泛知識節紀實：跨越視覺科學：烏賊可能比你還聰明

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

「大象～大象～你的鼻子怎麼那麼長？」

喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）最新的研究發現，大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」，跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力，大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能，還能將象鼻伸得更長、更遠！

又硬又軟的萬用工具！象鼻究竟有多強？

象鼻實在是非常神奇的存在，它擁有超過四萬條肌肉，既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉，又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢？

為了深入探索象鼻的秘密，研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園（Zoo Atlanta），設置了高速攝影機，紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下，軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣，是充滿肌肉的無骨組織。然而，它真正派上用場時，可一點兒也不像舌頭呢！透過鏡頭，研究人員發現：象鼻頂部跟底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時，象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面，就能發現外側的象鼻其實伸得更長！

秘密就在皮膚裡！打開皺紋發揮伸展之力吧！

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢？秘密原來就藏在象鼻的皺褶中！研究團隊解剖了大象屍體，發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚，比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是，大象移動象鼻的方式，跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同，象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘，內部是固定的，而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此，大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔！

怎麼說呢？牠們運用象鼻時，會先探出頂端，然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉，不到萬不得已，絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群！學者們表示，大象之所以會這樣動，是因為象鼻前端部分的肌肉量較少，動起來也比較不費勁，而大象其實就跟人類一樣懶，當然是追求越省力越好囉！

借我學一下啦！皺褶象皮竟能應用在機器人身上？

另一方面，象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬，能起到重要的保護作用。比如說，在關節部分，一般肌肉容易拉伸，甚至拉傷，但如果有了皺褶，則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

這樣的保護力有什麼用呢？在未來，或許可以應用在仿生機器人身上喔！許多仿生機器人都會設計液壓系統，雖然十分靈活，但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚，不僅能提供更強大的保護力，也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

參考資料

1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunk. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
4. 動物奇門功夫．象鼻神奇構造

這一系列文章為 2016泛知識節「翻牆吧！知識」的活動紀實，我們將當下求知求真地感動盡力留下，想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館，當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧！知識」承襲著泛科學年會的精神與架構，變的是讓更多的知識在這裏碰撞，不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆，現在就讓我們用求知慾翻牆吧！

關於本場次【烏賊，可能比你還聰明】的活動介紹，請參考這裡。

• 講者／焦傳金｜清華大學生科系教授
• 文字紀錄／王景新

常出現在餐桌上的烏賊，你了解多少？清華大學生科系教授焦傳金堪稱是國內研究烏賊的巨擘。看似冷血的烏賊，居然有跟哺乳類動物貓狗一般複雜的神經系統，對疼痛有長期記憶，甚至還會猶豫。

腳長在頭上的頭足綱

焦傳金先從烏賊所屬的頭足綱（Cephalopoda）說起，字首 -Ceph 有頭部的意思，字尾 -poda 則是腳，換言之，頭足綱生物的腳長在頭上。為什麼想研究頭足綱生物呢？焦傳金說其中一個原因是，牠們是非常聰明的動物，而這可以從大腦看出來。頭足綱生物的大腦與體重的比例，在哺乳類與鳥類動物之下，在魚類與爬蟲類動物之上。而牠們的神經細胞數量也相當龐大，舉例來說成年大章魚腦神經細胞多達五億個，與家裡飼養的寵物貓狗相當接近。焦傳金形容頭足類是「無脊椎動物中擁有最複雜神經系統」的生物。

除了驚人的大腦之外，頭足綱生物也是一種「視覺動物」。牠們生物的眼睛從外觀上和魚很類似，但牠們處理視覺的腦區「視葉」佔了三分之二腦體積。不過牠是全色盲，意謂章魚視覺所見的景像只有灰階的色階分布。

焦傳金指出， 現代頭足類缺少外殼保護，並與魚類競爭資源，於是演化出偽裝行為。烏賊的偽裝能力（視覺、體色調控）、認知能力（數感與決策分析）是兩大讓牠成為頭足類偽裝之王的原因，「偽裝並不一定得做到完全相像，看得到但看不出才是關鍵。」

章魚、烏賊的偽裝之術

焦傳金的演講穿插著章魚、烏賊偽裝在環境中的影片，讓聽眾不時發出讚嘆聲，驚嘆這奧妙的大自然。其中，最不可思議的是，章魚可藉由身上的色素細胞（chromatophores）收縮來改變體色，融入環境。另一段影片則是拍攝一隻停在一塊珊瑚礁上的章魚，但即使以我們人類的視覺，也僅能看出有一塊紋路不像珊瑚的東西，「看得到，但看不出。」牠們模仿的是整個環境的一般特徵，而不是模仿到跟某個物體一模一樣。

