便意：在有所感受時，排泄行為已經開始－－《圖解超級身體系統》

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

歡迎來到羞羞物理學的領域

編按：本書作者專攻（？）肛道聲學（研究產自屁股、引發聲響的力學波）與括約肌專屬之流體力學，研究穿越肛門的氣體與液體移動。接下來有不少關於肛門與括約肌的討論，請做好心理準備。作者表示：「就一個沒念過醫學院的人而言，我研究過的肛門圖表應該是世界上最多的。」

聲音來自能製造許多壓力波的振動。人類只能聽見每秒發生一定次數的波動（頻率），範圍特別是介於每秒二十次的重低音（20Hz）和每秒兩萬次的極高音（20KHz），因此，一顆屁要被聽見，必定來自振動頻率在此範圍的某種東西。這東西就是你的肛門，說得更明確點是你的直腸外開口，由肛門內括約肌與肛門外括約肌這兩組環形肌肉牢牢控制著。氣體在直腸這處氣體與糞便儲存槽裡累積時，壓力隨之累積，你會感覺到屁意或便意，因為有一組輕巧細微的機械式受器會傳訊息到大腦，說：「留意後頭，朋友，大條的要來了。」

這些知覺很靈敏，因此你通常可以分辨是屁還是大便。當你決定放鬆肛門外括約肌時（肛門內括約肌是你無法控制的，只有外括約肌在你掌控中），受擠壓的氣體就能衝開一個小漏洞，穿過肛門。

但，為什麼屁氣釋放時肛門會振動，發出那要命的呸呸氣音呢？好，這是因為壓力與摩擦力的緣故。情況是這樣，括約肌打開一點縫隙讓屁出來，但就在氣體移動時，氣體也在屁流過的同時將肛門括約肌吸回來，部分是因為流速快使壓力降低，部分是因為氣流沿著括約肌周圍繞出，還有部分原因是有洞開啟，直腸裡的壓力稍微下降。因此洞會短暫關閉，但幾乎在關閉的同時，壓力又多一些，再度把洞推開，降低壓力後又關上，如此反覆形成快速打開又關上的動作。當這打開又關上的重複動作每秒發生至少二十次，恭喜中獎，你製造了在聽覺範圍內的長串壓力波，獲得一顆屁了！從這裡開始就會談到流體力學^＊。很神奇，對吧？

所以，直腸內高壓與屁從肛門衝出瞬間所創造的低壓進行對抗，打造出響屁。

在屁流出時縮緊或鬆開括約肌也能讓你改變屁的響聲──將屁眼擠得愈緊，音調就愈高，因為這樣會增加直腸裡的氣體壓力──而括約肌愈緊，孔洞愈小，振動就愈快。

看來有點兩難是吧？將括約肌鬆得太開有可能會洩出一點便便（一般稱為水屁），而更糟的是完全不放屁。括約肌真是不聽話。

藉由控制括約肌，你可以創造娛樂效果，也能維繫自己與心儀對象的關係。比方說，如果天還沒亮你就驚醒了，感覺有股大砲即將引爆，可是又不想吵醒枕邊人，請先為空氣撇條做好準備，在氣體即將出來時，就把兩瓣屁股盡量掰開，這樣括約肌篤定張開著，無法振動產生那熟悉的刺耳聲，你的直腸氣逸出只會帶著潛力被浪費掉的一絲咻咻嘆息，你的床伴依舊無知是福的安然熟睡（當然啦，還得看看它荼毒嗅覺的程度）。後續氣流當然也要小心，但多數練過的放屁人都有辦法好好收尾的。同樣的情況，如果已經早上七點，太陽晒到你伴侶的屁股上了，請將自己屁股與括約肌收起，像琴弓一樣繃緊，再用全力一洩而出，早安！

放屁的白努利定律／寬德效應

丹尼爾．白努利（Daniel Bernoulli，1700-82）是瑞士物理學家兼數學家，出生於苛薄善妒又工於心計的科學世家。他在力學研究中的數學應用這方面特別有天分，以白努利定律聞名後世，該定律描述流體力學中的能量保留現象。聽起來很無聊，實際應用卻很有趣，這是汽車汽化器運作的基本原理，可能也解釋了屁在不同情況下會以不同壓力與速度行進的現象。

白努利定律是這樣的：在運動的流體中，流動速度高的點承受壓力比較小。

據稱能表現這個運動現象的典型科學演示就是讓乒乓球在吹風機的氣流中漂浮，或者我個人偏愛的做法是，用吹葉機讓沙灘球飄起來。有不少物理學家爭論這現象究竟與白努利原理相關，還是寬德效應所致，不過利用紋影光學（Sschlieren optics）這種漂亮的視覺呈現技巧來分析球體周圍的氣流，可以清楚顯現球離開中央氣流，移向一旁，和噴射器中間較快的氣流相比，外側氣流速度較慢，球正被吸－與推－回到中間。白努利原理適用於封閉系統，但是在這個例子也行得通。

屁也一樣，當它衝出括約肌時會產生低壓，將括約肌吸回關閉位置，括約肌之前打開放出屁時，壓力暫時減弱也有關係。

羅馬尼亞工程師寬德（Henri Coandǎ，1886-1972）當兵表現糟透了，幹工程師的工作則特別優異，自稱他製造的寬德 1910 是史上第一架噴射機（不過他同事及當時的人都不相信那是史上第一架）。他在空氣動力學下了功夫，發現噴射的流體傾向於貼緊在浮凸表面上，形成低壓區域，這個結論被稱為寬德效應，這是另一個，或許講得更好的一個，能用來說明為何海灘球會漂浮在氣流中央的基本原理。如果球飄離主要噴射氣流，外側氣流速度較慢，擾流也多（壓力較高），而在氣流中央的球體凸面上的空氣流速比較快（壓力較低），這樣一來，球會被吸（與推）回中央。挺複雜的，但相同的壓力變化也可能在你的括約肌邊緣上演。

如何建造由吹葉機驅動的超大響屁？

小事一樁。首先你需要巨大括約肌。

1. 從水槽下拿出橡膠手套，或者去買直徑一公尺的氣球（用這個特別適合）。如果是用手套，切掉手指與拇指部分，只留下手腕處的橡膠袖套。若是用氣球，就將氣球橫向切半（也就是不要縱切，不要切到吹口部分）。
2. 拿到吹葉機後要小心，這玩意兒可以變得很危險。絕對、一定、萬萬不可朝著自己的臉。
   只要有一丁點砂石被吸進去，就可能毀掉你的眼睛。切記別這麼做。
3. 把手套或氣球最細的一端拉開、套上吹葉機，用強力膠帶封好固定住。
4. 戴上耳塞，或者戴著耳機，然後請朋友拿著吹葉機，自己以雙手抓好手套或氣球鬆開的那一端，將它拉住、張開以做好準備，站在它的某一側，別讓吹口對著你。
5. 現在大聲叫你朋友啟動吹葉機，當空氣通過吹葉機暴衝而出，可拉著、鬆開這括約肌來調整聲音，從劈里啪啦響亮高音到恐怖片級女妖鬼叫，各種屁聲都行。
6. 痛快地玩吧。

＊ 給某些物理達人讀者。流體力學有個關鍵原理稱為白努利定律：流體速度增加時，壓力會降低。但是，任何能力還不差的工程師都知道，這只適用於流線（流體在力場中的流動線條）當中。麻煩的是，一旦你的屁通過肛門內括約肌，到達肛門外括約肌並逸出成為開放狀態，要確定流線實際上的位置就變得複雜了。

本文摘自《一顆屁的科學》，2019 年 7 月，時報出版。