【2018年諾貝爾物理學獎】劃開時代的雷射物理工具

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／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《手術、雷射、靜脈膠水，靜脈曲張治療解析》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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提問：請問靜脈曲張的常見症狀？

李應陞醫師：通常在門診看到靜脈曲張的常見症狀，都是有下肢腫脹或是痠麻，走路走久會有疼痛的情形。有些患者會有抱怨半夜會有抽筋的症狀。常見的就是表淺會有浮出一些靜脈叢，我們俗稱蚯蚓在皮膚上面爬的情形。

提問：請問靜脈曲張可能出現哪些嚴重併發症？

李應陞醫師：常見的嚴重的併發症包含下肢會逐漸出現水腫，然後會有冒汁液的情形，甚至嚴重會產生蜂窩性組織炎。更嚴重的可能會產生下肢的傷口、潰瘍的情形，因為靜脈的壓力非常高，所以這類的潰瘍傷口其實都是很潮濕的，而且都會有發生一些惡臭的情形。如果不積極治療的話，都會讓傷口無法癒合。

提問：請問靜脈曲張的危險因子？

李應陞醫師：事實上在現代的社會上，久坐久站的工作者，譬如說護理師、公車司機、計程車司機等等，都需要去預防自己有可能會有靜脈曲張的發生。再來包括體重過重者，因為腹腔壓力過大，導致下肢的靜脈壓力過大，導致靜脈曲張等。然還有一些是有遺傳因子或家族病史等等，都應該要特別去注意自己是否有靜脈曲張的症狀。因為有荷爾蒙的關係，所以女性其實更應該去注意自己有沒有靜脈曲張的發生。

提問：請問要如何評估靜脈曲張的嚴重度？

李應陞醫師：靜脈曲張的嚴重度從腿部的外觀看是否有蚯蚓狀的浮現的靜脈，這個大部分都是在中級左右。再用病史去詢問病人，包括你是否有黃昏的時候比較容易水腫，或是覺得腳部因為久坐久站而導致的腫脹、難受，甚至半夜抽筋等等，都可以去區分出這個大概就是屬於中後期。再更嚴重一點的話，包括慢性傷口的產生，大部分都會出現在腳踝的內側。當發現這樣的傷口部位的時候，其實大部分可以斷定就是為比較末期的靜脈曲張的症狀。最標準的一個黃金診斷工具當然是超音波，我們會用超音波去看靜脈曲張的瓣膜，一旦有產生逆流的話，表示它是一個形態上面的缺損，就應該去跟病患討論是否需要積極做處理。

提問：請問該如何治療靜脈曲張？

李應陞醫師：靜脈曲張的治療有很多種，包含了最保守型的治療，建議病人穿醫用型的彈性襪，然後多抬腳，盡量避免泡熱湯。如果以介入處理來講的話，第一種是傳統型態，就是用靜脈曲張剝離手術。另外幾種微創的治療方式，包含以熱能為主的靜脈雷射治療，以膠水為主的屬於非熱能的治療，就是以現在俗稱的超級膠水，去做靜脈瓣膜閉合的治療。

提問：請問傳統手術會如何進行？

李應陞醫師：傳統手術通常都需要用全身麻醉的方式，而且病患需要住院。我們從整隻腿的上端跟下端各開一個洞，用醫用的鐵絲沿著靜脈往上走，然後兩端勾起來，直接抽取靜脈。術後病患產生的不適感會很嚴重，而且病患其實最擔心的就是他旁邊的神經會受到缺損，而導致病患在多年後都有可能會抱怨肢體麻木等情形。

提問：請問什麼是微創靜脈膠水治療？

李應陞醫師：顧名思義就是用一個特殊的醫用生物膠水，從一個微創的傷口放一個導管進去，大隱靜脈或者是小隱靜脈，從近端到遠端，做一個靜脈膠水的閉合的手術，使靜脈不再逆流，減少它的臨床症狀。

提問：請問微創靜脈膠水治療能帶給患者哪些幫助？

李應陞醫師：微創靜脈膠水帶給病患最大的幫助應該就是不需要全身麻醉，而且手術當日就可以離院等方便性。因為它是用微創的方式去進行的，只需要一個小洞給導管進去，把靜脈閉合起來即結束。所以說帶給病患最大的好處就是舒適感跟方便性，然後可以手術完直接離院，回歸日常生活作息。

提問：請問什麼是微創靜脈雷射治療？

李應陞醫師：微創靜脈雷射治療，顧名思義就是用一根熱能的導管，沿著大隱靜脈往上走，然後一路用熱能的方式去燒灼靜脈壁使之閉合。由於它是有熱能的形式，所以在術中都必須施打一些局部的腫脹藥劑，保護旁邊的神經，避免病患術後有疼痛感和麻木感。

提問：請問微創靜脈雷射治療能帶給患者哪些幫助？

李應陞醫師：雷射微創靜脈的處理方式，它和傳統的方式的最大差異，就是一個需要全身麻醉，一個只需要局部麻醉即可進行。微創靜脈雷射治療，它事實上閉合率極高，跟傳統的方式處理基本上是一樣的。它的優點就是當天即可出院。

提問：請問要如何避免靜脈曲張復發？

李應陞醫師：我們會叮嚀說，盡可能還是要去改變自己的生活型態。如果無法及時的改變，或者是因為工作的需求，還是無法避免久坐、久站的話，我們還是會溫馨提醒，需要穿著彈性襪工作。腳部泡熱湯其實是一個禁忌，如果有在泡熱水、熱湯的習慣，一定要減少這個次數，才能維持一個長期的良好預後。

