睜一隻眼閉一隻眼，軍艦鳥睡著了但還在飛！

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

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找不到地方睡嗎？去睡在導彈旁邊吧！

導彈艙最近新增了不少床位。美國海軍潛艦田納西號下水後幾年，因為做了技術升級，需要增加水兵來操作伺服器。但問題是，沒有地方可以設置寢室床位。後來有人想到在兩枚核子飛彈之間有空位可以安置床鋪，於是這些熱騰騰的床位便誕生了。艦上的三叉戟二型飛彈的發射管四十五呎高，貫穿潛艦全部四層甲板，總共二十四座。這幾層的導彈艙是全艦最僻靜的地方，像是老舊大學圖書館的藏書架，安靜、隱密，可以躲進去補眠。

但是我現在講話這一刻卻不是這樣。「全部人員起床！」艦內對講機內的廣播，伴隨著又吵又持續的起床警報：砰！砰！砰！砰！像個討厭的小鬼拿著木棍在敲水壺一樣。

「模擬發射全部飛彈。」真這樣的話，要發射的飛彈可不少。三叉戟飛彈是多彈頭飛彈，每個彈頭都可以設定其目標，精準度──我聽過兩次人家這樣講──「可以擊中投手丘」。

美國海軍彈道飛彈潛艦艦隊總共有十四艘潛艦，是一股水下移動式核子武力，和陸地發射井中的飛彈，以及轟炸機上的飛彈，構成了美國戰略性嚇阻（strategic deterrence）的「 核子三合一 」（nuclear triad）。

這個「核子三合一」戰略性嚇阻所傳達的訊息是：「你瘋了才會用核彈打我，我們的核彈比你多，而且你也無法先發制人，因為你不知道我們的彈道飛彈潛艦在哪裡。」彈道飛彈潛艦可以躲在整個海洋的任何地方，艦上的核子反應爐可以產生動力，並且製水，永遠不必為了加油而浮出水面；糧食用罄之前，可以一直待在海底深處。

田納西號副長納珊．穆瑞（Nathan Murray）邀請我進飛彈艙看他進行演習。（我和一群未來的指揮官一起登艦做評估。）我們沿著艙壁通過一排床位；某些還用黑色聚合物的簾子遮住，看起來像 80 年代某些龐克俱樂部的洗手間。穆瑞指著一位年輕人的床位，他要和牆上的消防水管共享這個空間。他昨晚已被消防演習吵醒，現在又要演習。

一天到晚演習，想睡覺都沒辦法

美國海軍潛艦部隊（The Submarine Force）已經正式承認他們有官兵睡眠問題。

《部隊任務重點通報：船員休息問題特刊》（Force Operational Notes Newsletter: Special Crew Rest Edition）裡面便提到：「個人於海洋中的睡眠未獲保護，使得行政訓練、保養以及『迫切的』問題，常態性地縮短或打斷了人員的睡眠……。」田納西號的船員要做消防演習、進水演習、液壓破裂演習、氣壓破裂演習、人員落水演習、安全違反演習、魚雷發射演習等等，艦上做飛彈發射演習比某些人用牙線還來得頻繁。

一方面，你希望船員都訓練有素，你不想「打錯投手」。但是另一方面，你卻又希望訓練和演習不要這麼頻繁，弄到那些操作炸彈、反應爐的人員長期睡眠不足。

1949 年的潛艦作息時間表允許人員一天睡眠十小時。除了這種「長眠」之外，一半船員至少在一天之內還能小睡一次。但從 1954 開始，潛艦由柴油引擎逐漸改為核子動力。結果就是艦上要看守的部位多了起來，不再像以前只是看看溫度計或油量表而已。以田納西號來說，現在人員睡眠時間平均四小時。

此次登艦之前，我和睡眠研究專家葛瑞格．貝蘭奇上校（Colonel Greg Belenky）通過電話。他是位於史波肯的華盛頓州立大學（Washington State University, Spokane）睡眠與效能研究中心（Sleep and Performance Research Center）的創立人。

