為何我的江蕙聽起來像蔡依林？—《音響入門誌》

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

「Despacito～Quiero respirar tu cuello despacito～」聽到這段旋律，你是不是也開始不由自主地跟著搖擺了呢？跟著音樂一起流動實在是再自然不過的事了，不過，假設你完全聽不到這些動感「音樂」，它還能發揮同樣的效果嗎？

科學家也想知道這個問題的答案，於是乎，他們把實驗室搬到舞池啦！

超酷的實驗，就要在超酷的表演廳進行！

沒錯！最近發表在《當代生物學》（Current Biology）期刊上的研究就是這麼嗨！這份研究的第一作者是來自麥克馬斯特大學（McMaster University）的神經科學家 Daniel Cameron，他本身就是個音樂愛好者，除了會打鼓外，研究的主要方向也離不開音樂，總是在探索音樂和人類間的互動關係。

想要從事如此動感的實驗，一般的研究室可沒辦法進行，研究者們選擇的地點是麥克馬斯特大學裡面的「LIVELab」，這個地方算是個研究型表演劇院，裡面既能進行各式演出，也能同時進行各種測試和研究。

劇場裡不僅有 3D 動作捕捉系統，還有可以模擬各種音樂環境的超強大 Meyer 音響系統，最重要的是，它還配備了本次研究的主角──能產生極低頻率的喇叭！普遍來說，我們耳朵能聽到的聲音頻率介在 20 Hz~20,000 Hz 之間，更高或更低都聽不見，那麼，問題來了：聽不見的聲音，還會對我們產生影響嗎？

偷偷來點低頻音，大家真的會感受得到嗎？

為了尋找答案，研究者邀請加拿大的電子音樂雙人組合「 Orphx」到 LIVELab 辦了場表演，並招募了一群實驗參與者來參加。想聽這場演出，需要比平常多一點點的準備。

首先，觀眾需要戴上運動感應頭帶，用以偵測舞蹈動作；再來，觀眾在參加前和參加後都需要填寫調查表，好衡量他們對於演出的喜愛程度、相關生理感受，並確認他們沒有聽到那些偷偷塞進去的低頻聲音。

在整整 45 分鐘的演出中，研究人員會悄悄在幕後控制撥放低頻聲音的喇叭 ，這些喇叭會撥放 8~37 Hz 間的聲音，每兩分鐘開關一次，結果發現，當喇叭開著、放出低音的時候，觀眾的運動量竟然增加了近 12%！

為什麼我們聽不到低音卻還是想跳舞？聲音能被「感受」嗎？

不過，為什麼這些超低聲音會讓人們更愛跳舞呢？研究者們現在還不知道確切的生理運作機制，但他們有些推測。研究者認為，低頻聲音雖然無法被聽見，也不會讓大腦中處理聲音的部分變得活躍，但是，卻能被神經系統的其他部分接收到。

Cameron 表示，我們腦中的前庭系統，也就是專門負責平衡感和空間感的感覺系統對於低頻刺激非常敏感。另一方面，觸覺也扮演了很重要的角色，我們身上的機械性受器（mechanoreceptor）同樣對於低頻的刺激很敏感，會隨著震動而移動，這也就是為什麼，當你站在很大聲的音響前方時，會感覺全身彷彿都在跟著震動。

或許，就是這些系統，讓我們能夠用不同的方式來「感受」到音樂、接收我們聽不見的低頻聲音。

如果想要完整了解背後的機制，勢必還要多辦幾場這樣的「科學音樂表演」，但在那之前，如果大家想要讓舞池嗨一些的話，低頻音催下去就對啦！

參考資料

1. Want to fire up the dance floor? Play low-frequency bass
2. Cameron, D. J., Dotov, D., Flaten, E., Bosnyak, D., Hove, M. J., & Trainor, L. J. (2022). Undetectable very-low frequency sound increases dancing at a live concert. Current Biology, 32(21), R1222-R1223.
3. Low-Frequency Bass Encourages Dancing
4. Inaudible, low-frequency bass makes people boogie more on the dancefloor