焦傳金的實驗室也在研究頭足綱動物的偽裝行為，但他們並不選擇以上面提到的章魚，而是改用烏賊。他說最主要的考量是章魚的身體形狀和移動較為複雜，較不適合在實驗室環境做實驗。相對的，烏賊身體中間有個骨板，會限制牠的形狀，且烏賊也喜歡停留在飼養環境的底板，團隊容易架設攝影機觀察背部的體色變化。

研究團隊以縝密的科學方法來實驗烏賊的行為。首先他們在水箱底部布置不同背景，例如沙底的環境，放入烏賊後，牠會融入環境的顏色；烏賊的另外一個招數是變化為破碎型體色，例如牠會在身上顯現白色方格，與體色形成強烈對比，同時也使他的身體在視覺上被切割了，其他生物因而難以察覺到牠。而體型大小不同的烏賊，在相同背景下，表現的體色也不一樣，有的使出破碎型體色的招式，有的則擬態偽裝成生物或非生物。「烏賊藉由視覺神經訊號控制色素囊縮，一秒鐘之內改變體色，是偽裝之王。」真是柔弱生之徒，焦傳金實驗發現，烏賊也可利用改變身體姿勢達到偽裝效果。

烏賊也會數數

有趣的是，烏賊有著驚人的數感能力。

生物弱肉強食，烏賊會利用攻擊腕捕捉蝦子，那烏賊會知道兩群蝦子哪群多嗎？焦傳金以二選一的行為實驗來試驗烏賊，為求準確，共做三組實驗，每組執行六次。測得數據得知，實驗裝置以兩個方形的塑膠盒一盒放五隻蝦，一盒放一隻，烏賊會游到五隻處，伺機捕食；由於一隻蝦與五隻蝦差距很大，於是再放入一盒四隻蝦與一盒五隻蝦的實驗裝置，烏賊選擇的時間隨難度而增加，影片顯示烏賊確實猶豫了兩三秒，但終究游向五隻蝦的那一盒。

烏賊除了可以正確分辨四跟五的不同，實驗也發現，即使實驗裝置兩盒蝦的重量一樣，烏賊仍偏好數量多；活蝦死蝦，烏賊偏好一隻活蝦更勝過兩隻死蝦，重質不重量；若是兩隻小蝦與一隻大蝦，烏賊會依食慾狀態改變選擇（風險評估），但若只是一隻大蝦和一隻小蝦，基本上無論飢餓與否都愛大的。

此外，研究更意外得知烏賊具長期記憶能力。原來是實驗裝置進行時，一盒放五隻蝦，另一盒放一隻，烏賊會游到五隻處，意欲捕食，倘若不即時取出裝置，烏賊伸出攻擊腕打實驗裝置幾次，但卻被實驗裝置的保護柵欄阻擋，造成疼痛；幾次下來，便不再貿然出手了。

焦傳金總結，研究動物的偽裝行為可以幫助我們發覺視覺溝通的自然法則；烏賊的數感與風險評估能力在攝食行為上的影響，對物種保育飼養繁殖有重要幫助之外，也可藉此進而探究人類經濟行為的自然法則。

https://youtu.be/FaytzgY0eeU

眼睛是人類的靈魂之窗，除了能盡收美景之餘，似乎也能透過眼睛去闡述著不同的情感，但是但是，在這漫長的物種演化過程中，偉大的大自然先生竟然悄悄的把盲點藏在我們如此重要又浪漫的眼睛之中，人類的眼睛與其他物種的眼睛相比，難不成是不小心做壞掉的瑕疵品？

人類眼睛的結構大解密

要知道這個問題的答案，要從人眼結構開始談起。眼睛能夠幫助人們看到世間萬物，主要是因為在我們的眼球中有一種感光細胞，它能夠感知光源，然後將光的訊號轉換成電訊號，傳達給我們眼球中的神經細胞，而眼球的神經細胞將電訊號帶給大腦，而最後大腦會將收集到的各種電訊號整理成我們每時每刻看到的影像。

從上面的敘述中，我們知道眼睛能產生影像主要有兩個重要的原件：感光細胞 + 傳遞訊號的神經細胞。直覺上來想，我們的眼睛應該要設計成：感光的細胞距離光線越近越好，這之中障礙要越少越好。

但是呢，事實卻很殘酷，光線要到達人類的眼睛之前需要穿過一層一層的神經細胞才能到達感光細胞。除了需要經過層層阻礙，這種設計也會導致感光細胞要讓出一個空位給神經細胞從眼球離開，而讓出的空間即為盲點，也就是眼睛感知不到光線的地方。

