故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

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

文／蕭俊傑（科學 X 博士）｜國家太空中心任務科學家

J 編按：在上一篇中，X 博士告訴我們原來看 NASA 不能只是看非常壯觀的「假」火箭、太空船，還有很多看似不起眼但超級重要的「真品」，需要大家去展覽中搜尋。接下來要帶大家看的是太空人的生活日常，各種太空必需品到底跟我們在地球用的、吃的有什麼不一樣？

5. 堅忍的耐力 ENDURANCE

原來，太空人要包尿布？！

太空探索的任務相當嚴苛，所以需要各種裝備配合太空人執行任務。首先從解決太空人生理問題的裝備開始，這個一看就知道是什麼東西吧？像是這一件白短褲其實就是「太空尿布」。當然尿布不是這個展區最重要的東西，擺放的地方也不是非常顯眼或突出，但是大家走過去時都會對它指指點點說上幾句，我聽不懂韓文，但是從語氣和表情大概可以猜到說話的人是驚奇加上好笑吧！

其實我沒有要大家看展都像我看這麼認真，休閒的看也不錯。不過如果在過程中誤會了某些展品的意義，而讓自己在特展中吸收到錯誤的知識那就不好了。

為什麼這麼說，我回台灣時會給我朋友看我拍回來的照片，很多人看到太空尿布這張照片的反應是：「原來太空人在太空尿尿都是尿在尿布裡喔～」。我相信也有很多人知道現代的太空船裡是有廁所的。我想強調的是，如果這些人沒看到這張照片，可能根本沒有想過太空人尿尿的問題，被問到太空人怎麼尿尿時也會回答「不知道」。知道自己不知道很好啊，不知為不知，是知也。但看到尿布之後，忽然就覺得太空人應該要穿尿布，如果沒有進一步去想這個問題，那可能就真的以為太空人只能尿在尿布上。自己引用一句我在科博館「科學的態度，決定你明日的高度」演講中所講的話：「科學學習中最危險的，不是無知、而是誤會」。錯誤的知識才是最可怕的。

早期的太空任務太空人的確需要太空尿布的幫忙，但新一代的太空船就裝設了「便器」可以使用，而太空尿布就只會在發射、降落，還有進行太空船外的太空漫步時才會穿。尤其是發射過程常常會因為天侯或是其他因素延遲，但這時太空人得乖乖坐好，不能亂跑，如果發射過程延遲太久，太空人們也就只能這樣尿下去了。

最後強調一下，尿布兩個字不是我亂亂講的，我在韓國展的英文說明上真的看到它寫 diaper 這個說明，但它正式名稱應該是 Maximum Absorption Garment，翻成「高容量吸收服」好了。

那大家一定會想再問，發射、降落或太空漫步時想小便可以尿尿在尿布裡，那如果想大便怎麼辦？那……就忍著吧。

圖片中另外一個東西就是「屎袋」（這是我自己翻譯的），早期執行阿波羅任務時使用。屎袋用的時候就是貼在屁股上，便完後混入殺菌劑再包起來。因為用屎袋實在太麻煩，所以在上太空之前跟任務執行中都會吃一些消化完殘留較少，也就是比較不會變成糞便的食物。其實有些問題不一定要有人告訴你才會有答案，從常理判斷，如果明天早上就要坐飛機去美國了，今天消夜應該就會避免去吃可能會拉肚子的麻辣火鍋。

太空食物好不好吃啊？（流口水）

生活另一件大事就是吃，也就是太空食物，這個展示櫃中有各色各樣的太空食物。

太空食物指的是為了配合太空人執行任務時，不論是食用的方式也好、保存的方式也好，把原本地球上有的食物經過特殊的加工與包裝製成的食物。太空食物為了延長保存期限，大多會以真空方式做包裝，而真空包裝可以再分為袋裝、罐裝及軟管裝（就是像牙膏）。