貝蘭奇很清楚人從一天睡八小時減為四、五小時後有什麼變化。他們的認知能力在幾天之內就開始下降，猶如從高原狀態衰退到一個無法運作的狀態。睡眠時間越少，智能衰退越嚴重，後來才能回升。

但是是哪種心智能力會衰退呢？是大部分。貝蘭奇說， 睡眠不足會使記憶力減退，維持思考、決策，整合情緒和理性的網絡弱化。「你是不是也有過那種碰到問題，但想不出該怎麼辦的時候？結果是不是你睡了一晚好覺之後，醒過來，啊，有了！這就是睡眠的功用。睡眠使大腦恢復正常功能。」

你是新來的？那睡覺時間再打個折吧！

在潛艦上，新兵的情況更慘。他們除了每天的工作和值更之外，還要準備「資格考」──潛艦版的律師資格考。六十幾題潛艦組件及系統的口試題，再加上本艦特有的──從操舵、到操作深度計，到排出衛生水櫃等等──各種任務實作。

蒸汽瀰漫的士官兵休息室裡，一名臉長長的水兵正在讀潛水液壓學。他說：「我曾經一個晚上只睡三個小時，隔天又完全沒睡。」（休息室裡水氣瀰漫， 又有人在打活屍末日〔zombie-apocalypse〕電玩，或是玩桌上足球機，實在不是讀書的好地方。或許因為我是個中年人才這麼想。）

水兵會告訴你他還好，但貝蘭奇知道其實不然。人一天睡眠不足四小時，他們就連復原都沒辦法。他們的智能會一直下滑，最後直達睡眠科學家想出的特殊詞彙才有辦法表達的低點，比如說「災難性代償失調」（catastrophic decompensation）就是其中之一。

「簡單地說就是，每天無法得到適當持續的睡眠，導致人員過於疲憊，在幾天內出現類似於酒醉的『不足』狀態。」《部隊任務重點通報》當中，這幾個句子在編排上被極度強調，又是黑體字，又是底下畫線，又是斜體字。

長期睡眠不足和酒醉一樣，會導致危險加倍；因為，這時人員連自身的損害都無法正確判斷。傑夫．戴克（Jeff Dyche）曾經在潛艦醫學研究實驗室擔任研究心理學家，現在則在詹姆斯．麥迪遜大學（James Maddison University）任職。

他告訴我說，有項研究顯示，人連續兩週每天睡眠六小時， 其認知能力會降低到等同於連續四十八小時未眠。長期每天睡六小時的人和整晚沒睡的人不一樣的地方是，他們不覺得需要小心。他們在長時間感到有些疲勞後，已經覺得那是正常狀態。戴克說： 「他們會說，『啊，我已經習慣了。』」這兩天我聽過很多人說這句話。

一名水手一面把垃圾推進業務用壓縮機裡面，一面說：「我一晚睡四個半小時；在二十四小時的週期內我覺得還好。」他不知道這個壓縮機要是壓到他的肉或手指，效率會和壓垃圾一樣好。

「我不睡覺我驕傲！」這種心態正確嗎？

穆瑞和潛艦艦長克里斯．包納（Chris Bohner）自告奮勇要在艦上實施一份新的值更表；其目的在於讓官休息得更好，為了他們的健康（近來認為睡眠不足和過重、高血壓、糖尿病與心臟病有關）及所有人的安全。這項任務並不容易。

穆瑞說：「為了弄清楚人的『休息』這回事，我花了相當多的時間。」他是個很受歡迎的領導者；不論舉止或是儀表，都是個值得信賴的人。你絕對不會看到他走路懶散、靠牆站立，或是站三七步，屁股歪一邊。他總是雙腳穩穩地站著，堅定如石，雙手放在腰際，偶爾摸一下理得很短的頭髮。他的髮際線在哪裡，就和潛艦在哪個緯度一樣，對我始終都是個謎。

