第一顆人造衛星發射升空｜科學史上的今天：10/4

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

• 撰文／陳子翔、林彥興

全新的太空時代已經揭開序幕，不同於上一次太空競賽時期，如今的太空發展不再是大國政府限定專利，隨者商業潛力的成長近年民間太空產業蓬勃發展，成為吸引創新思維和專業技能的重要領域。在太空產業充滿機會的新時代，RunSpace 太空創新無限挑戰也在去年正式開辦，為台灣太空新創注入能量！

RunSpace 是經濟部產業發展署太空計畫的一環，是一項沒有參賽資格限制，不限專業領域背景，不論是學生還是社會人士都可以報名參加的太空提案競賽。參加者除了提案參與競賽之外，也會在主辦單位舉辦的 Space Bootcamp 訓練營中提升實力，並與其他團隊互相交流。

邁入第二屆的 RunSpace，這次收到了比去年更多優秀且富有創意的提案。最終，三支團隊從決賽脫穎而出，冠軍與亞軍分別由「3Q」與「太空藥局」團隊奪得，而「Project Subsidium」則同時獲得季軍與企業最愛獎。

冠軍隊伍「3Q」提出以電子膠帶實現智慧溫控，降低衛星開發成本

電子紙是一種耗電極低且不需背光的顯示器技術，常見的應用包括電子書閱讀器、公車站牌到站資訊等等。但你有想過，這樣的技術居然也可以應用在太空中嗎？本次冠軍團隊「3Q」，提出名為「ASTRID」的可變色電子膠帶。利用電子墨水技術，它能像是烏賊的身體一樣根據環境改變顏色，調整衛星表面的吸熱放熱效率，從而實現衛星的智慧溫控。

團隊負責人蘇惟思指出，衛星在太空中運行時，其中一面會受到高溫陽光照射，另一面又面向寒冷太空，同時內部的儀器自身也會產熱，因此唯有做好熱控系統，才能維持衛星運作，而散熱器（Radiator）正是衛星熱控系統中重要的一環。傳統上，衛星製造商往往要根據每個衛星的大小、運行軌道與內部儀器的需求，去設計出不一樣的散射器以滿足溫控需求。但若使用 ASTRID 電子膠帶，即可不用針對每個任務重新設計散熱器的形狀、大小與位置，而是透過改變散熱器表面的顏色，去滿足不同熱控需求，如此一來就能大幅降低衛星開發的時間與金錢成本。

蘇惟思表示，ASTRID 技術的構想與測在他大學就讀太空工程系時就已經開始，今年初他以這項技術在美國成立新創公司 SQUID3 Space，目前也正積極的進行募資與尋找潛在客戶，這次參與 RunSpace 競賽獲獎，也對投資者來說有一些加分效果。

最後，蘇惟思分享了寶貴經驗，為未來有志投身太空創新創的人提供建議。首先，他強調不要害怕在競賽中失利，或是被投資者、客戶回絕。去年他也有參與第一屆 RunSpace，而當時連前三名都沒有拿到，但不放棄繼續嘗試才有機會有好的成果。他還分享了曾有人告訴他：「如果創業期間，一週內沒有被客戶或投資者拒絕超過一次，就代表你不夠努力。」

他也提到在創業過程中，許多工程師容易犯一個錯誤，即先開發產品，然後再尋找客戶。在做專題或研究時，開發自己想做的產品，解決自己有興趣的問題是可行的方向，但是在​​創業上不要只埋頭於自己的專案，而沒有先暸解市場的需求。

冠軍得主3Q團隊，在展覽攤位上以遠距視訊的方式與參展者互動，介紹 ASTRID 的相關資訊。

亞軍團隊「太空藥局」提出太空方舟製藥，期望開拓太空市場新藍海

RunSpace 是太空主題的競賽，但這並不意味只有航太與工程背景的團隊才能參加。亞軍團隊「太空藥局」就是來自生技產業，他們提出名為「太空方舟」概念，希望未來只要攜帶簡易的裝置和材料，就能在太空中生產人類生存所需營養素與藥品，滿足長時間太空旅行的需求。

