利用恆星影像技術協助保存梵諦岡珍貴的古老典籍

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

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《大資安時代，走跳江湖有些事你不能不知道》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

正在瀏覽這篇文章的你，很可能正被看不見的腥風血雨所籠罩——這不是危言聳聽，因為第三次世界大戰的戰場，極有可能就發生在網路上。網路與數位化的浪潮勢不可擋，面對資安環境高速變遷帶來的新興風險，我們又該如何自保防身？來聽聽資安專家——中山大學資訊管理系陳嘉玫教授怎麽說！

方便與安全，兩者不可兼得也

註冊或登入會員、設定和輸入密碼、提供各種個資如網頁瀏覽記錄，來換取和生活大小事離不了關係的線上服務，已經是數位原住民的日常。而在高度依賴網路、講求高效率的今日，我們都希望電腦軟體和手機 APP 的使用能越方便越好，但一味追求便捷，卻可能讓自己露出資安破綻，叫不法分子有機可乘。

「越安全的東西，越不方便使用。」陳嘉玫教授指出，安全與方便自古兩難全，如何找到兩者之間的平衡就是關鍵。

資工系出身、喜歡寫程式的陳教授，曾在美國花旗銀行全球資訊網路研究總部擔任要職。該企業内部一切開發需求重視安全遠勝於方便的嚴謹文化，成為她日後投身資安領域的契機。

客制化誘餌與駭客聯盟，讓威脅更升級

科技的進步，也見證駭客攻擊手法的進化錄。研究網路安全多年的陳教授指出，每個時期的使用者都有不同的使用習慣，從早期的電子郵件，到現在的臉書和 Line 群組，都是心懷不軌者潛伏之處。他們長期觀察和收集目標攻擊對象相關資訊、和刺探目標網路，利用人性的弱點，客製化各種引人上鈎的「誘餌」，來獲得他們想要的機密資訊。這就是網路犯罪最常見的社交工程（Social engineering）攻擊和釣魚式攻擊。

過去駭客都單打獨鬥，但現在也出現分工明確、系統化的「駭客聯盟」。目前的攻擊趨勢，也演變成更危險的進階持續性威脅攻擊（Advanced Persistent Threats，簡稱 APT）。APT 是針對一個特定組織，長期滲透、客製化且多階段的網路攻擊。為了全方面瞭解目標攻擊對象、擬定有效戰略，駭客除了進行技術面的研究，會對目標組織做身家調查，包括員工名單、財務狀況、社交活動、社群網路留言。APT 棘手之處在於，如果一個戰術行不通，駭客會持之以恆，不斷嘗試直到找出破口。

「韓國黑暗日」（Dark Korea），就是著名的 APT 攻擊事件之一。這場韓國史上最大駭客攻擊，推論是由北韓主導，至少歷經八個月的精心策劃。駭客偷渡惡意程式到多家電視媒體與金融服務的電腦與伺服器，進行破壞性攻擊，造成各項服務停擺多日，韓國將這次攻擊視為國家級的戰爭行為。

如今「資訊即權力」當道，國家勢力著手培養駭客已不是新聞，不少國家也紛紛成立不需要一槍一彈的「第四軍種」——資通電軍 (俗稱網軍)。比起傳統軍武，發起資訊戰，無需花費一槍一彈，卻對社會經濟產業造成極大的衝擊。

零時差漏洞，得之可得天下？

提到駭客攻擊，就不得不談談號稱可一秒癱瘓世界的零時差漏洞（zero-day vulnerability）。零時差漏洞是可謂資安界最害怕的威脅，是指當漏洞被發現，而軟體開發商尚未發布修補程式 (patch) 之前，在這段時間，任何使用該軟體的主機，都有此安全漏洞，都有可能遭受駭客攻擊。

不過，要取得零時差漏洞也非易事。陳教授以武俠小説作比喻，零時差漏洞就像壓箱底的最後法寶，除非遇到最難纏的對手，否則駭客也不會輕易使出這一殺手鐧。這些高利用價值的漏洞，在黑市可是千金難換。一個小小的零時差漏可能掌握著一國民生基礎架構的命脈，是要挾國安的重要籌碼，可得也可毀滅天下。

為了避免讓自身弱點落入他人手中，很多公司重金懸賞發現該公司產品的安全漏洞的駭客。而就像江湖上同時存在邪道與正派，除了進行不法勾當、謀取利益的黑帽（Black Hat）駭客，也有著用意良善的白帽（White Hat）駭客。這個典故源自美國西部電影中，正派戴著白帽，而反派往往著黑帽的形象。

白帽駭客維護精益求精的駭客文化，以「提升安全性」為目的，挖掘程式漏洞，提供開發商漏洞資訊，以改善該系統的安全性，稱得上是駭客武林中的俠義心腸的一群。

守護資安，人人有責

雖然武俠故事的鎂光燈往往都聚焦在少數幾個武林高手身上，但江湖其實更大部分是由你我這樣平凡老百姓組成。陳教授坦言，很多人誤以為資安都是 IT（Information Technology）或 MI（(Manager Information System）部門的責任，但守護資安，應是所有使用者的責任。

