人類基因圖譜初稿完成 │ 科學史上的今天：06/26

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

• 文／海瑟．道格拉斯

誘人的科技甜美

當謎題的解答豁然開朗、當每一片拼圖完美地接合起來合作無間、當某項研究呈現井然有序的成果，科學家和工程師就說出這個詞語。

科技的甜美非常誘人、非常濃烈，而且正如我們在維克多．法蘭肯斯坦（《科學怪人》的主角）的故事中看到的，也可能使人盲目，看不見自己追尋的解答會帶來什麼後果。

受到科技的甜美驅策的科學家，可能看不見旁觀者眼中顯而易見的事實──某些計畫縱然誘人，但完成計畫不見得是件好事。

維克多最初發現生命的祕密時，立刻被成功沖昏了頭，因此沒有跟同儕分享他的發現，反而加速為自己的想法展開全面性試驗──他可以讓毫無生氣的軀體起死回生嗎？

在他不顧一切執行實驗時，他把自己逼到了崩潰邊緣，徹澈底底沉溺於這項研究帶來的技術甜頭，無法自拔。他不再連繫親朋好友，也切斷了能為他的工作注入更高觀點的一切社會連結。

他察覺有什麼事情不太對勁──他之所以不願意透露他的研究計畫，或許不只因為想在取得成績之前保守祕密。一直到他的創造物甦醒過來，他才明白創造這樣的生命或許不是個好主意。事實上，他對自己的創造物望之卻步，逃避了兩年。

到最後，為了阻止繼續製造人性悲劇，他將生命的最後階段用來追逐科學怪人，兩人跳起了一段黑暗之舞。

誠然，維克多是一篇哥德式恐怖故事中的虛構人物，但他的研究工作的發展弧線──從靈光乍現、得到（他拒絕公布的）理論性發現、閉門實驗直到完成實際成品、對千辛萬苦造出的成品感到嫌棄，到最後終於扛起責任、為了約束創造物的行為而對它窮追不捨──這種情節並非只存在於虛構世界。

這樣的發展弧線，也出現在二十世紀最重大的一項科學研究上：第一批原子彈的製造。

核裂變的發現改變了一切

原子彈的研製過程跟維克多的故事並不完全吻合，因為前者是許多科學家群策群力的結果，而不是某個人的獨力之作。而且，原子彈的研製過程充滿各種道德決策，並時時刻刻處於殘酷戰爭的陰影之下。不過，這段歷程的弧線與《科學怪人》的故事弧線基本上如出一轍，而在如此複雜的情境下，更彰顯出抗拒科技甜頭誘惑的必要性。

一九三八年年末，莉澤．邁特納 (Lise Meitner) 和奧圖．弗里施 (Otto Frisch) 發現了原子核裂變的過程，消息很快傳遍全球物理學界。

英美兩國的核子物理學界不僅立刻開始思索各種問題──例如核裂變是否可以打開實際應用的大門、鈾原子核裂變產生的中子數量是否足以形成連鎖反應，以及哪些原料可以提高出現連鎖反應的機會等等──更馬上展開了研究。

一九四二年十二月，美籍義大利裔物理學家恩里科．費米 (Enrico Fermi) 在芝加哥大學壁球館下方的實驗室中，造出了第一座可以自我維持運作的核子反應爐（使用慢中子），與此同時，負責建造原子彈（一種快速核反應）的曼哈頓計畫也正順利展開。

蜜糖或是毒藥——曼哈頓計劃

曼哈頓計畫由分散各地的研發實驗室共同組成，場址包括田納西州的橡樹嶺 (Oak Ridge) 和華盛頓州的漢福德 (Hanford) 等大型工業區，以及科學家們關在一起研究如何設計並測試第一批原子武器的洛斯阿拉莫斯 (Los Alamos) 國家實驗室。

科學家們祕密前往與世隔絕的洛斯阿拉莫斯實驗室，抵達之後，立刻被嚴令禁止與內部實驗室以外的人討論這項計畫。科學家們關注的焦點是達成目標──打造一個可使用的原子武器──沒有多加思索這件事情是不是個好主意。由於大多數科學家是因為擔心納粹搶先發展出這類武器而投入曼哈頓計畫，這樣的焦點無可厚非。