章魚先生的眼睛結構，跟人不一樣！

章魚先生的眼睛設計即為剛剛提過的完美方案：首先光線可以無障礙的“直達”感光細胞，感光細胞再把訊息傳給較深層的神經細胞，神經細胞再將訊號傳給大腦處理影像，整個訊號就從最外層的感光細胞一路傳到最深層的大腦處理器。所以章魚先生眼中的神經細胞就不需要感光細胞的“讓位”，接收到感光細胞的訊號後就可以默默的離場，繼續接下來的傳遞工作。所以章魚先生的眼睛也就沒有盲點這種構造，這能讓他的感光細胞可以無死角的感光！如此有效率的擺設，讓人類的眼睛淪為悲慘的瑕疵品。

為了讚歎如此效率的設計，這裡再次簡單的闡述人類與章魚先生的差距。人類眼中的擺設由外到內為：神經細胞 → 感光細胞 → 大腦，感光細胞接受到光線後需要傳訊號給神經細胞，而神經細胞要傳訊號給大腦時，感光細胞由於在兩者之間，所以就必須讓出位置給神經細胞通過，這個被讓出的位置，就沒辦法塞入感光用的細胞，導致人類盲點的出現。然而章魚先生眼中構造的排列由外到內為：感光細胞→神經細胞 → 大腦，感光細胞可以自在的接收光線，傳訊號給神經細胞後，神經細胞也可以自在的離開眼睛直通大腦。

有盲點的眼睛真的比較殘嗎！？

眼睛的盲點區域是接收不到光線，也看不到成像的，但是，在我們的日常生活中，怎麼都沒注意到自己眼睛原來有盲點呢？這是因為我們這一雙明亮的眼睛，平常日常生活中看到的世界，很大部分都是重疊的，所以兩顆眼睛能互相幫助對方，補足對方看不到的盲區，讓我們的視野完整，完全感受不到盲點的存在。

那麼我們要怎麼去體會盲點呢？

你可以做個有趣的實驗：首先在紙上畫上兩個距離為 10cm 的十字架。然後把左眼閉起來，用右眼去看左邊的十字架，慢慢把紙貼近你的眼睛，過程中你會發現原本在右邊的十字架會“憑空消失”！會有這個現象是因為你的眼睛有盲點，感光神經需要“讓路”給視神經，導致有些地方的光線是感知不到的，所以才導致你沒辦法觀察某個地方的視線。做完實驗的你，可能會嘗試單眼去看看周遭，但是一樣無法發現盲點。那是因為我們強大的大腦很擅長“腦補”，會嘗試腦補我們盲點的區域，讓你擁有一個完美的視野，所以除非是故意去測試或挑戰它，不然平常生活中是很難捕抓到盲點的存在。

人類靈魂之窗的謎底揭曉！

那麼，為什麼人類的眼睛不好好的設計成章魚的眼睛呢，無死角的感光細胞不是很好嗎？

其實人類的感光細胞為“高配版”的感光細胞，如此高檔的感光細胞，讓我們能辨識更多顏色以及各種細微的邊邊角角。如此高配的感光細胞相對來說，需要很龐大的操作步驟，所以人類感光細胞的底層還有一層色素層細胞 – retina pigment epithelium。這種細胞即為感光細胞的管家，能夠幫忙感光細胞分擔其他事物，讓感光細胞能專注於高效率的感光，也讓光線處理的品質達到最優化。故人類的感光細胞要卡在眼球的最深處主要是為了優化感光細胞的品質，從而安排了一個“管家”細胞給感光細胞。

那麼為什麼章魚先生沒設計成高配版的感光細胞呢？這是因為章魚先生處在的環境為海底，在海中的光線很少，如此高配耗能的眼睛對於章魚先生是一個沒什麼用途的功能。此外，章魚先生的眼睛長在兩側，萬一有盲點，兩顆眼睛沒辦法互相代償，會使到他們看到的視野會有視野盲區，這對於身處於弱肉強食的世界來說，是相當致命的存在。所以章魚先生的眼睛寧願選擇低配版無死角版本的眼睛，去看看低配版的美麗世界。

綜上所述，其實人類的眼睛沒有裝反啦~人類的兩顆眼睛很靠近，所以可以互相補償對方看不到的盲點哦！作為盲點的交換，人類獲得了“高配版”的感光細胞，進而獲得了一個不愧於靈魂之窗的高配版眼睛。所以要好好的愛護自己高配版的眼睛哦！

資料來源

1. Boulton, M., Dayhaw-Barker, P. The role of the retinal pigment epithelium: Topographical variation and ageing changes. Eye 15, 384–389 (2001). https://doi.org/10.1038/eye.2001.141