問題在於總會有事情發生。有人進度落後，值更表就四分五裂。而本周的問題之一就是在下的造訪，小女子的到來讓每個人的工作都受到了干擾，因為組員必須花上四、五個小時，找一處海浪比較小的海域，好讓潛艦和我搭乘的船艦之間能搭上跳板。

海軍要處理官兵睡眠不足的問題，其挑戰有部分在於某些人對此引以為傲。我在潛艦醫學研究實驗室認識一位資深的潛艦艦長雷．吾爾利奇（Ray Woolrich）。他告訴我說：「陸戰隊員在酒吧會告訴你他們可以做多少下伏地挺身，飛行員會告訴你他們可以承受幾 G 重力，潛艦水兵會告訴你他們可以多少個小時不睡覺。」寧可累死，也不願被人說是「 愛睏狗 」（rack hound） 1 。

睡眠之戰，原來軍方一直抓錯重點

幾十年來，軍方的睡眠研究重點一直一成不變，偏重於怎樣讓官兵可以少睡，而不是怎樣讓官兵好好入眠。他們試行各種模擬狀況來測試飛行員、戰士和水兵，但是一直到近年，維護官兵的睡眠才成為國防部的優先政策。

現行陸軍政策（Current Army Policy）規定戰區內各級主管應擬定並實施一項睡眠管理計畫。（不過針對從伊拉克、阿富汗歸來官兵所做的一次小規模調查顯示，80% 的官兵都不知道有這項計畫。）照貝蘭奇所見，轉捩點在於陸軍野外演訓（Field Training Exercises，簡稱 FTXs）被延長的緣故。

這種大規模的模擬對抗，就等於是官兵在實務上的期末測驗。貝蘭奇說：「在某個階段，擬定教範的人認為，那些值得出兵的戰爭通常會持續一、兩週。所以他們就把野外演訓從三天延長到兩週。」在這之前，傳統是整個演訓期間都不睡覺，目的是要讓官兵「看起來有士氣，並得到好的評定。」他還記得，演訓期延長之後不久，他接到一個部隊指揮官的電話。

「他說：『我需要你給我藥理學的建議。我要我的手下能撐更久不睡覺。』」他以為那名指揮官說的「更久」是指兩、三天。「 我說：『你要他們多久不睡？』他說：『兩週。』實際上人們試圖想撐過去。」這無疑是一個生動且有趣的例子，清楚說明了睡眠對戰力表現的重要性。

將軍累了嗎？看他作戰就知道

歷史上也有同樣生動的實例。「石牆」．傑克森（“Stonewall” Jackson）是內戰期間南軍的將領。醫學史學家麥考威克（Philip Mackowiak）藉由比較目擊者和軍官的陳述，做出關於「石牆」．傑克森在南北戰爭一系列戰鬥之前，睡眠機會與戰力表現之間的關係。

他發現，若是戰事發生後前三天傑克森都沒有睡覺，這種情況下，他的領導百分之百被認定為「無方」（poor）。蓋恩斯磨坊戰役（Battle of Gaines’ Mill）之時，他的總參謀長描述他「自始至終完全地混亂。」麾下各旅不僅「表現失常」，他連他們的位置在哪裡都不知道。格蘭岱爾戰役（Battle of Glendale）時，他人「 如麻木般……無法深入思考或無法做費力的動作……心不在焉又毫無活力。 」瑪爾文山戰役（Battle of Malvern Hill）期間，他「一副旁觀者的樣子」。麥道威戰役（Battle of MacDowell）時，有人看到他在打嗑睡。

貝蘭奇告訴我，人每二十四小時不睡覺，就會喪失 25% 有效的心智能力。所以傑克森是以清醒狀態下 25% 的能力在率領手下衝鋒（或者根本沒有率領）。我盡量不去想田納西號輪機室一個叫派特森（Patterson）的人。他為了修電解造氧機，已經足足二十二小時沒有睡覺。電解造氧機是一台巨大的鐵殼分子分裂器，「基本就是氫彈，」──他興致高昂地說。

