改良蒸汽機的瓦特誕辰｜科學史上的今天：1/19

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

在荷蘭，一個強大的企業正在崛起。多年來，這家公司在一項看似不可能的技術上投入了大量資金，後來終於開花結果。2017 年，ASML 宣布新型的EUV機台為公司帶來逾十億歐元的營收。與此同時，ASML在傳統曝光機系統的市占率已攀升至九成。

有另一家公司正咬牙切齒地看著這一切：日本的尼康（Nikon）。1990 年代以前，這家日本科技集團一直是曝光機的市場龍頭，直到 ASML 橫空出世，一舉顛覆市場，奪下霸主的寶座。不過，當你被趕下寶座時，還有一條翻身之路：告上法庭。

2017 年 4 月，尼康第二次對 ASML 提起專利訴訟，連德國光學大廠蔡司的半導體部門也意外捲入其中。日方指控他們在荷蘭侵犯了十一項專利，同時也在德國和日本提出訴訟。一旦法院做出對尼康有利的判決，ASML 將被迫停止在維荷芬的機台生產。儘管已是市場龍頭，生產禁令的威脅仍再次讓 ASML 陷入存亡危機。不過這一次，ASML 早有準備。

ASML 對 2001 年尼康第一次提出的專利控訴記憶猶新。當年那場突如其來的訴訟，最終在 2004 年以交互授權協議落幕。交互授權協議到期前，ASML 曾多次主動接觸尼康商延展事宜，但日方始終不發一語。

相對的，ASML 對任何與日本競爭對手有關的事物都很排斥。你絕對不會看到 ASML 的資深員工使用佳能或尼康的相機。他們寧可選擇奧林巴斯（Olympus）或索尼——畢竟，日本確實生產全球最好的相機。

ASML 相機專利訴訟

這讓 ASML 當時的執行長麥瑞斯（Eric Meurice）想到一個主意，他自認是超棒的點子。2011 年，就在這位法籍執行長卸任的前兩年，他找 ASML 技術長布令克（Martin van den Brink）提出計畫：一旦日方對曝光機提出任何控訴，ASML 就用相機專利反擊，直攻尼康的痛處。麥瑞斯語重心長地警告布令克：「你遲早會遇上麻煩，必須在他們的主場給予反擊，務必要拿到那些專利。」布令克把這個警告牢記在心。他們需要收購專利，而且最好做得神不知鬼不覺。

company.info 的資料庫顯示，2011 年 10 月，一家名為 Tarsium 有限公司的公司成立。這是 ASML 為了躲避尼康律師的法眼而設立的空殼公司。2012 年至 2014 年間，Tarsium 斥資近一千萬歐元，從惠普、全錄、聯發科、美國專利聚合公司高智發明（Intellectual Ventures）等公司收購數位攝影專利。

2014 年交互授權協議到期後，ASML 聘請了智財權領域專家威廉・霍英（Willem Hoyng）。霍英組了一個二十人的律師團隊。2015 年與 2016 年，調解再度失敗，無可避免的法律戰終於爆發。新一輪專利戰就此開打，尼康於 2017 年 4 月 24 日發起首波攻勢後，ASML 馬上祭出祕密武器。4 月 28 日，Tarsium 把所有專利轉讓給 ASML 與蔡司。同一天，這兩家公司就對尼康提出訴訟。

外界得知反訴竟然是針對相機時，都大感意外，這不是有關微影技術的訴訟嗎？幾乎每週五，律師團隊都按要求來到 ASML 腦力激盪。他們認為尼康並不是真的想讓 ASML 停產：他們想要錢，而且是很多錢。但布令克並不打算讓競爭對手予取予求。

法官要求尼康與 ASML 展開協商，但尼康毫無談判意願：他們想先贏一個案件，再拿這個勝訴當籌碼逼 ASML 支付更多的錢。在荷蘭的前四個案件都判 ASML 和蔡司勝訴，但這還不是慶祝的時候，每個案子都攸關公司的存亡。如今與 ASML 已密不可分的蔡司，更是憂心忡忡。

一年半後，轉機終於出現了。2018 年 8 月，美國國際貿易委員會（ITC）裁定，尼康侵犯了 ASML 與蔡司擁有的相機專利。突然間，尼康的相機部門面臨美國的進口禁令，日方開始緊張了。

蔡司 ZX1 相機跳票內幕

身為 ITC 的申訴方，ASML 與蔡司必須證明他們確實蒙受經濟損失，這表示他們需要在美國市場上銷售一款使用到這些專利技術的相機。2018 年秋天，蔡司宣布推出 ZX1 相機。這是一款搭載定焦鏡頭和大型觸控螢幕的數位相機：全黑機身、稜角分明，內建相片編輯軟體和網路連線功能。還配上一個朗朗上口的標語：「拍攝、編修、分享，一氣呵成」。

