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醫療機器人和神戶醫療產業都市——日本,百聞不如醫見(2)

miss9_96
・2017/01/03 ・2657字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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續前篇:《醫院該不該以賺錢為目的?一窺日本醫療國際化的現況》

日本在機器人領域的發展,不論在二次元或三次元裡都十分成功。筆者在這次的訪日行程裡,有幸見識到了日本的醫療機器人,在機器人協助患者行走的過程裡,雖然不像駕駛鋼彈、EVA 般的帥氣,但老婆婆用我聽不懂的日語,表達出滿足的喜悅,卻是充滿了真實和感動。

從來沒想過,「想站起來」這個念頭,對某些人可能是種恐怖的經驗。

「回家以後,我覺得更有信心了」,患者露出了微笑這麼地說著。

從床上起身、平穩的散步,這對我們而言都是再簡單不過的事情。但對於腦中風、脊髓受損等疾病導致肌肉萎縮的患者來說,這種動作可是異常艱鉅的行為!他們因為疾病導致下肢的肌力減弱而難以行動,又因為缺乏使用,再惡性循環進一步地下肢肌肉萎縮,最終導致行動不便。

在 JR 東京綜合醫院裡,引入了復健用的下肢醫療機器人:HAL®(Hybrid Assistive Limb®)。HAL 醫療機器人並不像我們想像中的那種人形機器人,它的運算電腦外觀僅是一塊白色版子,繫在患者的背後,連通的四具馬達縛在患者的大、小腿處,同時會有量測皮膚電位的電極貼片黏於患者的大腿,穿戴完畢後,患者的下身像是穿上了一套白色的外骨骼機器似的。HAL 醫療機器人的原理是「動之前,大腿皮膚已經先有感覺了!」,當患者的大腦傳遞「移動大腿」的訊號時,即使患者沒有意識到「移動」的念頭,其神經訊號已經從大腦透過脊髓,傳遞到大腿的肌肉裡,而大腿皮膚表面也呈現了電位的變化。而就在此刻,電極貼片將電位變化傳給患者背後的運算電腦,由電腦協調四具馬達的出力,以協助患者運動!

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HAL®(Hybrid Assistive Limb®)
HAL®(Hybrid Assistive Limb®)

在 JR 東京綜合醫院裡,我看到了一名約莫 60 歲的患者穿戴後 HAL 醫療機器人後,從舉步艱難,慢慢地變成了平穩行進(仍需復健師視情況調整電腦參數)。而患者也透過翻譯告訴我們,使用 HAL 醫療機器人後,原本對於「起身、走路」感到恐懼的心理,漸漸地有勇氣和力量去克服了,這對於患者來說,是極大的信心鼓舞!

JR 東京綜合醫院的田中清和醫師告訴我們,目前 HAL 的租金約 25 萬日幣/月,而復健的收費約 1 萬日幣/小時。雖然學理上的研究未到完備的程度,但由於有許多的需求,目前仍是供不應求的狀態。

神戶醫療產業都市

1995 年 1 月 17 日清晨,芮氏 7.3 的地震襲擊了日本關西。一夕之間,六千多名神戶市民,離世了。

1995 年的神戶大地震,摧毀了神戶市,許多建設和公共設施都付之一炬。儘管傷痛,神戶市開始對於都市的未來討論和深思,究竟,神戶的未來要變成什麼樣的都市呢?數年的討論期裡,各種想像都被提出,也有人認為神戶可規劃成有著眾多娛樂產業的休閒都市。但最終,市政府選了一條艱難的道路,他們要將神戶打造成未來的醫療產業都市。

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在 1998 年左右,日本的經濟仍屬於強勁成長的時代。日本理化學研究所(日本重大國家研究機構,近似於台灣的中央研究院)位於神戶市的分院起了重大的磁吸作用,有專精於 iPS 萬能再生細胞研究的「多細胞系統形成研究中心(RIKEN Center for Developmental Biology)」、以及擁有超級電腦——「京」的「計算科學研究機構(RIKEN Advanced Institute for Computational Science)」等機構,再加上神戶市立中央市民醫院等臨床單位,這些重要的研究單位,吸引了許多生醫廠商進駐到神戶空港外的人工島上,形成醫療產業聚落。從 1998 年的 0 間廠商開始,到了 2015 年已經超過 300 間醫療廠商進駐,目前超過 7000 名員工,估計帶來的經濟效果約 1600 億日圓。

神戶的港灣人工島。圖/wiki
神戶的港灣人工島。圖/wiki

而神戶市政府在推動醫療產業都市時,了解到政府單位並沒有能力分析、規劃醫療產業,因此神戶市政府協助成立了獨立的財團法人——「先端醫療振興財團」。雖然從中文的角度裡看到財團二字,但該法人的目的是支援神戶醫療產業都市的發展、連結產官學的力量以提高醫療產業、建構適於次世代醫療的發展環境等。先端醫療振興財團目前的理事長是開創癌症免疫療法的本庶佑(ほんじょたすく)教授,神戶市每年撥出 40 億日幣推動醫療產業都市,其中的 15 億日幣交由先端醫療振興財團全力推動醫療產業化。

神戶醫療產業都市推動醫療用機器人、長照用機器人的產業化,在基礎研究上也利用超級電腦——「京」的能力,縮短新藥開發等研究的時間與金錢成本。同時也有次世代抗體藥物和 iPS 醫療產品的研究正在進行,同時由於受到國際的重視,世界衛生組織(World Health Organization / WHO)也和先端醫療振興財團、神戶大學等在 2016 年的 9 月開始合作進行失智症的臨床研究,希望能對失智症做到早期發現、早期診斷、早期介入的「先制醫療(pre-emptive medicine)」目的!

具有 864 個機櫃的超級電腦「京」。圖/wiki
具有 864 個機櫃的超級電腦「京」。圖/wiki

我個人認為……

看了日本對於醫療國際、產業化、HAL 醫療機器人,以及神戶醫療產業都市後,我對於日本政府在處理「跨領域」和「未知性高」的事物態度上,有了極大的印象。日本政府對於難以管理的「醫療國際、產業化」任務,毅然的設立了獨立的法人來推動這項任務,也藉此避免了政府內各部會權責重疊、資源浪費的問題。儘管目前成效尚不及亞洲鄰國,但他們「以當地人需求為本、以當地醫療自主為目的」的俄羅斯海參崴醫療影像中心的範例,令人印象深刻。檯面上因為北方四島而交惡的兩國,但民間的互動卻如此的活絡。

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而在 JR 東京綜合醫院裡,能夠親眼看到患者的微笑,讓我覺得 HAL 醫療機器人真的是很棒的東西!而這種能夠改善患者生活的智慧醫療工具,也許就是台灣打開鄰11ㄅ國醫療市場的方式之一。而神戶醫療產業都市裡,我看到了日本政府極為大膽的一面。神戶市每年超過 5 億台幣的費用交給了先端醫療振興財團分配運用,神戶市政府對專家團隊的信任,以及規劃後,不論世界和政局如何改變,依舊對於未來超過十年以上的堅持、毅力(神戶於 1998 年設定未來將朝向醫療產業都市,至今堅持了 18 年),都讓我感到非常的有意思!回頭看看台灣,我覺得兩國在醫療上都各有所長,也許未來有一天,兩國能夠有機會一起交流,甚至一起合作開展未來的醫療啊!

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miss9_96
170 篇文章 ・ 1159 位粉絲
蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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