從照片中來看，標示 1 是葡萄柚汁，標示 2 是咖啡，像這類液態的食物就適合用袋裝。洋芋泥與沙拉放袋子裡吃起來較不方便，所以就要放在像標示 5 這樣的罐子裡，威化餅這種東西容易碎掉，所以裝在 7 號這種罐子。裝在 17 這種牙膏容器的是「混合了糖的果子」，這是俄國太空食物，猜想應該像是含有果粒的果醬。延長食物保存期限有一個方法是脫水，把水果用糖去醃漬，因為水份滲透的關係將水果脫水，這就是為什麼蜜餞是水果做的，但卻比水果更不容易腐敗的原因。

看到 19 的時候真是讓我驚呆了，旁邊的說明寫的是 AMBASSADOR VODKA，VODKA 不是伏特加酒嗎？標示 17、18、19 都是蘇聯太空食物，蘇聯人愛喝伏特加酒也是很正常的事，但太空任務怎麼可能可以喝酒呢？其實這個裡面裝的是羅宋湯，只是在標籤貼上 VODKA 而已，太空人喝的羅宋湯有沒有加 VODKA 在裡面就不知道了。

最後再強調一點，既然太空人帶上太空吃的食物就可以叫做太空食物，那有些食物本來就很「耐久」，這些食物就可以包裝好之後直接帶上太空。台灣特展的現場會有賣太空食物，現場會有哪些口味還不知道，但 X 博士在其他場合已經吃過很多種了，包括太空冰淇淋、太空草莓、太空香蕉、太空章魚燒、太空麻糬、太空布丁等。要問我是在哪裡買的，有些是在日本太空中心 JAXA 的筑波中心「JAXA宇宙航空研究開發機構筑波宇宙中心」，這也是一個可以預約參觀的地方，如果是日文版網頁找「預約見学」就有。他們在參訪後出口處的賣店有販售。從東京秋葉原坐筑波Expess可以到，下車後還要轉計程車。美國偶爾可以看到的Discovery channel store、台灣的賽先生科學玩具也可以買得到。另外一個是日本九州的太空世界Space World，這裡的賣店是我看過，在同一間店有賣最最多種太空食物的地方了。

買的時候要怎麼選？大家可以想一下，如果這個食物只是把它「包起來」就可以帶上太空的話，那你吃到的可能會跟一般地球上的味道差不多。以水果類來說，其實很多健康食品店也都有賣脫水的零食水果片，太空食物的水果就吃起來差不多。但太空冰淇淋脫水後吃起來就跟平常的冰淇淋很不一樣，至於是什麼味道，冰淇淋是乳製品，乳製品在常溫下脫水，大家可以想想看生活中有哪個東西擁有這樣的特性，大概就知道了。太空食物絕對沒有地球上食物美味，但買來吃吃看一定是難得的體驗。

太空服用處多

接下來是太空服。展場中陳列的，下方圖中這件其實不是太空服，而是美國空軍（United States Air Force, USAF）用的高空壓力裝（high altitude pressure suit）。為什麼需要壓力裝？飛機飛得再快不會讓人不舒服；但飛機如果有很大的速度變化，或者是急轉彎，如果用國中理化的語言來講，就是有很大的「加速度」時，人的身體就會受到影響。

戰機在空中戰鬥時，常常需要有急轉彎、急爬升等劇烈的動作。飛行員雖然是坐在椅子上，但體內的血液是保持流動的。如果有一個急速爬升的動作，飛行員體內的血液會因為慣性的關係往下半身流，這時候如果腦內沒有足夠的血液，就會造成飛行員的暈眩，這種情形跟蹲久了忽然站起來會暈的意思一樣。要避免這種情形，飛行員的壓力裝會非常的「緊」，把血液用外力把它壓住，避免在戰機做劇烈的動作時造成飛行員的暈眩。

其他後面幾件太空服也是大有來頭。包括了雙子星計畫、阿波羅計畫、水星計畫中的太空服都有展示。講到太空服，大家馬上聯想到的就是「太空中沒有空氣」，所以需要太空服提供太空人所需要的空氣。但是空氣的功能除了讓太空人可以呼吸之外，空氣也同時提供太空人與地面環境相近的空氣壓力，讓太空人的身體狀況可以維持正常運作。

