電腦病毒首度公開亮相｜科學史上的今天：11/10

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

在現代社會，網路已經跟電力、自來水一樣成為不可或缺的生活必需品。不過，連上網路雖然也跟打開電燈開關與水龍頭一樣方便，但網路的資料傳送方式可不像電流或水流那樣；它之所以能無遠弗屆，全賴當初就讀麻省理工學院計算機科學博士班的克連洛克（Leonard Kleinrock, 1934－ ）所提出的革命性概念。

事實上，網路遠比個人電腦還早出現。早在1950年代末期，大型電腦主機就開始透過電話線彼此傳送資料，但這種方式每次只能跟一台電腦相連，而且就占掉骨幹中的一條線路，影響整體的使用效率；這就像高速公路的車道都畫了雙黃線，而且一旦有台車開進來，這個車道就不准再有別人使用。

克連洛克於1962年的博士論文中提出封包（packet）的網路架構與數學理論。基本上就是將資料切割成一個個小小的封包，每個封包上都有目的地地址；然後用分封交換機取代傳統的電話交換機，並且將高速公路的雙黃線取消。分封交換機會根據封包上的地址與車流量，將封包打散到各個車道，封包可以中途變換車道，甚至改走另一條公路；同屬一個檔案的眾多封包就這麼殊途而同歸，抵達目的地。

分封交換機除了讓網路效率更高、可以多台電腦連線，網路還更堅固安全。因為傳統電話交換機只要作為樞紐那幾台壞掉，所有電腦就可能無法彼此連線，而分封交換機卻是分散式的，封包可以到處四竄，幾個節點損毀也無礙。因此，當國防部「先進研究計畫署」（ARPA）希望打造一個不會因為蘇聯攻擊就癱瘓的網路時，自然採用克連洛克的倡議。

也因此，這個名為ARPANET的網路最先連結的兩個點就是克連洛克任教的加州大學洛杉磯分校，與「滑鼠之父」英格巴特（Douglas C. Engelbart）所在的史丹佛研究中心。1969年10月29日晚上10點30分，在克連洛克的注視下，他的學生克萊恩（Charley Kline）慎重地按下要送出的訊息：”login”，不料只按了頭兩個字母就當機，一個小時後才又修好。因此”lo”就成為ARPANET傳送的第一個訊息。

ARPANET連結美國國內越來越多單位的電腦；1975年，經由史丹佛連結英國的網路，名符其實地成為internet；而今internet已經盤根錯節，無所不在了。ARPANET於1990功成身退，但若溯流求源，1969年的今天，應該算是internet誕生之日吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

1983年的今天，賓州理海大學（Lehigh University）的電腦安全研討會上，剛從南加大拿到博士學位的柯恩（Fred Cohen, 1956－　）向台下聽眾展示手上的磁碟片。他向大家解釋裏頭有自己所寫的一段小程式，它隱藏在一支合法的Unix程式之中。接著他將磁碟片插入台上的迪吉多電腦主機VAX-11/750，五分鐘之內即取得系統的控制權。

柯恩告訴大家這種小程式叫「電腦病毒」，因為它可以感染電腦，複製自己，並且散佈到其它電腦。柯恩又做了四次試驗，證明電腦病毒可以繞過當時的各種安全機制，平均不到半小時就成功取得控制權。

這是人們第一次目睹電腦病毒的強大威力與潛在威脅，電腦病毒這個名詞也自此成為此類程式的統稱。事實上，柯恩在幾個月前的博士論文就描述了這一切，正是他的指導教授阿德曼（Leonard M. Adleman, RSA加密法的三位發明人之一）建議他使用病毒這個詞。

不過若不考慮危害性，更早之前就有自我複製並散佈到其它電腦的實例了。1971年，參與建置ARPANET（internet的前身）的BBN技術公司為了測試，由程式設計師湯瑪斯（Bob Thomas）寫了支程式，感染網路上的迪吉多PDP-10電腦，在螢幕上顯示「我是偷窺者，有本事來抓我！」（I’m the creeper, catch me if you can!）。