「資安其實就是攻與防。知己知彼，才能百戰百勝。」

陳教授一再強調，要打造良好的資安環境，從小教育年輕一代正確使用手機、電腦等電子設備的資安知識，才是最有效的方式。根據調查，管理層級的主管越重視資安，透過資安教育訓練和宣導提高員工資安意識，才能在組織中形塑健全的資安文化。

除了管理好個人資訊和帳號密碼外，在上網時多存一份疑問，才能在第一時間發現不對勁、主動通報，越資訊化的時代，我們也越沒有隱私，駭客攻擊防不勝防。因此在江湖上行走時，常常更新資安資訊，隨時保持警惕，是避免遭受攻擊的不二法門。

參考資料

• 什麼是 APT 進階持續性威脅 (Advanced Persistent Threat, APT)？
• 韓國史上最大 APT 駭客事件始末
• 2021 年零日攻擊的數量破記錄！是攻擊次數比以前多，還是資安公司更擅長發現駭客？
• 維基百科：社交工程
• 維基百科：駭客

• 作者／胡立德；譯者／羅亞琪
• 編按：本篇沒有蟑螂圖片，請安心服用！

黎明時分，柏克萊生物系的學生高什克‧賈拉雅姆 (Kaushik Jarayam) 聽見蟑螂竄走的聲音，他正坐在生命科學系館的階梯上吃貝果，就跟每天早晨一樣。貝果的屑屑掉落在水泥階梯上， 竄走的聲音愈來愈大，甚至演變成窸窣聲，同時，附近山茱萸樹下的落葉堆也開始出現動靜。

他看見灌木叢中冒出兩根長長的觸角，接著是一抹褐色物體朝他的腳衝來。高什克本能地站起身，胡亂踩踏了幾下，大部分只踩到水泥地，但其中一下踩到了一個小生物，發出壓扁的聲音。那個生物迅速逃跑，衝進他剛剛坐著的階梯上的一個小縫隙。

那是似乎天下無敵的美洲蟑螂 (Periplaneta americana)，即使鞋子踩中了牠，牠卻還逃得了，高什克不禁感到好奇：蟑螂怎麼有辦法活過這樣的重擊？在進行縝密的實驗後，高什克將會發現這些動物看起來很堅硬，實際上卻很柔軟。在研究的歷程中，他將發明一種可被輾壓的機器人，會變形，但不會碎裂。

以柔克剛，軟一點才有存活的可能

高什克正在攻讀生物學博士學位，但是他從未上過任何一堂生物學的課程。他在印度的邦加羅爾長大，這個地方在他小時候還是個小鎮，但後來發展成一座繁忙的都市，有許多資訊科技人才湧入。他曾就讀印度理工學院孟買校區，專攻機械工程，特別是製造領域。

在我們的世界，隨處可見製造的痕跡，例如加工成型的塑膠或鑄造的金屬，這當中大部分的成品都是堅硬的。高什克將開始了解，製造業的發展前沿不再是如何讓機器和裝置更加堅硬，而是如何把這些東西變得更柔軟。

高什克對製造產生興趣時，正值四軸飛行器剛被開發出來。四軸飛行器有四個各自獨立的旋翼，如同正方形的四個象限般排列。旋翼的數量使四軸飛行器非常具有機動性，可以定點旋轉、俯衝、懸停以及隨飛隨停。

早期的四軸飛行器有一個問題，那就是它們的性能遠超過存活能力，它們飛行的速度太快了， 如果撞到東西，便直接碎屍萬段。因此，工程師開始在飛行器外圍包覆一種類似倉鼠滾輪的保護裝置，倘若發生碰撞，保護裝置會先被壓碎，以便保護裡頭的旋翼。

於是，高什克便開始研究蟑螂的運動，因為牠似乎無論受到什麼樣的撞擊都似乎無法被摧毀。

跟蟑螂學習如何「完整地」活下來

從蟑螂的角度來看，這種能力是必需的，因為牠們一直處在被掠食者吃掉的危險當中，蜥蜴、貓、鳥等動物都很樂意大啖蟑螂這種具有豐富蛋白質與脂肪的營養來源。一旦被抓住，蟑螂很快就會遭到嚼食吞嚥， 因此能存活的唯一機會就是加速逃跑，愈快愈好。

蟑螂隨時準備逃命，牠們可以在 \(\frac{1}{50}\) 秒的時間內做出反應，比人類快上 10 倍；牠們能以每秒 25 倍體長的速度奔跑，相當於一輛車以每小時 450 公里的速度前進。