這個消息讓業界媒體困惑不解。蔡司上次製造相機，還是底片時代。自從 iPhone 問世後，數位相機的銷量就一路下滑，多數人都用手機拍照。蔡司這時居然要進軍這個式微的市場，這是認真的嗎？

蔡司承諾 ZX1 將於 2019 年初上市，但拒絕透露售價。美國分公司的團隊打造了幾台原型機，蔡司也在科隆的世界影像博覽會（Photokina）上發表了這款相機。發表會場面盛大，員工以熱烈掌聲迎接到場的媒體，彷彿整個潮流完全翻轉。

最終，日方讓步。2019 年 1 月 20 日，尼康、ASML 和蔡司共同宣布達成協議：德荷雙方支付尼康 1.5 億歐元（ASML 占 1.31 億），換取其專利使用權至 2029 年，並同意 ASML 未來每台浸潤式設備支付 0.8％ 權利金，遠低於尼康原本的要求。

2019 年 10 月，空殼公司 Tarsium 悄然消失。至於那款 ZX1 相機呢？只有少數評測人員拿到了原型機。一些影片和部落格讚賞它的金屬鏡頭蓋和無聲快門，還附背帶。但這台相機究竟什麼時候才能買到？

ZX1 始終沒有真正開賣，更遑論出貨。每次有攝影師詢問，蔡司的官方回應都是：「我們對相機的每個細節都力求完美。」故事就這樣結束了。到了 2020 年，蔡司改口說 ZX1 只是一台「概念相機」。

不過，ZX1 也不是完全沒留下蹤跡。布令克在他的辦公室裡翻找出一個白色盒子。盒子正面印著「Zeiss ZX1」——包裝依然完整。他把相機舉到眼前，露出笑容。「全新的，不知道能不能用，我從來沒用它拍過照。」

本文摘自《造光者：晶片戰爭中最神秘的關鍵企業，微影巨人ASML制霸未來科技賽局的崛起之路》，2025 年 09 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

英國在工業革命期間前所未有的飛躍邁進，得以掌控地表一片又一片的領土，建立史上最強大的帝國之一。然而在人類歷史上大多數時候，不列顛群島的居民在財富和教育上遠不及在法國、荷蘭、義大利北部的鄰居；英國只是位於西歐邊陲的落後地方。英國是農業封建社會；政經權力由少數菁英把持；十七世紀初，許多經濟部門經皇家敕令由貴族壟斷。英國因為缺乏競爭和自由企業，被壟斷產業在開發新技術上成果極為貧乏。

英王也像許多其他統治者一樣敵視技術變革，阻撓國家技術進步。有個很著名、也很諷刺的例子，與英國紡織業起步被延誤有關。

一五八九年女王伊莉莎白一世（Elizabeth I）拒絕給予牧師兼發明家威廉．李（William Lee）的新編織機專利。她擔心這個發明會傷害各地手織工行會，造成工人失業，以致引起動盪。威廉．李遭英國女王拒絕後遷居至法國，法王亨利四世（Henry IV）很樂於給予他想要的專利。直到幾十年後其弟回到英國銷售這種尖端技術，它才成為英國紡織業的基石。

英國經濟體制的大改革—光榮革命！

不過到十七世紀末，英國的統治體制經過徹底改造。英王詹姆士二世（James II）力求鞏固君主專制，又信奉羅馬天主教，引發強烈反彈。反對派找到的救星是奧蘭治親王威廉（William of Orange），他是荷蘭共和國（Dutch Republic）多個新教郡的執政官（stadtholder）（也是詹姆士二世長女瑪莉〔Mary〕公主的夫婿）。反對派力促威廉奪取英國王權，威廉響應其號召，罷黜岳父，登上王位，成為英格蘭、愛爾蘭、蘇格蘭國王威廉三世。

這次政變被稱為光榮革命（Glorious Revolution），理由是被誤認為相對少的流血事件，卻改變了英國的政治權力平衡：威廉三世是外來的，在英國國內缺乏支持勢力，威廉三世高度依賴國會，詹姆士二世則非如此。

編按：「廢除英國皇室獨大的權力後，錢錢終於不會都被國王沒收（享受）了！」

一六八九年威廉三世批准權利法案（Bill of Rights），廢除國王終止國會立法的權力，國王未獲國會同意也不得徵稅和動員軍隊。從此英國成為君主立憲國家。國會開始代表較廣泛的利益，包括逐漸興起的商人階級。英國也建立各種包容式體制，以保護私人財產權，鼓勵私人企業，推廣機會均等和經濟成長。