之後再由另一位程式設計師湯姆林森（Raymond Tomlinson）放了另一隻叫「收割者」（Reaper）的類似病毒，但它的作用是找到「偷窺者」病毒，將它刪除；因此「收割者」算是第一個解毒程式。順帶一提，正是湯姆林森制定電子郵件在網路上的傳送方式，「個人帳號@電腦主機」就是由他制定的。

以個人電腦而言，最早的病毒出現在1982年，一位15歲的高中生Rich Skrenta寫了個名叫「麋鹿複製者」（Elk Cloner）的程式，隱身在遊戲程式中，只要曾用這張磁碟片開機，病毒就會常駐在電腦的記憶體中，繼續感染之後插到這台電腦的磁碟片，因此散佈到周遭朋友的Apple II個人電腦。與「偷窺者」一樣，「麋鹿複製者」只會跑出一段打油詩，沒有其他危害。

隨著電腦數量不斷成長，電腦病毒也越來越猖獗，危險性也越來越高。而且正如柯恩當年預言的，並沒有方法可以完全阻擋病毒；在現今網路盛行的時代，更是防不勝防，或許你我的電腦中早已潛伏著電腦病毒，只是我們一直沒有察覺哪！

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

身材修長的英格巴特一路走到舞台上的電腦桌前坐下；其實桌上只有電腦顯示器、鍵盤、滑鼠與 keyset，電腦遠在五十公里外的史丹佛研究中心。顯示器亮了起來，舞台上的大銀幕同步秀出畫面，上面分割出左右兩個視窗，左側是一份空白文件，右側則是遠方同事的即時影像。

英格巴特先示範了文件的輸入、編輯與存取，然後讓遠方的同事一起參與編輯。接著他打開一份老婆交代的購物清單，先讓上面的物品自動依名稱重新排列，接著銀幕出現一張地圖，上頭已標示出購買物品的商店與路線圖。他點選了圖書館，馬上出現一份書單。之後英格巴特仔細講解整個系統架構，包括硬體、軟體與網路，以及未來建構 ARPANET（internet 前身）的計劃，全場觀眾早已為之目眩神迷，演示結束後，會場爆出如雷掌聲，久久不息。

我們現在會覺得這些演示一點也不稀奇，但這可是 1968 年，將近半世紀之前！那是用打孔紙片輸入電腦指令、電腦螢幕只能顯示單色字元、既無滑鼠更無網際網路的個人電腦史前時代，而英格巴特就展示了網路連線、圖形介面、多重視窗、視訊會議、文書處理、協同作業與超文本的整合系統。難怪當場的所有觀眾會被徹底征服，因為這根本是未來世界或是科幻小說才會有的場景啊！1968 年 12 月 9 日的這場演示也因此被稱為「所有演示之母」 (Mother of All Demos) ；賈伯斯日後膾炙人口的演示正是發端於此。

賈伯斯所受的影響不只於此。當時印表機的龍頭全錄 (Xerox) 公司深恐英格巴特的技術普及後，將造成辦公室的無紙化時代來臨，動搖本業，於是在 1970 年成立帕羅奧多研究中心 (PARC) 負責先進技術的研究。恰巧英格巴特的研究預算遭到刪減，旗下的小組成員將技術一起帶進 PARC，於是才有後來的賈伯斯前來參觀，大受震撼而將滑鼠與圖形介面引進蘋果電腦，從此改變了個人電腦的面貌。

是的，天才即是見人所不能見，而先知總是看得太遠，兼具兩者的英格巴特超越時代太多，他所展示勾勒的電腦與網路如何融入工作與生活之中，必須再過二、三十年，當技術、成本、網路等等各項條件都成熟了，才得以一一實現。但他的名字已被埋沒太久，至今英格巴特在人們的心目中仍未得到應有的地位與榮譽。如今人們會以「滑鼠之父」稱呼他，但他的影響與貢獻豈僅止於滑鼠？！正如蘋果電腦的共同創辦人沃茲尼克對他的悼念：「我們現在在電腦上所有的一切都可以追溯到他的發想。對我而言，他就是個神。」

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。