大驚訝！NASA IBEX探測器在太陽系外緣並沒找到弓形衝擊波

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

為什麼要研究「風力發電」與「氣候」的關係？

台灣擁有得天獨厚的風力資源，但要把風力運用於生產能源，「可預測性」是極其重要的條件。中研院應科中心郭志禹副研究員，將氣象預報所使用的 WRF 模型，比對在風場實際測得的天候數據，再把得到的結果應用於風力發電的效能預測上。對於能源政策的擬定、資源配置、機械設備維運時程安排等，都提供非常重要的參考。

風是什麼顏色？迪士尼電影《風中奇緣》裡的寶嘉康蒂公主，問了這個難解的問題。但對郭志禹來說，這問題一點也不難。

風，是綠色的。

唯有抓得住風，綠電發展才有著落

人類利用風力的歷史非常悠久，從文藝復興時代就開始了。到了 1970 年代，北歐掀起了一股研發再生能源的熱潮，開始使用幾十層樓高的大風車，從看不見的風中，攫取能源。

台灣海峽的兩側，就是目前全球最佳的風場之一，此處的冬季季風，堪稱世界上名列前茅的優質風力資源，讓風力成為台灣擁有的穩定再生能源，僅次於水力、更勝太陽能。有如此出色的風能條件，需要有好的學術研究來輔助。

以往，台灣綠能產業界關注的是如何製造效率更好的發電設備，然後外銷獲利。但既然台灣訂下了廢核的長期目標，又要同時減少碳排放，再生能源這個領域，就需要轉個彎，從「使用者」的角度來思考問題。

對風力發電的「使用者」來說，最重要的，就是風力的「可預測性」。

這就是郭志禹研究最初的問題意識。透過風力，今天可以發多少電？明天、後天、下週又是多少？這攸關如何調配各種發電方式的基載配置，是使用者必須知道的答案。為了解答這些問題，郭志禹沒有氣象學的背景，卻一頭埋進了天氣的預測模型裡面。

看天吃飯也要靠傢伙，WRF 為你掌握局部地區天氣

風力發電可以算是一門「看天吃飯」的生意，要懂得「看天」，氣象預報就是一門必修學分。 WRF 模式（The Weather Research and Forecasting Model），是由美國數個科研機構在 2000 年開發成功、氣象學界用來預測「局部地區」天候狀況的模型。郭志禹的研究團隊，也是採用這套模型做為研究基礎，並且選定風力條件極佳的彰化沿海「福海電場」作為研究場域。

彰濱一帶，整個冬天都吹著強勁的東北季風，平均風速可以達到每秒 12 公尺以上（相當於六級風），這是福海雀屏中選成為研究場域的原因之一；另一個原因，則是郭志禹研究團隊和經營此地風場的永傳能源公司，有十分愉快的合作研究經驗。永傳在此架設的測風塔，提供了很珍貴的研究數據。

「雖然測風塔是很傳統的工具，但那些頂尖科技，不管是衛星影像、雷達回波等等，還是需要它的數據來進行校準，是非常重要的設備。」郭志禹形容著科技「反璞歸真」那一面。

於是，在把 WRF 的模擬資料和場域的真實數據比對之後，郭志禹的團隊發現，兩者相當吻合，足見 WRF 模型對於福海風場一帶的氣候狀況，有不錯的預測能力。

到底是誰扯後腿？原來是斷不開的「尾流」

在掌握 WRF 模式的預測能力之後，郭志禹團隊的挑戰才正要開始。台灣的風力資源固然全球數一數二，但面積上卻不如北歐的北海風場那樣遼闊。因此，「地狹機稠」成了在地風場的特殊現象。可能每隔 10 公里就有一處風場，讓台灣海峽像是風場的集合住宅，空間一擁擠，鄰居之間難免容易有糾紛。