團隊說明，太空方舟的構想是將人體所需的營養或藥物基因保存在經設計過的細胞中，並在需要時使用這些細胞來生產這些營養素與藥物。這樣一來，在資源與空間有限的太空旅行中，可以用很小的空間與循環資源實現永續生產，太空旅行所需的營養素將不再需要全都從地球發射升空，而是在太空船上實現自給自足。

這次 RunSpace 的提案中，太空藥局以蝦紅素為例，團隊指出蝦紅素是天然超級抗氧化劑，對於太空中長時間逗留的太空人有助於抵抗輻射、保護皮膚、減緩老化和降低罹癌風險。目前傳統蝦紅素的取得方式主要仰賴捕撈磷蝦，或是透過大量土地面積養殖藻類取得，但這兩種方式都需要使用地球上的資源，無法在太空生產，而且也容易對生態造成破壞。

因此，太空方舟成了理想的解決方案，既實現太空環境下永續生產，也提供一個耗費資源更少、更環保的生產方式。同時太空方舟的技術還可以用於保存重要的營養與藥物生產基因迴路，提供資源安全性的策略，應對氣候變遷和戰爭等風險。

同時隊長也分享了團隊進入太空產業的想法，他指出太空旅行需在有限的空間與資源下，循環生產足夠人類長時間生存的物資，而台灣的環境其實也與太空旅行有相似之處。台灣沒有廣大的土地與豐富的天然資源，也因此太空方舟不僅是針對太空旅行的藥品、營養品的生產方案，也是未來台灣可以採用的永續生產方式。

此外，團隊認為生物科技本來就是台灣的強項，非常有潛力可以應用在太空需求，且在太空產業中，生醫領域相對於火箭或是衛星領域還是個藍海，有很多商業與技術發展潛力，值得台灣投入。

季軍隊伍「Project Subsidium」提出太空無人機 EVAid，打造太空漫步萬能助手

本屆季軍得主則是 Project Subsidium，團隊的兩位成員皆是台科大在學學生，並分別來自電機系與建築系。他們提出了名為 EVAid 的小型太空無人機，旨在成為太空漫步的萬能助手，協助太空人太空漫步的工作進行與活動紀錄拍攝。除了奪下季軍之外，這項提案也獲得了本屆中華電信企業最愛獎的肯定。

Project Subsidium 團隊表示，這個特殊的團隊名稱取名靈感來自 NASA 的太空探索任務，因 NASA 多採用與任務內容或精神有關的一個英文單字為太空任務取名。團隊也笑著說，在斟酌要使用哪個英文單字後，他們覺得使用拉丁文感覺更酷更有趣一些，而＂subsidium＂則是拉丁文協助的意思，呼應 EVAid 太空無人機能提供太空漫步協助的目標。

EVAid 外觀呈現四面體，每個端點裝有離子引擎，並在表面設有太陽能板。EVAid 的一大特色是模組化的設計，讓它可根據不同的需求，去設計不同模組安裝在擴充接點上。比如裝設攝影機、燈光、工具架甚至是機械手臂，滿足太空人艙外活動時拍攝、照明、放置工具的需求。由於其自帶推進器，因此 EVAid 也可以成為太空人的移動工具，或是接上太空站的艙體協助移動太空站組件。

即便成員都不是航太背景，Project Subsidium 團隊認為，太空產業要深入可以非常專業，但在網路資源豐富的現代，一些涉及範圍比較廣的題目，只要有心其實也是每個人也都可以嘗試，也會有自己的專業派上用場的地方。例如在控制系統和無人機相關知識，就與電機系所學相關，而建築系的專長則在設計圖繪製會模型製作上派上了用場。

團隊也分享了以學生身份參加 RunSpace 過程中遇到的一些小挑戰，像是在參賽過程中還是要顧及學校課程與考試，成果發表與頒獎的時間也很不巧的正好是期中考週。另外他們也提到，暑期團隊成員分隔兩地，也有遠距工作與溝通的問題需要克服。

最後，Project Subsidium 團隊分享了這兩年參與 RunSpace 學到的寶貴經驗，他們表示不需要一次就試圖做規模龐大，想要＂Do Everythig＂的專案，而是要考量商業可行性。在類似 RunSpace 的競賽中，明確的目標和可行性分析至關重要。