洛斯阿拉莫斯實驗室坐落在新墨西哥州一座平頂山的林木線上，海拔逾七千英尺，瀰漫著令人飄飄然的工作氛圍：由聰明絕頂的歐本海默 (J. Robert Oppenheimer) 負責主持，過去及未來的諾貝爾獎得主齊聚一堂，在戰爭的壓力下一起工作。實驗室迅速擴充規模，從一九四三年春的一百名科學家，到了大戰結束時，已擁有六千多名研究人員 (Bird and Sherwin 2005, 210) 。

洛斯阿拉莫斯的科學家遭遇了一連串技術挑戰，特別是關於如何讓核裂變原料釋放出最大能量；這些原料由橡樹嶺和漢福德負責生產（兩地分別負責生產濃縮鈾和鈽），非常難以蒐集，得來不易 (Rhodes 1986, 460-464) 。然而，到了一九四四年底，最初推動這項計畫的原始動力已大幅減弱。

盟軍成功挺進德國境內後傳來消息，表示德國的原子彈研究，距離成功製造出武器還相差十萬八千里。事實上，德國還無法造出可以運作的核子反應爐，而這是美國在兩年前就已達到的成就。

製造核武的原始動機既已不復存在，對其中一位科學家──波蘭物理學家約瑟夫．羅特布拉特 (Joseph Rotblat) ──來說，這樣的領悟已構成退出計畫的充分理由。他在一九四四年十二月辭去洛斯阿拉莫斯實驗室的工作。

不過離開之前，他被禁止跟實驗室的其他科學家談論他的這項決定 (Brown，2012, 55) 。洛斯阿拉莫斯的科學家進行道德反思的契機就這樣一閃而逝。

• 文／海瑟．道格拉斯

在戰爭結束之前製造出可以終結戰爭的武器，成了至高無上的驅動力，一部分是因為洛斯阿拉莫斯的許多科學家，已經轉而以「終結一切戰爭」為開發核武找到了正當性。

許多人認為，唯有使用核武結束眼前這場戰爭，人類才能體會這類武器的真正殺傷力，因而產生永久終止戰爭的動力。

我們一開始振奮無比，然後發現自己累了，然後就開始憂慮

維克多．魏斯科普夫 (Victor Weisskoph)

一九四五年二月到該年夏天之間，洛斯阿拉莫斯的工作焦點在於鈽原子彈的測試。由於使用鈽製造武器，所需的機制複雜得多，科學家們沒有太大把握這項武器是否可行。唯有以真正的鈽進行試驗才能充分測試這項機制。

這就是在一九四五年七月六日進行的三位一體 (Trinity) 核試驗──人類首次在地球上引爆原子彈。

科學家用堪稱狂熱的態度準備這項測試。不論取得一切技術細節、校準度量儀器，或制定應變計畫，凡此種種都需要耗費龐大心力。有可能出現三種結果：

1. 受測的武器可能中看不中用，不比尋常的爆炸更有威力
2. 它可能具有龐大的殺傷力，當場造成重大傷亡，導致全國進入緊急狀態
3. 它可能符合科學家的期待，威力驚人但不失控 (Szasz 1984, 79) 。

結果證明第三種可能性是對的，科學家們如釋重負。這意味他們的研究成功了，已製造出可使用的武器。他們在戰爭期間付出的努力並未白費，而且他們全都安然度過挑戰。

對於這項成功，科學家們的反應不一。引爆炸彈後，歐本海默的第一反應是狂喜地歡呼「成功了」！從科學家對爆炸威力下的賭注來看，他們大多預期爆炸規模會小得多 (Szasz 1984, 65-66) 。歐本海默賭的是三百噸黃色炸藥的爆炸當量；絕大多數科學家認為爆炸威力會遠遠小於一萬噸黃色炸藥。

事實上，這項武器產生了將近兩萬噸黃色炸藥的爆炸威力。除了因技術上的成功而感到寬慰與興奮，這次爆炸對視覺及內心的衝擊力量，讓許多目擊者嘆為觀止。歐本海默後來回憶，他的腦海閃過《薄伽梵歌》裡的這句話：「我成了死神，世界的毀滅者」 (引自Szasz 1984, 89) 。

