舊問題舊假說的新研究：斑馬的黑白條紋有助降溫嗎？

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

為什麼貓這麼喜歡貓薄荷呢？

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延伸閱讀

你是否在清晨看過水珠出現在一些植物的葉片邊緣上？相信不少人都看過，也會以為這是露水（包括我也是！）然而，這些在葉片邊緣整齊排列的水珠其實並非露水。一般露水所形成的水珠排列並不規律，且會鋪滿整個葉面。而這些會整齊地排列在葉片邊緣的水珠，其實是由植物的泌液作用（Guttation）所產生的。過去科學家認為泌液作用就只是植物用來將體內多餘的水排出而已，但新的研究顯示，泌液作用的功能很可能不僅於此¹。

植物如何獲取水分？

要知道泌液作用的成因，我們得先了解植物是怎麼獲取水分的。

植物是由其根部來吸收土壤中的水分，當水進入根後，便能運輸到整株植物中。上述是我們對於植物獲得水分的一般認知，但植物獲得水的整個過程，其實要比我們想的複雜得多。

首先，植物會主動消耗能量，在根部累積高濃度的離子，而這就讓根和土壤之間產生滲透壓，讓水自動流到根內的木質部導管中。由於植物的構造，水在進入導管後便無法再流出根部，因此隨著水不斷地進入根內的導管，就會產生一股將水向上推的壓力，而這就是「根壓」。對於草本植物和矮小的灌木來說，根壓就足以將水向上運送到葉片。但對於高大的木本植物，根壓並不足以將水送到高處的葉片，這就時要靠「蒸散作用」和「毛細作用」來輸送水分。

植物可透過葉片上的氣孔來交換氣體，氣孔同時也讓植物的水分蒸散出去。而這個蒸散作用會形成一股負壓，對導管中的水產生一股吸引力。只要導管內的水柱是連續的，此負壓可以從葉片傳遞到根部，將導管內的水一路由根部向上拉至葉片中。另外由於導管的管徑很細，毛細作用也是使水柱上升的重要因素。毛細作用的來源有兩個，一是水分子與管壁間的附著力；二是水分子本身的表面張力（源於水分子的內聚力）。當水分子被管壁上的極性分子向上吸引而向上流時，水分子本身強大的內聚力會使導管中的水也被往上拉。

對於高大的木本植物來說，蒸散作用是左右植物吸水水分的重要因素。雖然草本植物靠根壓即可輸送水分，但草本植物也會透過蒸散作用調控水分的輸送。另外蒸散作用也是植物用來調控體溫和排除體內多餘水分的方法。

「泌液作用」的成因

講了有關植物獲得水分的方法，那麼泌液作用在植物身上到底扮演什麼樣的功能呢？答案是排除多餘的水分。

前面提到，植物會透過蒸散作用來排除體內多餘的水分，不過植物在夜晚會關閉大部分的氣孔，因此蒸散作用的效率會大幅降低。植物的根部在夜晚仍會不斷地吸收水分，不過正常情況下，夜晚剩餘氣孔所產生的蒸散作用，是足夠將多餘的水排出的。但如果植物是處在土壤水分高，且低溫高濕度的環境下（這種環境下，水分難轉換成水蒸氣），單靠剩餘氣孔所產生的蒸散作用無法將多餘的水排出。於是在這種情況下，植物便會透過泌液作用將多餘的水直接從葉片的泌水孔（hydathode）排出，而這些水就形成我們清晨在葉片邊緣所看到的水珠。

科學家大多認為，泌液作用只是植物將體內多餘的水排出的方法，沒什麼特別。雖然過去也觀察到許多昆蟲會吸食因泌液作用而形成的小水珠，但許多科學家都認為這些昆蟲只是單純在補充水分。但後續的研究發現，葉片的泌水孔和維管束組織是連在一起的。因此有些研究人員就猜測，透過泌液作用排出的水珠，其中可能含有維管束運輸的其它物質，如礦物質、糖和蛋白質等。因此來自西班牙和美國的聯合團隊，就推測泌液作用所產生的水珠，很可能也是昆蟲的食物來源¹。