季軍得主 Project Subsidium 的作品 EVAid 模型展示，端點為離子引擎的噴嘴，中間的圓形處則是與其他模組相接的接點。

2023 RunSpace 太空創新無限挑戰圓滿落幕，而下一屆的 RunSpace 預計將邀請更多國際上的太空科研單位與業界團隊加入策略夥伴，同時讓更多國際上的團隊報名參賽，共同推動太空創新，也讓 RunSpace 成為更加國際化，主題多元的太空盛事！

太空人約翰・葛倫與相機的相遇

1962 年冬天，水星任務太空人約翰・葛倫在一間藥房買了一部安斯可全自動（Ansco Autoset）相機。儘管這部相機出身平凡，卻成了葛倫的得力助手，拍下了第一張人類從太空中拍攝的彩色照片。

一開始，葛倫的軌道任務並不包括拍照。飛行任務中指定使用的相機，是為了科學研究而配置，不是為任務做記錄，而且 NASA 認為，太空人拍照會干擾水星計畫的工程學目標。在美國第一次載人太空飛行時，並沒有手持相機的選項，尤其艾倫・薛帕德的自由 7 號太空艙根本沒有為飛行員設計的窗戶。

雖然到了水星任務的第二位飛行員高斯・格里森時，NASA 為他的自由鐘 7 號（Liberty Bell 7）安裝了一面梯形的窗戶，他的任務還是不包括攝影。但是葛倫相信，把太空飛行的冒險和世界分享是非常重要的，而且照片「有助於為看照片的人轉譯太空人的經驗」。

他向休士頓的載人太空飛行中心（Manned Spaceflight Center），也就是後來的詹森太空中心（Johnson Space Center）主任羅伯特・吉爾魯斯（Robert Gilruth）提出請求，後來得到允許。

任務之前，葛倫去佛羅里達州的可可海灘（Cocoa Beach）理髮，之後在附近的藥房看到一部相機，他進去把相機拿起來看，注意到它有全自動曝光功能， 表示使用時不需調整相機，可以為短暫的任務省下珍貴的時間和專注力。這部相機除了當時最先進的功能，還有簡單、易於使用的設計。他花了 45 美元買下這部相機，帶回 NASA。

「一天之中看到四次美麗的日落，那真是無可言喻的感覺。」

──約翰・葛倫（JohnGlenn），在友誼7號飛行之後

相機的改良

因為葛倫必須穿太空衣飛行，會有厚厚的手套和魚缸型的頭盔，因此相機必須適當改造。美國無線電公司（RCA） 的一位承包人，綽號「紅」的羅蘭・威廉斯（Roland “Red” Williams）很快製作出槍把式控制握柄，把相機上下顛倒， 讓握柄和相機的過片桿和曝光鈕相連。

這個握柄讓葛倫用一隻手就可以拿相機拍照。然後威廉斯又在新的相機「頂上」加裝了拍立得（Polaroid）的觀景窗，讓葛倫拍攝地球時不受頭盔影響。

1962 年 2 月 20 日，約翰・葛倫乘著巨大的擎天神號（Atlas）火箭進入地球軌道，同時帶著安斯可和另一部徠卡（Leica）相機。他成為繼其他水星任務夥伴的次軌道飛行後，第一個在地球軌道上飛行的美國人。

葛倫用安斯卡相機作為白天或拍攝地平線景觀的傻瓜相機，而徠卡相機則安裝了光譜鏡片，用來拍攝獵物座的紫外線影像。在微重力環境中，安斯卡相機運作得相當成功。葛倫後來回憶：「我需要用到兩隻手時， 就放開相機，讓它飄浮在我面前。」

雖然葛倫的照片傳遍世界各地，卻沒有達到後來阿波羅任務太空人照片的標誌性地位。要等很多年後，NASA 才開始重視太空影像的大眾傳播。因為NASA 官員把攝影視為工程記錄和科學研究的手段，所以遲遲沒有把照片視為早期飛行計畫的重要部分。

本文摘自 大石國際文化 《重返阿波羅》