• 作者／蘭德爾‧門羅（Randall Munroe）；譯者／黃靜雅
• 在上篇《一樣的月亮，為什麼我們拍的不一樣？——《這麼做就對了！最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》》中，介紹了眼睛與照相機的差異，以及視野的寬窄造就不同的結果。延續上篇，接下來談如何拍出特別的自拍照。

廣角自拍

這種使月亮顯得很小的廣角效果，同樣也會影響自拍的效果。

當某人用智慧型手機拍自己的臉時，他們的構圖本能可能會告訴他們把手機拿近一點，近到足以使自己的臉充滿整個鏡頭的絕大部分。但是在那樣的距離（通常比別人看你時站的地方近很多），智慧型手機的廣角鏡頭會產生很不自然的視角。

你的鼻子和臉頰比耳朵和頭部的其他部位更靠近鏡頭，使得鼻子和臉頰看起來比較大，正如在智慧型手機拍攝的照片裡，前景的建築物看起來比月亮大。這種「失真」（distortion）會使臉孔看起來和預期的樣子不太一樣。

為了減少這種效果，請將手機拿遠一點再變焦放大，可以在拍照時用相機的應用程式放大，或是拍完後再放大裁剪。

手機應該要拿多遠呢？為了盡量減少鏡頭裡多個物體之間的透視失真（perspective distortion），你和手機的距離，應該遠大於「手機與臉部最遠的距離」減去「手機與臉部最近的距離」。

手機到臉部最近和最遠的五官的距離，兩者之間的差距可能不到 30 公分。也就是說，臉部的失真程度，端看你是把相機拿在離臉部正常的距離，還是手臂長長的伸出去。

將相機拿在離臉部 150 至 180 公分遠的地方，幾乎可以完全消除這種失真的現象，但是我們的手臂不夠長，這多少有助於解釋自拍桿的大受歡迎。

試試不同的視野，拍出更酷的自拍照

透視失真可能會改變臉部五官的相對大小，但還有另一種方法也會影響你的照片，這種方法可能會帶來各種前所未見的自拍照。

當使用變焦放大時，會改變背景物體的外觀大小。如果你站在距離很遠的大型物體前面（例如一座山），照相機的變焦對於「山看起來有多大」可能有顯著的影響。

如果你設定好照相機的計時器，然後走到離照相機很遠的地方，就能把一座很小的山拍得看起來像是巨山一樣。

月亮自拍照

智慧型手機鏡頭的變焦範圍有限，但是如果你的照相機具有功能強大的望遠變焦鏡頭，便可拍攝一些非常有趣的自拍照。你甚至可以重現那些「月亮在天際線後方」的照片，不過是利用你自己的身體來拍，而不是建築物。

我們可以利用幾何學來計算，照相機需要離你多遠，才能拍出「月亮在你的後方當背景」的照片。

這個算式告訴我們，照相機要離你大約 183 公尺遠，才能拍出「月亮自拍照」。

既然沒有人製造 183 公尺長的自拍桿，你可能要將照相機裝設在某種三腳架上，再用遙控的方式按快門。

像這樣的照片，要對準鏡頭可能會很麻煩；你需要找到一塊區域，有很高的地方可以站，而且在你與月亮之間要有長長的、一覽無遺的視野。月亮移動迅速，所以等到一切都對準了，你只有一小段空檔可以拍照，差不多 30 秒而已。只要短短兩分鐘出頭，月亮就會完全移出視線。

利用適當的濾鏡（如果你非常謹慎），你甚至可以拍攝類似的太陽自拍照。這樣可能會損壞照相機，所以在你嘗試拍攝之前，請先諮詢當地的天文俱樂部或攝影器材店。

如果貿然行事，你很有可能會讓照相機著火。當你用照相機對準太陽時，絕對不要透過光學取景器觀看。你的眼睛和照相機也許功能不太一樣，但是都一樣很容易燒出破洞。（編按：危險動作，請勿模仿！）

——本文摘自泛科學 2020 年 2 月選書《這麼做就對了！：最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》，2020 年 1 月，天下文化。