風場與風場之間，會不會相互干擾影響呢？這是郭志禹企圖解答的下一個問題。「尾流」，就是這個問題中的關鍵因素。

三十層樓高的風機，轉動著巨大的葉片，就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器，雖然不至於把大氣攪成一鍋蛋花湯，但的確會改變風場中大氣的混合機制，連帶對於水氣凝結、降水的分布，以及熱傳導的物理系統，都會造成影響。

「尾流」對於風力發電影響最鉅的，就是減弱風速。

風機的扇葉從空氣中汲取了動能，那風的速度自然會隨之下降，下降的程度，會隨著距離慢慢遞減。郭志禹的研究團隊，分析大量的數據之後發現，風通過風機之後，風速下降超過 1 公尺（每秒）的區域，面積竟然廣達 100 平方公里左右。

速度下降 1 公尺（每秒），有那麼嚴重嗎？別小看這 1 公尺，請看這張圖表：

從圖中曲線可以發現，風速大約在 12（m/s）以上時，可以進入最佳的發電效率。彰濱一帶的季風平均風速，正好就落在這個區間。然而，若風速受上游風場影響稍稍下降，來到 9～10（m/s）左右，發電效率衰退會非常明顯。在這個範圍裡，差 1 公尺，即可能造成二到三成發電效率損失。

再加上前面提及的，台灣風場如此密集，上風處的第一台風機，可以當頭好壯壯的領頭羊，下風處的第二台就沒那麼好運，第三台、第四台……尾流效應依序疊加，最後會產生巨大的影響。除了發電效率之外，尾流導致忽快忽慢的風速，也會減損下游風機的使用壽命，連維運成本和時程都要重新估計。

郭志禹團隊的這個發現，對風力發電產業來說彌足珍貴。未來將可以據此，把天候及尾流因素納入考慮，提出更佳的規劃，甚至建立精準的預測模型。

「就像漁民看電視會看漁業氣象，我們要做的就是風力發電產業可以看的『風電氣象』！」郭志禹笑著說。

台灣風電失落的一角：跨領域的合作發展

話鋒一轉，郭志禹提到了自己在學術之外的興趣，是潛水。國內外許多海底勝景，都是他探訪的目標。在幾次潛水的過程中，他看到了海底的沉船、或是人工魚礁，裡面豐富的海洋生態，讓他印象深刻。

從那時起他就深信，「人為改變」並不一定會對於環境產生傷害，重要的是人類要在與環境的共存方式之中，取得「環境保護」和「經濟開發」的平衡。環評，只是起點，後續對於環境的監測更重要。講到這，郭志禹對於當前的風力發電政策規劃，提出了重要的意見：

台灣要發展風力發電產業，真正關鍵的該是土木營建與海洋工程技術。

此言一出，讓採訪的我們有些意外，畢竟土木並不是他的學術領域，跟這份研究的問題意識與成果也並不相關。

但郭志禹表示，在外海架設風機，風場地質會影響風機基礎。彰濱海底的沉積地質太過鬆軟，對於常常會因風向而「側向受力」的風機來說十分不利，風力從迎風面不斷推拔風機。要克服這個因素以及在離岸環境下施工，土木營建與海洋工程技術才是關鍵。

郭志禹認為，外國的風機相關機電與系統整合科技領先台灣許多，與其競逐利潤日低的風機製造外銷的產業模式，不如正視利用在地的優勢，強化風機基礎與支撐結構設計與工法，累積具參考價值的珍貴數據資料，再拿來和外國進行技術交流。

這一段，雖然不屬於他的直接研究範疇，但述說時，郭志禹表情中蘊含的積極熱切仍未絲毫減少。或許是因為對他來說，做研究從來就不只是做研究。怎麼幫助這塊土地、這個世界更好，才是他心中不曾動搖的想望。

延伸閱讀：

• 郭志禹的個人網頁
• 郭志禹 (2017 年 1 月 13 日) 。 An Application of the Weather Prediction Model in Wind Farm Development, 2016 【演講資料】。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位