速度是蟑螂生存的關鍵，因為太重要了，所以蟑螂沒有時間閃躲物體，只能直直一頭撞上。

如果你把這個動作用高速攝影機拍下，接著慢速播放，就會看見蟑螂是衝撞牆壁，回彈，接著才直爬上牆。如果牆壁下方有小縫隙，牠會以最快的速度把身體擠進去，這個行為可以讓牠在體型大上許多的掠食者面前消失無蹤，牠們通常是僥倖成功的。

蒙大拿州的生物學家塔拉‧馬吉尼斯 (Tara Maginnis) 曾對野外昆蟲進行一次普查。昆蟲生來會有六隻腳，但在野外捕獲的昆蟲之中，腳的平均數目卻是五隻，這些五腳昆蟲算是幸運的了，牠們勉強成功逃脫，可以再多橫行一天。

模擬野外環境，觀察蟑螂的荒野逃生

由於蟑螂速度太快，在野外很難觀察，高什克便在實驗室裡做了一個障礙訓練場。

蟑螂喜歡生活在散落著枯枝落葉的林地上，在這樣的環境中，其褐黑相間的體色有助完美偽裝。高什克建了一個開放的走道，末端是一個隧道入口，隧道屋頂只有兩枚硬幣疊起來的高度，是蟑螂站立時高度的 \(\frac{1}{4}\)。當蟑螂要進入隧道時，就會像黃金獵犬要把身體擠進信箱一樣。

高什克用高速攝影機拍攝蟑螂進入隧道的動作，從遠方看， 這隧道口就像是個小縫隙。在進入隧道前，蟑螂會先把長長的觸角伸進去，探索完裡面的空間之後，牠會短暫停頓，接著再把頭塞進縫隙，瞧瞧裡面。有時，牠得硬塞好幾次，頭才進得去。

蟑螂高 1.2 公分，是縫隙高度的 4 倍，為了擠進洞裡，牠用前腳往前走。縫隙很低，因此當牠把頭塞進去時，身體會往上傾斜 45 度，導致後腳在半空中亂踢。蟑螂處變不驚，繼續用前腳把身體拉進縫隙，短短 1 秒鐘，整隻蟑螂已經進到縫隙中，從掠食者的角度看，蟑螂就像是憑空消失了。

高什克用玻璃排成隧道的牆壁，這樣就能看到裡面。蟑螂幾乎把自己擠壓到完全扁平，牠在站立時，腳通常是位在身體下方，但現在卻像螃蟹一樣水平攤開。高什克拿一根棒子往隧道裡戳，模仿貓把爪子伸進去的動作。令人驚訝的是，蟑螂竟以螃蟹走路的方式遠離棒子。

他又多戳了幾下，蟑螂加快速度並開始跑了起來，雖然這時身體仍處在被壓平的狀態。被壓扁的動物還能夠全速衝刺，令高什克十分訝異。我們在開車經過狹窄巷弄時，並不會全速行進，若全速行進的話，車子很容易就會損壞到無以修復的地步。

穿戴盔甲的蟑螂，天生就有被壓扁的潛能？

雖然蟑螂看起來全身覆蓋著閃亮的盔甲，但牠們其實有許多柔軟的關節，讓身體能極度靈活地形變。例如，蟑螂腳上的每一個關節都是由柔軟可形變的半透明膜所組成，就如中世紀騎士的盔甲在膝蓋和肩膀部位有著互相重疊的甲片一般。蟑螂的腹部也覆滿了百葉窗般互相重疊的甲片，高什克認為，這些重疊的甲片允許蟑螂的身體在壓平時往側邊擴展。蟑螂天生就是可以被壓扁的。

為了測試蟑螂的極限，他把蟑螂放在機械式壓機裡，四面都有透明牆壁，以防蟑螂脫逃。接著，他施加等同於蟑螂體重 900 倍大的力在牠身上，相當於把人壓在一間單房公寓底下。

此時腹部甲片輕輕擴張，讓蟑螂柔軟的內臟得以透過柔軟的透明膜被推出。蟑螂的體內大部分是液體，因此當身體受到向下的壓力時，也就意謂體液必需從某處流出，而流出的地方就在甲片之間。當外力消除後，這些透明膜會把蟑螂推回正常的形狀。

蟑螂在承受這麼大的外力後，仍能毫髮無傷地走開，牠們就像一顆裝有馬達的壓力水球，縱使被壓扁到認不出原貌，仍能繼續行走。蟑螂可以承受多大的下壓力而不死亡，就要看牠的外骨骼能承受多大的體內液壓了。

然而，機器人就不會有這樣的限制，它們互相連結的部位可以是空氣，而不必是液體，就跟紙鶴一樣，機器人具有被壓成一張紙後仍可繼續運作的潛力。高什克受到蟑螂承受輾壓的能力所啟發，決定製作一個人造版本。

• 下篇《小強求生術（下）：人類有辦法打造跟蟑螂一樣「抗壓」的機器人嗎？》帶大家來看看，在參考天造的蟑螂之後，人造的版本可以達成哪些功能。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術：如何水上行走與飛簷走壁？動物運動與未來的機器人》，2020 年 1 月，三民出版。