便意：在有所感受時，排泄行為已經開始－－《圖解超級身體系統》

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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。

控制便意的肌肉，排便時的姿勢

抓緊便意行動就能遠離便秘

你排便順利嗎？有便意的時候，通常能馬上去廁所嗎？如果不知不覺錯過去廁所的時機，便意就消失了，下次的便意又遲遲不來。長期如此，就是造成便祕的原因。如果我們能了解「便意」的機制，應該就不會再忍便了。

身體的事就是這樣，即使是自己的身體，也經常無法順自己的意。有時偏偏在不湊巧 的時候提出自我主張，最具代表性的例子就是「便意」吧！

不用說，便意就是身體發出「想要排便」的信號。順暢排便是健康的基礎，有正常的便意是好事。雖然明白這個道理，但現實上，有時候也會希望「現在不要」……。

「但是，也有很多人為好幾天沒有便意、便祕而煩惱。希望大家在便意出現時，都能鄭重處理。」社會保險中央綜合醫院大腸肛門中心部長山名哲郎說。

便意出現的時候，排泄行為已經開始了

大腸是在腹部環繞好幾圈的管狀臟器，長約 1 ~ 1.5 公尺。將吃進的食物仔細消化、吸收營養的功能，在之前的小腸階段已大致完成，來到大腸的內容物，基本上是已經沒有營養的殘渣。

大腸的開端在右側腹下方。「這個階段的內容物水分還很多，幾乎是液狀的。」液態的糞便在大腸開端的部分來來回回，水分在此過程中被吸收，漸漸形成固體，慢慢往前進。

靠近出口處，糞便已經形成香蕉狀。目前為止都是我們意識不到的自動化程序。完成的糞便到達直腸後，情況會改變。「直腸周圍有許多感受器，可以感知糞便的到來。感受器傳送信號到大腦，我們就感覺到便意了。」

說得詳細一點，因為來自感受器的信號在中途分成兩組，一方往大腦傳送，另一方則在脊柱（骶髓， sacral spinal cord）做 Ｕ 型轉彎，前往關閉肛門的肌肉，使肌肉放鬆。

但如果馬上放鬆，可是相當不妙啊……。

「沒問題的。關閉肛門的括約肌有兩層，這個階段放鬆的只有內層，外層是由自我意志控制，可以忍耐。」

原來有兩層，一層是自動放鬆的肌肉，一層是以自我意志控制的肌肉。這意思是說， 在感到便意的那一刻，括約肌已經有一半鬆弛了吧？

「雖說是一半，但關閉肛門的力量約八成是由內層括約肌來擔負。就某種意義來說，感到便意之後，排泄行為已經開始了，所以最好盡可能馬上去上廁所。」

山名部長表示，如果一直忍耐，便意不久就會遠離，當忍耐變成習慣之後，就會漸漸感受不到便意，形成便祕。對於身體所發出的聲音，老老實實遵從是最好的方式。

保持「前傾姿勢」不需費力就可排便

不過，還有一種肌肉可以阻止即將排出的糞便。

「環狀的恥骨直腸肌能將直腸往前牽引。忍耐便意的時候，恥骨直腸肌就會努力收縮，使直腸彎成ㄑ字形。」

在恥骨直腸肌與括約肌的雙重作用下，大便能夠被忍住；不過一旦要排出時，恥骨直腸肌就有點變成障礙了。

「在恥骨直腸肌的運作之下，平時直腸幾乎都彎曲成直角，角度如果不放大，就很難順利排便。」

放大直腸角度的方法很簡單，只要在坐在馬桶上時，將上半身前傾即可。「用蹲式馬桶或許比較能自然形成這樣的狀態。」

排便太用力會增加內臟和肌肉的負擔，據說是有危險性的。以「不用力也可以排便的姿勢」，順暢排便吧！

本文摘錄自《圖解超級身體系統：6大自然健康法則集結46位醫學人士專業研究》，風和文創出版