伊西多．拉比 (I. I. Rabi) 一開始熱血沸騰，但是後來，他領悟到自己和其他科學家的研究具有怎樣的涵義，沉重得招架不住 (Szasz 1984, 90) 。正如維克多．魏斯科普夫 (Victor Weisskoph) 寫下的：「我們一開始振奮無比，然後發現自己累了，然後就開始憂慮」 (引自Szasz 1984, 91) 。

甜頭後的苦澀餘味

這項計畫的技術甜頭結束了，科學家們如今得面對他們的成功在錯綜複雜的世界裡象徵的意義。試驗主任肯尼斯．班布里奇 (Kenneth Bainbridge) 挖苦地說，「我們如今成了一群王八蛋」 (引自Bird and Sherwin 2005, 309) 。

某些科學家經過一段時間的消化，才完全理解他們的所作所為背負怎樣的道德重量。在向廣島和長崎投擲原子彈、促使戰爭戛然而止後，洛斯阿洛莫斯的許多軍方人員歡天喜地，但科學家們卻為自己協助達到的成果震驚得不知所措，心情有些沉重，甚至出現身體不適的狀況 (Bird and Sherwin 2005, 317) 。

一九四五年十月底，當菲利普．莫里斯 (Phil Morrison) 和羅伯特．瑟伯爾 (Bob Serber) 從日本返回洛斯阿拉莫斯，帶回了有關原子彈衝擊力道的第一手報導 (Bird and Sherwin 2005, 321) ，曾參與這項計畫的科學家們，終於看清他們的成功代表著怎樣殘酷的現實，紛紛決心竭盡所能確保他們的研究用於為人類造福。

不同科學家以不同方式為他們的創造物負起責任。有些科學家致力於確保原子能受到文官機構的掌控，他們的努力促成了美國原子能委員會的成立。有些科學家倡議將原子技術交由國際機構管理，以防美蘇之間展開武器競賽。有些人努力讓世人得知原子彈的強大殺傷力，希望藉此遏止未來的一切戰爭。

有些人轉而研究甚至更有威力的武器，決心牽制蘇聯的極權主義。還有些人倡議原子的和平應用。

沒有人推卸他們對自己的研究成果應盡的責任。

我們可以在洛斯阿拉莫斯科學家們的故事弧線中，看到維克多．法蘭肯斯坦的故事影子。當年就有人注意到兩者的雷同之處──從激情地投入研究，到乍然領悟成功的負面影響，最後設法揚長補短。

一九四五年五月三十一日，美國戰爭部長亨利．史汀生 (Henry Stimson) 在籲請臨時委員會（一個有關核武的高層政策委員會）召開會議的信函中寫道， 原子彈「有可能毀滅或完善國際間的文明發展，有可能變成科學怪人，或變成世界和平的工具」（引自Rhodes 1986, 642）。

然而在原子彈研製完成以前，參與這項計畫的科學家始終沒有看清原子彈的科學怪人本質。

與成功如影隨形的道德議題

瑪麗．雪萊的《科學怪人》是一篇具有先見之明的寓言故事，書中闡述人類追求科學與技術時，伴隨成功而來的恐怖後果，讀來扣人心弦，堪稱非神學版的歌德《浮士德》。

即便科學已壯盛發展，即便科學研究的集體特性已昭然若揭，而大科學 (big science) 也已占據科學界的核心地位，孤獨科學家維克多遵循的弧線依然切合時代。二十一世紀的科學家不論單打獨鬥或通力合作，在他們勉力為自己的研究成果負起責任時，仍會持續受到科技甜頭的誘惑，被它蒙蔽了雙眼。

當研究工作突然發出危險信號（例如那些被標註為「可能具有雙重用途的研究」），科學家經常迴避法規限制，不顧要求他們深刻反思的聲浪。科技甜頭以及持續在專業領域追求成功的誘惑，使得科學家很難看清、更難認真衡量其研究工作的負面影響。

儘管人們正快馬加鞭地建立制度，希望幫助科學家解決他們在追求新的科學與技術能力時可能遭遇的棘手問題，科技甜頭仍然可能阻礙他們反思其研究工作的涵義和行動的急迫性，並且在完成工作之前，及時修正成功可能帶來的負面影響。