除了空氣之外，它還有一些非常重要的功能。首先，地球上因為有臭氧層的保護，所以不會接收到太多從太陽來的紫外線，但太空人的活動環境在臭氧層外，所以就需要太空服來隔絕紫外線。而地球上還有由地球磁場所建立的磁層，磁層可以阻擋太陽所噴發出來的高速電漿粒子，也就是「太陽風」。極光就是由太陽風所造成的景觀。同樣的道理，身處於太空環境的太空人不像地面上可以受到磁層充足的保護，因此太空服也需要具有阻隔太陽風的功能。

J 編按：展覽中還有更多科學 X 博士沒辦法一一介紹的有趣展品，有興趣的朋友可以到 NASA 一場人類冒險台灣展中看看人類在太空探索中做的各種努力，換個方式一圓小時候那個太空夢。

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看（二）

文／蕭俊傑（科學 X 博士）｜國家太空中心任務科學家

J 編按：在上一篇中介紹人類從開始幻想上太空，到真真正正開始啟動各種太空計畫，以及美蘇之間緊張刺激的太空競賽。接下來，人類前往太空已不再是夢想，我們逐漸發展出各種高科技，帶領我們探索地球之外的宇宙奧秘。

我在韓國首爾 NASA 展看到一個很有趣的現象：假的東西大家搶著看、真的東西大家不知道怎麼看。

看展花錢、花時間，除非你很清楚你的目的是只是想要拍照、打卡、上傳，不然如果能在看展前對內容多一點了解，那在看展時就會更知道要看什麼門道，上傳 FB 時也可以多打幾個字，讓你的朋友們知道照片中這個東西到底有多厲害！

什麼是展場中「假的東西」，什麼又是「真的東西」。我講「假的東西」不是策展單位故意拿假的東西給你看，我舉個例子來講，像是火箭、太空船已經被射到太空中去了，怎麼可能拿出真的來給你看呢？為了讓民眾能了解它的樣子，所以需要一個「模型」來展示，讓大家從視覺上來感受這個沒有辦法出現在現場的東西。那什麼又是「真的東西」？玻璃櫃中展示的 V2 彈道飛彈的碎片，就是其中重要的真品。V2 彈道飛彈是世界上第一個長距離彈道飛彈，在二次世界大戰時出現。雖然它的外觀看起來沒有火箭模型炫，但在看一個科學特展時如果想要更深入的去欣賞一個展品的話，把感情與歷史放進去將一起來看就會有不同的感受。

接著讓我們回到 NASA 特展韓國展的現場：

 4. 探險先鋒 PIONEERS

這個展區中介紹了很多重要的火箭與引擎。

在這邊可以看到農神五號火箭（SATURN V），它是史上最大的火箭，高度達到 110.6 公尺。登陸月球的阿波羅計畫就是使用農神五號火箭。這邊常常聽到一個大家對火箭名稱的誤解。SATURN V 這個名字指的並不是「這一支火箭」的火箭，而是「這一型火箭」，SATURN V 一共發射了 13 次，阿姆斯壯他們登陸月球是第 6 次。

從照片中可以看出在火箭最前端的地方，有一個像是尖塔的東西，那其實是太空人的逃生裝置發射逃生系統（launch escape system, LES）。在太空人登上火箭後，如果在火箭發射過程初期發生問題，LES 會帶太空人離開火箭，等到火箭升空到一定高度後，為減輕重量 LES 會脫離火箭，而如果在那之後火箭才發生問題，那太空人就自能自求多福了。

