軟體能讓你體驗現實以外的資訊，甚至與之互動回饋，就都屬於 XR 唷！

近幾年，因 Meta 執行長祖克伯誓師進軍元宇宙而大紅的 VR（Virtual Reality）「虛擬實境」強調沉浸式體驗，只要戴上 VR 眼鏡，不論是在家或者前往 VR 虛擬實境遊樂園都可以讓你體驗到與哥吉拉對戰或是到虛擬鬼屋探險等有趣體驗。

然而，戴上 VR 眼鏡需要完全的感官遮蔽，以及高昂的售價與電腦運算，甚至是配戴上的重量不適、操作上的空間需求……等都是不容易克服的缺點，目前仍有待市場檢驗。

相較之下，AR（Augmented Reality）「擴增實境」就親近許多，早在 90 年代鳥山明的經典作品《七龍珠》作品中他就用了「戰鬥力探測器」這個裝置讓我們體會到甚麼叫做 AR，而現實世界中的戰鬥力探測器更是就在你眼前，例如：開車玻璃板上顯示速度的 HUD 就算是一種把虛擬資訊投影到現實物體，這就是標準的 AR 技術呀！

而談起 AR 就一定要提到，2016 年遊戲公司 Niantic 推出這款名為 Pokemon Go 遊戲，就在全球掀起了在各地抓寶可夢的熱潮，這股熱潮至今不減，也體現出了 AR 真正強勢之處：與現實環境結合。

而這些年來，在許多自拍濾鏡或觀光集章活動也都是利用了 AR 科技，以現實環境的背景中呈現虛擬元素的特性，而這僅需要你我都有的智慧型手機就可以操作和看見虛擬的角色或頭飾，入門檻遠低於 VR，軟體開發的成本也比必須打造一個世界的元宇宙輕鬆不少。

既然 AR 都能把虛擬的資訊投影在現實的場域中，我們自然會更加貪心的想要和這些虛擬的角色互動，甚至是像阿湯哥《關鍵報告》中的技術一樣作為一個浮空的操控介面來使用，這時候我們需要的就不只是AR了，而是需要 MR（Mixed Reality）「混合實境」。

在 MR 技術中不僅有現實世界和虛擬世界的疊加，更強調虛擬元素可以和現實環境互相作用，例如：虛擬的車子可以偵測到你現實的桌子的邊緣而剎車，甚至你伸手碰觸虛擬元件會產生互動或是抓取效果，而這些技術恐怕就不是一支手機就能輕易辦到的了。要讓 AR 進入 MR，除了手機以外，還需要一個能擷取外部資訊的設備——AR 眼鏡。其實多年來 AR 眼鏡主要面對的難題是「畫面要清楚」、「顏色要飽和」、「不能對現實視線有太多干擾」同時還須具備「輕量化」與「舒適」等特點。

投影技術的演進突破，替智慧眼鏡帶來新的轉機

目前主流的 AR 眼鏡採用的是「全反射稜鏡」和「微投影迷你投影機」這兩個關鍵技術。AR 眼鏡上的「全反射稜鏡」針對眼球的折射率經過精密的計算和調整，可以完美在人的視網膜上呈現最清楚的影像，同時這種「全反射稜鏡」本身的光線通透度也高，因此仍能看到「全反射稜鏡」以外的現實世界景色，讓 AR 眼鏡提供的清晰影像與現實世界重疊在一起。

而要談到 AR 眼鏡另一個核心技術「微型化投影」，就不得不提到發展出最具實用與潛力的 AR 眼鏡——Epson 投影機廠商，在了解「微型化投影」技術前就必須先回顧 Epson 從 1989 年鑽研的投影技術發展至今的變化。

Epson 一開始製作的投影機採用的是 LCD，和螢幕最大的不同是它每一個投影畫素都使用了 3 片 LCD 之多，原來是因為光學原理上只要有藍紅綠三色，就可以組合出各種顏色，也就是 3LCD 投影技術。使用 3LCD 技術的投影機必須把背景燈泡的白光源先濾成三色光之後，再利用三片獨立的 LCD 調整各色彩的比例作調變，最後才把三色光合併成影像，再投影出來。

如此麻煩的反射流程，所需要的空間自然不小，而且經過這樣的折射和濾光以後，成色的飽和度和對比總會低一階，甚至會產生近看醜醜的紗門效應（SDE），這就是為什麼早期的投影機投出來的簡報往往不如電腦螢幕上預演的好看。當然投影機廠商也早就注意到這問題，因此也隨著手機螢幕一起從 LCD 演進到 OLED（有機發光二極體），帶來新的顯示革命！