貝蘭奇要實驗受試者不睡覺的時間，最長是八十五小時──超過三天。他說，這大概是人的極限了，「這對任何人都沒有益處。」雖然有人宣稱自己可以一百小時，甚至兩百小時不睡，但由於他們的腦波未受到持續監測，因此難以確定他們沒有「斷續睡眠」（microsleep）。

人要是很累，會墜入第一階段短暫睡眠，眼睛開著，甚至看似手裡照常做著一樣的事。曾在飛機上睡過覺的人都知道，人入睡的時候是可維持肌張力（muscle tone）的；除非進入快速眼動睡眠期，肌肉才會放鬆。人如果在其晝夜循環的非正常時段入睡，會提前進入快速眼動期。如果你白天打瞌睡，嘴巴開開，頭還點個不停，那就要怪「 早發性眼動期 」（early-onset REM）。

既然一定要睡覺，那就用半個腦睡吧？

偶爾有報告說軍人──包括「 石牆 」．傑克森──會在夜間行軍時睡著。貝蘭奇說，當你夠累的時候，大腦似乎會暫時解離，也就是一半睡著、一半醒著。有些鳥類、海洋哺乳類都會這樣；海豚、海豹都可以單腦半球入睡，也就是腦只有一半入睡。這是因為另一半腦還要讓身體能游到海面上呼吸。鴨、鵝類成群趴在地上入睡時，外圍的鴨、鵝會睜著一隻眼睛，並保持對應的腦半球清醒，防備掠食者。

從軍方的觀點看，士兵要是能夠在行軍、游泳甚至索敵期間休息，這是最可取的；這完全符合以軍方未來觀點思考的國防先進研究計畫局（Defense Advanced Research Project Agency）其中一項目標：「要讓士兵最多一連七天，在不使用任何當代興奮劑的前提下，始終保持清醒、警覺、有效， 並且生理、心理能力不減退。」就是這個原因，所以你才會發現國防部有在贊助某些單腦半球睡眠基礎研究計畫。

如果科學能夠研究出鴨子是怎麼做的，或許就能用化學或手術方法──只有天曉得！──讓部隊如此。貝蘭奇輕蔑地說：「我們甚至不確定是什麼觸發全腦睡眠的。」

不過軍方單位並未就此不再幻想半腦睡眠。我曾經參加過北約組織的人類效能最佳化（Human Performance Optimization）論壇，其中一個議題就是要收集可用來將戰士能力最佳化的各種醫學技術， 其中包括「能夠提供超人體力」的義肢、利用眼球移植物使戰士具備紅外線及紫外線視力，再來就是胼胝體切開術（corpus callosotomy）──製造單腦半球睡眠及不中斷警戒。

現在的醫生有時候也會將病患兩個腦半球之間的連結切斷，以降低癲癇病患抽搐的次數。但病患的睡眠有因此同時改變嗎？南佛羅里達大學綜合性癲癇計畫（University of South Florida Comprehensive Epilepsy Program）主任賽林．班伯迪斯（Selim benbadis）說：「沒有」。他寫過一篇論文專論這種手術。他說，有部分嬰兒胼胝體發育不全，但是兩個腦半球卻能同時且正常地睡眠。

貝蘭奇認為國防先進研究計畫局把「有很多輕率的想法，認為是好的構想。」真的，他們真的是這樣。比如說，他們的想法裡面就有一樣是「以手術植入魚鰓。」

注釋：

1. 在軍中，每個人都有個友善的稱號，比如我就叫做「媒體穢物」（media puke）。

本文摘自《不為人知的敵人：科學家如何面對戰爭中的另類殺手》，八旗文化出版。本書為泛科學 2017 年 5 月選書。