李應陞醫師：趨近六十歲的一個男性病患，長期久坐，導致他的靜脈曲張的症狀非常非常嚴重，就是雙腳嚴重靜脈潰瘍，然後流著大片的汁液，完全無法癒合。在經過了靜脈曲張治療後，他的潰瘍在一年內逐漸的恢復，最後幾次來門診的時候，他的靜脈曲張的傷口完全癒合。他兒子跟病患本人都非常非常的開心。

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即使再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？畢竟電腦的電子元件和我們大腦中的神經細胞結構截然不同。再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？

錯，可以。

2024 年諾貝爾物理學獎跌破所有專家的眼鏡，頒給了兩位研究機器學習的科學家——約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）和傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）。他們以「人工」的方法打造了類神經網路，最終模擬出生物的「智慧」，奠定了當代深度學習的基礎。

為什麼解決人工智慧發展瓶頸的，竟然會是物理學？物理要怎麼讓 AI 更像人類？

從巴甫洛夫的狗到赫布理論：理解學習的基礎

為了解答這個疑問，我們需要一些背景知識。

20 世紀初，俄羅斯心理學家巴甫洛夫發現，狗在食物還沒入口前，就會開始分泌唾液。他進行了一系列實驗，改變食物出現前的環境，比如讓狗習慣在聽到鈴聲後馬上得到食物。久而久之，狗只要聽到鈴聲，就會開始分泌唾液。

大約 50 年後，神經科學家赫布（Donald Hebb）提出了一個假說：大腦中相近的神經元，因為經常同時放電，會產生更強的連結。這種解釋稱為「赫布理論」，不僅奠定了神經心理學的發展，更成為現代深度學習的基礎。

然而，赫布理論雖然描述了鄰近神經元的關係，卻無法解釋大腦如何建構出如此複雜的聯想網路。

霍普菲爾德網路：物理學家對神經網路的貢獻

然而，赫布理論雖能描述神經元之間的關係，卻缺乏數學模型。物理學家約翰·霍普菲爾德從數學家約翰·康威（John Conway）的「生命遊戲」（Game of Life）中獲得靈感，試圖建立一個可以在電腦上運行的記憶系統。

「生命遊戲」由數學家康威（John Conway）發明，玩家開始時有一個棋盤，每個格子代表一個細胞，細胞可以是「活」或「死」的狀態。根據特定規則，細胞會根據鄰居的狀態決定下一次的生存狀態。康威的目的是展示複雜的系統不一定需要複雜的規則。

霍普菲爾德發現，這個遊戲與赫布理論有強大的關聯性。大腦中的大量神經元，在出生時處於初始狀態，經過刺激後，神經元間的連結會產生或斷裂，形成強大的記憶系統。他希望利用這些理論，創造一個能在電腦上運行的記憶系統。

然而，他面臨一個難題：赫布理論沒有明確的數學模型來決定神經元連結的規則。而在電腦上運行，必須要有明確的數學規則。

物理學的啟發：易辛模型

霍普菲爾德從物理學的研究中找到了類似的模型：易辛模型（Ising Model）。這個模型用於解釋鐵磁性物質的磁性特性。

在鐵磁性物質中，電子具有「自旋」，自旋產生磁矩。電子的自旋方向只有「向上」或「向下」，這就像生命遊戲中細胞的「生」或「死」。鄰近的電子會影響彼此的自旋方向，類似於細胞之間的互動。

易辛模型能用數學描述電子間的相互影響，並通過計算系統能量，得出自旋狀態的分佈。霍普菲爾德借用了這個概念，將神經元的互動視為電子自旋的互動。

他結合了康威生命遊戲的時間演化概念、易辛模型的能量計算，以及赫布理論的動態連結，創造了「霍普菲爾德網路」。這讓電腦能夠模擬生物大腦的學習過程。

突破瓶頸：辛頓與波茲曼機

然而，霍普菲爾德網路並非完美。它容易陷入「局部最小值」的問題，無法找到系統的全局最優解。為了解決這個問題，加拿大計算機科學家傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）提出了「波茲曼機」（Boltzmann Machine）。

辛頓將「模擬退火」的概念引入神經網路，允許系統以一定的機率跳出局部最小值，尋找全局最優解。他還引入了「隱藏層」的概念，將神經元分為「可見層」和「隱藏層」，提高了網路的學習能力。

受限波茲曼機（Restricted Boltzmann Machine）進一步簡化了模型，成為深度學習的基礎結構之一。這些創新使得 AI 能夠更有效地模擬人類的思維和學習過程。

AI 的未來：跨學科的融合

霍普菲爾德和辛頓的工作，將物理學的概念成功應用於人工智慧。他們的研究不僅解決了 AI 發展的瓶頸，還奠定了深度學習的基礎，對現代 AI 技術產生了深遠的影響。因此，2024 年諾貝爾物理學獎頒給他們，並非意外，而是對他們在跨學科領域的重大貢獻的肯定。

AI 的發展，離不開物理學、生物學、數學等多學科的融合。霍普菲爾德和辛頓的工作，正是這種融合的典範。未來，隨著科學技術的進步，我們有理由相信，AI 將越來越接近人類的思維方式，甚至可能超越我們的想像。