雙盲實驗之必要 │ 科學史上的今天：07/12

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

• 作者 / 哈利・柯林斯, 崔佛・平區（Harry Collins, Trevor Pinch）
• 譯者 / 李尚仁

至少從一九五○年代起，現代醫學就認為安慰劑效應在科學上已經成立。研究顯示如果施予安慰劑的話，大約有百分之二十到百分之七十不等的病人似乎可以由此受益。

其中或許最讓人驚訝的是安慰劑外科手術：適當地麻醉病人、切開皮膚，但實際上卻沒有接受有意義的手術；根據報導這樣的手術高度有效。

有時候假的手術甚至似乎比真的手術還更有效。例如，它似乎對某些種類的胸痛和背痛有效。一九九○年代中期的研究顯示，這對膝關節炎有效；只把病人的膝蓋切開，其治療效果和那些對膝關節進行刮搔沖洗的效果一樣好；而一般認為後者是膝關節炎高度有效的標準療法。

不幸的是，這些看來很簡潔明瞭的發現還是引起爭論。現在我們必須穿越另一個更為扭曲的哈哈鏡廳堂：身體不適的人即便沒有接受任何治療也有可能痊癒，而接受安慰劑治療的病人和接受大量醫學介入的病人，同樣可能都是以大略相同的速率自行痊癒。

換句話說，接受安慰劑治療的病人，可能不是由於安慰劑效應而有所改善，而是自行痊癒的；而醫學治療也同樣無效，接受外科治療的病人其實也是自行痊癒的。

在這樣的情況下，並不是安慰劑效應和真正的外科手術一樣好，而是安慰劑效應並不比真正的外科手術好，兩者同樣都是無效的。

用實驗證實「安慰劑效應」

要了解是否真的有安慰劑效應，必須做另外一種實驗：把接受安慰劑的一組，和完全沒有接受安慰劑的另一組拿來做比較。在這種情況下，如果有安慰劑效應的話，接受安慰劑的病人的治療狀況，必須要比沒有接受治療的病人好。

兩位丹麥醫師（Hrobjartsson and Gotzsche）蒐集對接受安慰劑治療與沒有接受治療之病人進行比較的研究論文，並在二○○一年進行分析。在這一百一十四個試驗當中，只有少數實驗是直接設計來測試安慰劑；其餘大多數狀況是醫生檢查了三組病人：接受醫學治療的病人、接受安慰劑治療的病人，以及完全沒有接受治療的病人。他們發現就治療狀況的改善而言，接受安慰劑的病人和沒有接受治療的病人，兩組並沒有顯著的差別。

這聽起來像是個決定性的研究，丹麥醫師的報告乍看之下很有說服力。他們分析的研究數量以及病人數目都很大。此一研究似乎推翻了一個重大的成見。但如果仔細檢視論文最後謹慎的但書的話，就會發現其結論並不是那麼地牢不可破。

首先，資料顯示安慰劑對於疼痛的經驗有小的效應，此外安慰劑有可能對一小部分病人或某些疾病有相當大的效應，雖然並非對所有病人或所有疾病都有效應。丹麥研究者所使用的統計分析方法，很容易掩蓋掉這些輕微的效應和少數的疾病與病人。更讓人憂心的是下面所要討論的複雜邏輯，要說明此一邏輯，在句子結尾必須使用越來越多的驚嘆號。

不管是安慰劑或其他的療法，是無法以盲目的方式和沒有治療的狀況做比較！病人和治療者都會知道誰沒有接受治療；事實上，沒有接受治療這件事情是無法隱瞞的，否則這就不是「沒有接受治療」，而是接受安慰劑。

現在，事情變得更複雜

如果醫師和病人知道誰沒有接受治療，我們會預期這將帶來期待效應以及報告效應；如果安慰劑有作用，我們會預期安慰劑組病人和未受治療組病人的差異會更加顯著！換句話說，沒有接受治療的病人應該會對自己的前景感到悲觀，而執行治療的人應該會預期該組病人不會有什麼改善；因此我們會認為，不論施行治療者或接受治療者，都會有很強的報告效應，而且期待效應還會強化這兩者。

總而言之，即便沒有安慰劑效應，在這些非盲目的實驗中，由於沒有治療那一組的負面報告偏差和期待效應，實驗結果應該會看到有安慰劑效應。在這個愛麗絲夢遊的仙境中，這應該是種永遠不會失敗的實驗！不管有沒有安慰劑效應，結果應該總是看起來會有安慰劑效應的！！