OLED 又有甚麼厲害的呢？如果說 LCD 的液晶主要的功能是調色，那 OLED 厲害的就是「它自己會發光」！和傳統 LCD 面板需要一個光源與背板來反射光線進入濾光階段不同，LED 燈泡經過多位科學家的努力，甚至包含榮獲 2014 諾貝爾獎的三位日本科學家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、中村修二（Shuji Nakamura）研發出最後一個「藍光 LED」後，終於達成發出三原色的成就，自此螢幕和投影技術不再需要多餘的濾光和反射步驟，於是面板可以變得更薄，同時又有更好的對比度。而隨之而來的 OLED 技術讓面板脫離了對玻璃的依賴，並改用塑料底板，讓有如科幻道具的摺疊式手機和曲面螢幕能夠成真。

OLED 技術簡化了整個流程，成色還比原本的各種投影方式鮮豔飽和，很快地就大幅縮減了投影機的內部空間，成為露營狂熱者人手一機的便攜型投影機風潮。

但是問題來了！當投影機要放到眼鏡上時，其難度更是超越便攜投影機許多，再追求微型化的道路上「只有更小沒有最小」。而 Epson 早在 2011 就推出第一支 AR 眼鏡 BT-100，不斷朝輕量化與功能性研發，在 2016 年則推出了採用矽基有機發光二極體 Si-OLED 微投影技術的 BT-300，各家廠商也紛紛投入 micro OLED 投影的研發上，相信不久的將來又會有更厲害的 AR 眼鏡推出。

現在可以看到照片中最新款的「次視代智慧眼鏡 Moverio BT-40」，這款 AR 眼鏡主打的最大特色就是提供可隨身攜帶的「專屬於你的 120 吋大畫面」，這麼大的畫面顯示卻只投影在你眼前，不僅擁有「高隱私」的特性，在長程旅行中，不管是搭飛機或是搭高鐵，只要戴上這個眼鏡就能直接把影片從手機投影到你眼前，解放雙手不用在手疼拿著平板啦，可以舒服自在的追劇或看電子書、讀期刊論文也行。

除了大尺吋觀影體驗之外，這款眼鏡更在博物館教育上大放異彩，如博物館把這款眼鏡結合接駁車，讓搭車的你也不無聊，虛擬博物館館長擔任導覽員為你解說各館區的歷史，進館後更能看到展示的恐龍標本在你面前復活，豐富了各種逛展體驗！

而 AR 眼鏡還有另一個好處就是個人化體驗，例如看電影或演唱會時，戴上 AR 眼鏡就可以看到自己專屬的字幕相關資訊，這樣的虛實整合字幕體驗，在劇院已經導入 Epson BT-40 眼鏡和 AR 眼鏡字幕系統，表演字幕可以即時傳送到正在戲劇院觀看表演的觀眾 AR 眼鏡中，觀眾可以選取語言還能調整位置和大小，甚至幫助聽障朋友們理解演出，下次有機會去看表演時，若有提供這樣的服務不妨租借嘗試看看喔！

「屏東縣跨域數位爭霸戰實戰競賽」頒獎典禮暨成果展於11月19號完美落幕。為培育屏東青年數位能力，屏東縣政府特別推動「跨域數位人才培育計畫」，主題包含「AVR 應用」、「數位光影技術」、「智慧物聯」、「自媒體影音串流」及「數位媒體應用」五大類，以透過學習數位工具提升履歷競爭力。更延伸計畫辦理「屏東縣跨域數位爭霸戰實戰競賽」，參賽隊伍都是在屏東就學或就業之青年報名，提供競賽總獎金30萬元，鼓勵與培育屏東的數位人才發揮創意，將屏東的故事透過數位方式展現出來。

本次參賽作品精采多元，展現屏東青年設計的創意及數位能量。包括影片拍攝屏東美食美景的「屏安米樂」及「做伙憩屏東」，利用線上展覽介紹屏東單車路線的「屏東單車旅遊趣」，以及獲得潛力獎的團隊「Animation Pingtung」、「斯卡羅」及「禁忌之戀」，第三名則是由透過線上迷宮遊戲的模式融入屏東各個區域的特產、美食的「屏藏物語」，第二名則是製作了年底即將啟動的屏東數位青創中心外牆，運用非常吸睛的光雕影像結合屏東元素的「光點屏東∞斑雕共構」，第一名殊榮則由屏東科技大學餐旅管理系的「鐵橋記」獲得，同學們運用實境解謎搭配Line機器人，透過遊戲方式介紹高屏溪的歷史。

每個團隊皆發揮獨特創造力，在課程中從0到1扎根數位技能、從無到有創造屬於自己的成果，屏東青年人才有目共睹，展現屏東縣政府陪伴青年，提供良好的創業環境與資源，有望未來提升屏東競爭力！