夏普誕辰｜科學史上的今天：12/25

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

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

每個人都有自己的特長，有些人擅長理工科，有些人則有著藝術天份。但擅長一件事並不僅僅取決於天賦，還可能與個性、興趣或生活經歷有關。今天我們要介紹的主角就是一個很好的例子。他不僅是電報的發明家，消除了空間的隔閡，讓遠方的人們能瞬間被拉近，從這個角度來看，他是一位科學家、工程師。但其實他還有另一個身分，是一位偉大的畫家。沒錯，他就是山謬．摩斯（Samuel Morse）。

摩斯發明了電報，徹底改變了通信的速度，將全世界緊緊地拉在一起。不只如此，就像現在流行短影音，大家就會想辦法把內容擠在很短的時間內說出來。電報發明後，為了要讓訊息能有效被傳遞出去，人們的溝通方式也因此轉變。史學家 Garry Will 就認為電報因為不能傳太多字，這種強制性的簡潔，影響了林肯的演說風格，他著名的《蓋茲堡演說》簡潔有力，就是一個最好的例子。

一個偉大的發明，連副作用都這麼強大，改變了人們的溝通習慣。摩斯的成就不僅是在科技領域，更是在影響人們的文化和溝通方式上留下了深遠的影響。

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1839年，惠斯登（Charles Wheatstone）和庫克（William F. Cooke）在英國建造了世界上第一條商用電報線路；約莫同時，美國的摩斯（Samuel Morse）也和維爾（Alfred Vail）發表其電報系統。自此以後，歐洲與美國各地紛紛沿著現成的鐵路，在城市與城市間架起線路。陸上的電報網迅速成形，但海洋卻是一大阻礙。

約過了十年，「盎格魯－法國電報公司」（Anglo-French Telegraph Company）總算在1850年8月拉了一條電線橫越英吉利海峽。不過這不算是第一條海底電纜，因為他們想得太天真了，竟然只用一般的漆包線，完全沒有外殼保護，因此沒幾天就損壞了。1851年11月13日，世界第一條海底電纜才終於鋪設完成，穿越英吉利海峽將英國與法國連接起來。兩年後更多海纜從英國拉往愛爾蘭、比利時與荷蘭。

橫越大西洋的洲際海底電纜則困難許多。1858年的第一條海纜也是不到一個月就毀損，直到1866年才克服技術問題，成功鋪設連接倫敦與紐約的電纜。至於台灣的第一條海底電纜，是劉銘傳以「孤懸海外，往來文報，屢阻風濤」為由，奏請清廷鋪設獲准，而於1887年鋪設了淡水至福州的海底電纜，這也成了中國第一條海底電纜。

電報內容力求簡短，因此不過是兩條銅線的電纜已足以應付，但要拿來講電話卻不適合，因為一人佔線，其他人就不能用了。第一條電話專用的洲際海底電纜直到1956年才完工，連接蘇格蘭與加拿大，可同時容納36通電話。自1980年代實用的光纖發明以後，海底光纜逐漸取代海底電纜，提供更大的國際頻寬，也才有如今網際網路的普及。

海底電纜從最初的發送電報之用，只能傳送文字；到讓地球兩端的人可以講國際電話；再進化到現在，各種型態的資訊內容經由海底光纜串起世界各個角落，每個階段都發揮了大幅縮短世界距離的功能。如今海底光纜已經是全球網路不可或缺的重要骨幹，默默的隱藏在大海底下，繼續盡責的撐起這個網路時代。

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。

如果你來到十九世紀初的巴黎郊外，很有可能看到有如宮崎駿電影中機械時代的奇景：原野上一幢孤立的建築物上豎起高高的柱子，頂端一根4.5米長的橫樑，橫樑兩端各有一支2米長的懸臂。突然兩支懸臂動了起來，各自慢慢轉到特定角度後才停下來。隨後十公里外一座類似的高塔立即模仿它的動作，接著更遠的一座也如法泡製，如此一路下去。像是站崗的機械巨人平舉手臂，用擺動小臂來傳遞訊息。

沒錯，這正是法國發明家夏普發明的傳訊塔，在電報還沒發明之前，就能迅速將訊息傳送到遠方，是史上第一個實現遠距傳訊的通訊系統。事實上，電報 (telegraph) 這個字就是他此時所創，代表遠距 (tele) 書寫 (graph) 之意。

雖然自古即有狼煙，但狼煙只能傳達幾個事先約定好的暗號，效用相當有限。傳訊塔的懸臂可以像時鐘指針那樣旋轉，夏普平均劃分成八種角度，各相隔45度。因其中一個角度會被橫樑遮住，所以每個懸臂有七種角度，再加上橫樑本身可以左上右下或右上左下，所以一共有98種不同組合（7 x 7 x 2）。你可能會覺得奇怪：字母加上數字也不沒這麼多個啊？這是因為當時傳訊塔只有軍事用途，總不能讓每個人都能輕易看出軍事情報的內容吧！因此夏普賦予它們不同代碼，再對照代碼表查閱所代表的意義。

1791年3月2日，夏普兄弟在政府官員面前成功用傳訊塔傳遞了一則訊息。此時被法國大革命趕下台的皇室得到鄰國出兵支持，國會為了打贏戰爭，指派夏普趕緊建造。於是夏普自1792年夏天開始建造，先從羅浮宮到里爾 (Lille)，二百公里的距離布署了15座塔。雖然第二年法軍即打敗普奧聯軍（當然是由傳訊塔率先傳回勝利的消息），政府仍繼續擴建通訊網路，最後建了556個站，總長度達四千八百公里。歐洲各國也紛紛仿效。

不過夏普沒能看到這樣的榮景，他在1805年就投井自殺，據說是因為被指抄襲軍隊原來就有的旗語而想不開。他發明的傳訊塔也沒存活太久，到了一八四○年代電報興起後，就完全被取代而荒廢了。

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。