除了最搶眼的 SATURN V，這裡還有泰坦一號（TITAN I）的引擎。有些火箭會分節（stage），第 1 節、第 2 節、第 3 節是從火箭下方往上算，最下面的叫第 1 節。TITAN I 是美國第一枚多節式洲際彈道飛彈，共有兩節。火箭的目的是把太空船或是衛星（這些會稱為火箭的酬載）送上太空，但火箭的重量遠遠超過酬載本身，也就是說太空船或是衛星本身重量不重，重的是把它送上太空的火箭。所以為了減輕重量，火箭把部份燃料用完之後，就會把第一節（stage 1）脫離，第二節引擎點火繼續飛向太空。但大家也不要覺得把火箭分節可以減輕重量，所以分節分越多越好。因為分節雖然有減輕重量的好處，但卻有以下壞處：

1. 脫離失敗

火箭節與節之間是用像是「栓」這樣的東西鎖在一起，脫離時是用適量的火藥把栓炸斷，如果炸栓過程不順利，就有可能脫離失敗。

2. 點火失敗

第一點火箭脫離後，第二點火箭的引擎就要接著點火。就像家中瓦斯爐的電子點火，有時第一下火沒點起來，我們可以點第二下、第三下。第一節火箭在地面上點火，如果點火失敗還可以補救；第二節以上的火箭都要在空中點火，如果點火失敗任務就玩完了。

以上兩點都要在空中進行，兩節火箭（TITAN I）要做一次空中脫離＋點火、三節火箭（SATURN V）要做兩次空中脫離＋點火。這些動作都是做越多次越危險。

3. 引擎太多

每增加一節，就需要增加一組引擎，引擎不但占重量，而且要花錢。所以太多節也會有引擎太多的缺點。發射前只有第一節引擎是外露的，第二節以上的引擎都是包在火箭本體裡面，所以大家在展場看 TITAN I 引擎的時候，不用看說明就知道哪一個是第一節，因為第一節的會長得比較大。

4. 結構變弱

一個完整的火箭，如果分太多節，想也知道整個結構強度會減低，這也是一個分節的缺點。

展示櫃中有一個很顯眼的牛仔帽，這個是火箭之父華納．馮．布朗（Wernher von Braun）的，雖然與太空科學沒有直接關係，但也算是重要的歷史文物了。旁邊皫碎片就是我前面提到的在二次世界大戰時出現，世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。

這個展示櫃中是各種火箭與太空梭的模型，所有的比例都是 1/72。大家可以對各種火箭的大小有個比較。

最後有一個我覺得很可愛的東西，展區入口有一塊玻璃，感覺上好像是一塊透明的黑板。這是一個拍照的好地方，大家可以站在玻璃的這一邊，假裝在跟其他人講解太空船軌道相關原理，拍照的人從玻璃的另一邊來拍照。

這片玻璃上面的公式跟圖我簡單介紹一下：大家國中時都學過 F=ma，這是牛頓第二運動定律，F 是力，m 是質量，在地球上的很多狀況就直接等於重量，a 是加速度。我用很不嚴謹的白話來講就是「讓一個東西加速需要花力氣、把一個東西減速也需要花力氣，而這個東西重量越重，這個力氣也要越大」。如果不計任何阻力（空氣阻力也不計），讓一個東西一直保持一樣快（a = 0）是不需要力氣的。我們身邊的東西常常會有速度的增加或減少，學校也會有題目叫我們算說把 100 公斤的物體從靜止加速到多少，需要花多少的力氣。大家注意一下這個題目：它告訴你把「100公斤的物體」，其實已經設定了這個物體的質量是固定的，但在太空中的太空船的質量會改變的，像是脫離、燃料減少，或是把東西放在月球上、從月球又帶了石頭回來等等的原因，都會改變太空船的質量，所以在用 F=ma 這個公式時，不止 a 會變，m 也會改變。（你在這塊玻璃前面講前面這段話，應該可以唬住一些人吧！）

我本來以為是韓國展場的裝潢而非展示品的一部份，後來經過確認這片玻璃也會在台灣展出現。

J 編按：這趟旅行還沒有結束，人類上太空不只靠火箭、太空船，還有很多在太空生活的必需品，食衣住行樣樣不能少阿！

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看（一）

太空人只能尿在尿布上？誤會比無知更危險—NASA特展搶先看（三）

本文轉載自作者網站科學X博士