藍莓泌液，是許多昆蟲們的心頭愛

研究團隊選定的觀察植物是北方高叢藍莓（Vaccinium corymbosum），原因是該藍莓的泌液作用在整個生長期間非常旺盛，不分晝夜都會形成水珠。另外昆蟲們也非常喜歡藍莓的泌液，許多種類的昆蟲都會來飲用，而這就非常方便研究團隊進行觀察。

研究團隊首先分析泌液內的營養成分，他們發現每毫升的泌液中含有約 1.5 克的糖與 4.3 毫克的蛋白質，而藍莓花蜜中的糖含量是每毫升 0.4 克，這顯示泌液的營養價值比花蜜還高（看到這兒，我都想來口藍莓泌液了 ~）

接著研究團隊選定三種常飲用藍莓泌液的昆蟲為觀察與實驗對象：翅果蠅（Drosophila suzukii）、阿爾蚜繭蜂（Aphidius ervi Haliday）與草蛉（Chrysoperla rufilabris）。他們分別給予這三種昆蟲以下的營養液：一般水、糖水、蛋白質水、糖+蛋白質水和藍莓泌液，然後觀察牠們的壽命。結果顯示，飲用藍莓泌液的組別，其壽命和飲用糖水是一樣的。

研究團隊接著讓飲用不同營養液的昆蟲進行交配使其受精產卵，並藉此觀察牠們的產卵量是否會受到影響。結果顯示，喝藍莓泌液的昆蟲其產卵量並沒有受到影響。

綜合以上結果，可以說藍莓泌液堪稱天然營養液，不僅能讓飲用的昆蟲活得好，也能順利產下後代。因此昆蟲要以藍莓泌液做為食物來源，完全沒問題！

養兵自重，藍莓的防敵策略

藍莓泌液做為高營養食品，會吸引很多昆蟲來吃。這就出現一個問題，這種泌液在吸引大量的草食昆蟲來飲用的同時，牠們會不會順便也把藍莓的葉子給吃乾抹淨呢？按照自然界的法則，藍莓如果真那麼傻，早就無法生存了，它們一定有一套反制措施。

研究團隊統計了藍莓泌液吸引到的昆蟲種類。他們發現與去除泌液的藍莓相比，有泌液的藍莓明顯吸引了更多的寄生蜂類和捕食性昆蟲（如草蛉），同時有泌液的藍莓吸引到的草食性昆蟲數量減少了很多。也就說，藍莓通過泌液豢養了一群天敵的天敵，從而達到威攝與保護自己的效果。

另一個有趣的發現是，有泌液的植株上，蚊子的數量明顯下降了。可能是因為有其他捕食性昆蟲的威懾，蚊子們不得不放棄了這種高營養食品，而這或許可以成為一種新型的天然防蚊手段。

過去泌液作用被認為只是植物用來排水的手段，但這個研究告訴我們，泌液作用的功能可遠不只如此。植物也可透過泌液來吸引不同種類的昆蟲，協助保持自己的健康。當然不同植物所產生的泌液成分都不同，未必都有藍莓這種吸引捕食性昆蟲的特性。但這個研究卻開啟了泌液作用的研究新方向，讓其他研究者能去開拓更多可能。

泌液作用在農作物中相當普遍，因此未來或許可以透過人工調控的方式，讓農作物生產的泌液達到更有效的驅蟲功能。另外藍莓泌液本身就有營養成分，或許我們也可以將泌液調整成含有更高營養的成分，這樣在採藍莓的同時也能順便收集這些高營養液。到時候，在享用藍莓的同時，也能順便來一杯藍莓營養液 ~

參考資料

1. Urbaneja-Bernat P, Tena A, González-Cabrera J, Rodriguez-Saona C. Plant guttation provides nutrient-rich food for insects. Proc Biol Sci. 2020 Sep 30;287(1935):20201080.