現在這些實驗的結果卻是沒有顯著的安慰劑效應，那麼意味著沒有任何的期待效應與報告效應出現在這些實驗中，這顯示這些實驗一定有什麼問題！！！就像孟德爾關於遺傳性徵的著名實驗一樣，實驗結果太漂亮了，使它看來好像一定是造假！

丹麥研究者在回應這些質疑時論稱，由於大多數的實驗有三組病人，而非兩組，因此病人和分析師所在意的都不是安慰劑組和未受治療組的差異，而這點或許減低了報告效應與期待效應。然而這樣的論點看起來仍是很薄弱的。

無論如何，缺乏期待效應和報告效應即便不是決定性因素，也有其他理由讓我們不信任這個研究的結論。正如前面所說，沒有接受治療的那一組病人，無可避免地會知道他們並沒有接受治療。如果他們的疾病很嚴重的話，那麼他們可能會覺得既然在這個研究當中沒有接受任何治療，便會自行決定以和此一研究無關的方式尋求其他的治療（參見第四章有關維他命 C 試驗的類似主張）。這點並不適用於安慰劑組，因為這一組的病人以為他們正在接受治療。結果就是，有無自行治療所帶來的差異，可能導致不同組別的成功率沒有太大的差別。

無法執行的雙盲實驗

考量上述兩種反對丹麥研究人員結論的論點，讓我們不知道該採取什麼樣的立場，這種情況經常出現在困難的統計科學中，我們只知道不能像過去那樣把安慰劑效應視為理所當然，但我們仍舊很難確定它並不存在。要解決這個問題，必須在安慰劑組和沒有接受治療組之間進行一場雙盲實驗，然而這在定義上就是不可能的（在這個句子最後不得不加上一個驚嘆號）！

儘管有這些學術爭論，製藥公司與藥物試驗的執行者乃至製藥公司的批評者，都認為安慰劑效應是真實的。批評者指出，所謂的雙盲通常無法執行，因為如果藥物有昏眩或口乾等副作用的話，病人經常能因此猜出他們吃的是真藥或是安慰劑。這意味著即便藥物在隨機對照試驗中勝過了安慰劑效應，但也可能只是因為由於藥物有副作用，而有了更強的安慰劑效應！

製藥公司和為其執行試驗的單位非常重視安慰劑效應的真實性，它們實際上甚至還評估接受試驗的病人對於安慰劑效應的敏感程度，試圖排除掉那些容易受到暗示的病人（隱藏式的心理治療）等等。我們可以這樣說：就安慰劑效應如何影響我們對醫學的思考而言，它是真實的。

——本文摘自《醫學的張力》，2021 年 9 月，左岸文化。

「以古為鏡，可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話，未來的趨勢也有機會在我們掌握之中；當我們遇到困難時可以透過過往的經驗，幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性！同樣的，歷史的脈絡可以幫助我們學習科學，而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北，泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》，和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

「從小到大，科學家在我們心中非常偉大，無論是哥白尼的日心說，或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒，直到越讀越多書後才發現，光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰、權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可，是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係，也就是軌道應該是圓形的！但這會和他觀察到的天文現象不吻合，因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力，其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉，他認為物種會因為某些災難而滅絕，另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論，甚至抨擊達爾文的演化論，導致演化論的發展備受阻礙。

權威

除了信仰外，有時候科學家利用自身權威、堅持己見，抑制別派學說，亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀，醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫，且內容漏洞百出嗎？蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造，當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威，使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現，人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗，推翻了多年來的理論，加上他有美術的長才，得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓及萊布尼茲。在微積分發展上，英國推崇地位較高的牛頓提出的流數，而非萊布尼茲的微積分，這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇，讓許多產婦賠上了性命。十九世紀，醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔，而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為：醫生怎麼可能害人呢？而摒棄了塞默維斯的想法。

性別

女性在科學界受到的打壓也不少：在代數領域有傑出成就的埃米諾特，竟因其性別而無法擔任大學教授；華生看了羅莎琳．佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片，終於發現了 DNA 的雙螺旋結構，並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世，然而我們可以想像，在當時的社會氛圍下，即便她在世，女性科學家的得獎機率仍然很低；發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹，然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走；吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆，但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威，反對的力量反而是來自科學界：牛頓打壓虎克及萊布尼茲；愛迪生堅持使用直流電系統，並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼，藉此反對特斯拉的交流電系統；發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石，聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀，還有其與常人無異的一面

跟著《科學史上的今天》的腳步，我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超，但其品性仍和常人一樣：他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家，去了解理論後的時代背景，那學科學就不再只是背公式和定理，而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。