英國在光榮革命之後積極廢除壟斷。英王查理二世（Charles II）曾授予皇家非洲公司（Royal African Company）獨占非洲奴隸買賣，當時它和許多公司頓失獨占權。國會也通過新立法，促進成長中產業的競爭，瓦解貴族的經濟利益。尤其國會降低工業熔爐稅，提高土地稅，而地主大都是貴族。

這些改革在當時獨見於英國，形成歐洲其他地方所沒有的誘因。以西班牙為例，國王積極維護對跨大西洋貿易利益的掌控，經常用來資助作戰和奢侈享受。相形之下在英國，跨大西洋原料、商品、非洲奴隸等貿易的收益是由廣大的商人階級共享，所以收益大半投入資本累積和經濟發展。這些投資為工業革命空前的技術創新奠下基礎。

當時英國的金融制度也改頭換面，為經濟發展更添助力。威廉三世採用其祖國荷蘭的先進金融體制，包括證券交易所、政府公債和中央銀行。有些改革是擴大授信範圍，非貴族企業家也能借到款，並鼓勵英國政府在平衡支出與稅收上更加自律。國會取得對公債發行的更強大監督權，而公債持有者，即借錢給政府的人，得以派代表參與財政和貨幣政策決策過程。於是英國在國際信用市場的公信力提高，相對於其他歐洲王國，借貸的費用也降低。事實上，工業革命最早發生於英國，或許更早前的體制改革曾助其一臂之力。

編按：體制的不同使英國在黑死病後與東歐國家逐漸分歧。

如第二章曾提到，十四世紀的黑死病使不列顛群島失去近四○％居民。因此造成的農工不足，增加了農奴討價還價的力量，迫使貴族地主提高佃農的工資，以防止他們由鄉下遷居都市。

如今看來，黑死病給了封建制度致命一擊，英國的政治體制因而變得更包容，少壓榨。那些體制促成政經分權化，鼓勵社會流動，讓社會上更多人能夠創新並參與創造財富。反之，東歐在黑死病過後，由於封建體系更嚴酷，都市化程度較低，加以西歐對農業產量需求增加，反而強化控制土地的貴族階級及其榨取式體制。換句話說，在黑死病爆發前，東西歐原本或許不重要的體制差別，在疫情後卻是分道揚鑣，使西歐走在與東歐大不相同的成長軌道上。

衰微的行會促進了英國的工業革命

英國的手工業行會相對較弱勢，這也有助於英國在工業革命之前的某些體制變革。歐洲各地都有的行會，是由某種行業的技術工匠組成的組織，目的在保護會員利益。行會經常運用本身獨占的力量壓制企業家精神和技術進步。

例如十五世紀晚期巴黎的抄寫員行會（Scribes Guild），成功阻止第一台印刷機進入巴黎達將近二十年之久。

一五六一年紐倫堡的冰銅車工行會（Red-Metal Turners Guild）向市議會施壓，阻止當地銅匠漢斯．史白希（Hans Spaichi）散布他發明的強大車床，後來更揚言，誰敢用這種新生產技術就要坐牢。

一五七九年但澤（Danzig）市議會下令，把發明新織帶機而威脅到傳統織帶工的人偷偷淹死。

十九世紀初，法國織布工行會一群憤怒的暴民，向約瑟夫－瑪麗．雅卡爾（Joseph-Marie Jacquard，一七五二年至一八三四）抗議。雅卡爾發明了創新的織布機，靠一系列打洞的卡片運轉，後來最早的電腦受這種技術所啟發，以此方式輸入程式。

但在英國，行會的勢力沒有歐洲那麼強，部分原因在於一六六六年倫敦大火後，重建迅速且大致未受管制，加上其他地方的市場快速擴張，以致對工匠的需求超出行會所能提供。行會弱勢，國會便易於保護和助益發明者，英國實業家能夠更快速、更有效率地採用新技術。

多虧這些體制改革，十八世紀末的英國受到商人和企業家的各種利益所影響，而非以土地菁英的利益為主，菁英決意阻擋技術進步以延續個人權力。就此而言，英國當時已成為世上第一個現代經濟體，而其他西歐國家迅速跟進。於是根深柢固的力量將整體的人類帶往馬爾薩斯世的終點，來到成長時代的邊緣，就在人類物態變化的時機已成熟之際，這些制度的發展，配合以下即將探討的其他因素，英國成為特別適合技術快速發展的沃土。

英國率先開始工業革命，以及朝鮮半島兩個經濟體的分歧，顯示出體制對發展與繁榮的影響有多麼深遠。然而這些特別戲劇化的例子是例外還是常態？在歷史過程中，當體制逐步演進時，是體制變革影響經濟繁榮，還是經濟繁榮導致體制變革？又或者是某些其他因素，造成這兩者間明顯的關係？

———本書摘自《人類的旅程》，2022 年 10 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。