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／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《影像設施當「自己研究」專訪顯微攝影競賽銀獎温榮崑》

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品，如絢爛煙火綻開的影像，呈現的卻是共軛焦染色的果蠅腸道，透過多通道螢光標記出果蠅腸道細胞與組織的細緻分布。但這幅影像並不是刻意為之，拍攝者温榮崑表示，起初只是為了節省研究資源，在一張玻片上排列最多的樣本，卻意外拍攝出效果不錯的影像。

除了這屆獲得銀獎的作品，温榮崑也曾於2023年參賽，並獲得「優選」。當時，他將拍攝的海拉細胞命名為「James P. Sullivan」——怪獸電力公司裡的那隻「毛怪」蘇利文。不同屆的得獎作品，都展現出他饒富趣味的影像敘事。

無心插柳 拍出趣味作品

温榮崑現職為中央研究院生物化學研究所的研究助技師，為影像核心設施的管理者。這次參賽作品並非他的「研究主題」，而是他在「測試」儀器極限時無心插柳所拍攝出的作品。

「近期所上添購了新的共軛焦顯微鏡，所以來測試看看Z軸堆疊的成效以及動態拍攝究竟能有多快」，温榮崑表示為了能夠更了解機器的功能，因此他會自己製備或使用諮詢的樣本來測試在何不同條件下可以拍到的影像。

排列成環狀的果蠅腸道，除了是讓玻片中承載的樣本最大化，他表示也想看整段腸道不同區段之間的變化。至於影像中的顏色漸層，反映的是果蠅腸道內本身不同腸道細胞的功能分佈以及對氧化壓力（ROS）的不同反應。

這張影像同時標記了三種不同的螢光訊號：DAPI（藍色）標記所有腸道細胞的細胞核，GFP（綠色）表現於特定果蠅腸道幹細胞當中，Phospho-Histone H3（pH3，紅色）則用於觀察腸道幹細胞在氧化壓力下的分裂與增生。「這種漸層只有在把整條腸道拍下來時才看得出來。」

至於2023年的優選作品，温榮崑笑說，這也不是刻意為之，而是當時和影像分析同好討論到色盲友善（Colorblind-friendly）影像套色議題，便試著將不同的顏色套在海拉細胞的影像上。套到青色（Cyan）時覺得很像毛怪，便以此命名參賽。

把管理核心設施當作自己的研究

之所以親自拿樣本測試機器、和研究人員深入討論影像議題，來自於温榮崑對這份工作的理念。管理影像核心設施的温榮崑一開始並非「影像專門」或「光學」相關科系畢業，但一路從大學到研究生時期，他的研究一直都離不開生物影像，並在博士班期間一路以果蠅為主要模式生物進行研究。

接下影像核心設施工作後，温榮崑用「經營者」的角度看待這份工作，刻意拉開各項設備的功能定位，透過明確區分解析度、速度、活細胞適用性等，讓研究人員可以使用最適合的儀器進行研究。

近年，他也和中研院各研究所及台大醫學院等相關影像核心研究單位，共同建立影像分析社群EABIAS（東亞生物影像分析社群），積極與其他核心設施管理者交流經驗。

「這裡就是我的研究」，雖然最後沒有走上教職之路，温榮崑認為擔任研究技師反而可以接觸到各種不同面向的領域，做得更廣、更深，也能持續探索科學與美感交會之處。

延伸閱讀：

• 3D組織學技術突破舊有視野：專訪銀獎得主簡宏任

本文轉載自顯微觀點

還記得顯微觀點曾經介紹過19世紀的科技藝術－矽藻玻片嗎？2024年全球顯微攝影大賽（2024 Global Image of the Year，IOTY）的亞太地區優勝作品，便是矽藻玻片的影像，由來自澳洲的丹尼爾‧韓（Daniel Han）精心排列及拍攝。

猶記前幾年新冠疫情席捲全球，迫使人們足不出戶的那段日子裡，有人學會了做麵包，有人迷上了居家運動，來自澳洲的丹尼爾‧韓則是意外踏上了一條通往矽藻微觀世界的奇幻旅程。

丹尼爾擁有電機工程與數學的學位，第一次接觸顯微鏡是在擔任助理的時候。因其電機工程專業，他為畢業論文組裝一台顯微鏡，以鑽研影像擷取自動化的研究題目。

但直到新冠疫情爆發，他才透過網站買下一台二手的Olympus BX4，將它修好並投入顯微觀察的世界。起初，他用顯微鏡觀察蝴蝶翅膀、沙子或其他常見材料；他也學習如何透過z軸堆疊改善影像，並自己組裝光學系統、改裝步進馬達、加裝相機鏡頭，以實現自動化需求。

他表示，提高影像對比和解析度的方法繁多，背後的理論都讓他著迷。而運用他在電子領域的知識來修復、改裝顯微鏡更他感受到工程實用性的魅力所在。

而早在2021年，丹尼爾‧韓便以一張色彩繽紛的蕨類植物孢子影像，在當年全球顯微攝影大賽（2021 Global Image of the Year，IOTY）顯微攝影比賽中獲得肯定，榮獲亞太區優勝。

這幅影像呈現新鮮採摘的蕨類植物葉子背面孢子囊爆開的瞬間，而蕨類植物的葉子和孢子囊群在紫外線照射下發出自發性的螢光。

這次得獎只是個開端。當時他便透漏正在拍攝更多與矽藻相關的顯微照片，並正在研究螢光及反捲積的影像處理技術，以提高作品品質。而他憑藉矽藻的排列影像，再度贏得2024年獎項。

著迷矽藻排列 自製顯微鏡克服拍攝難題

疫情初期，丹尼爾在網路上購買到一批老舊的矽藻玻片，並深深為此著迷。當他發現可以在顯微鏡下創作色彩繽紛、引人入勝的矽藻影像時，更是深受啟發，開始將多種矽藻排列成不同的形狀，試圖創造出獨一無二的藝術呈現。由於矽藻的細胞壁由二氧化矽構成，且不同種的矽藻形狀和形態各異，他更將矽藻形容為「大自然的玻璃寶石」。

得獎作品的排列由各種來自不同產地的矽藻組成，包括丹麥莫爾斯、法國聖洛朗拉韋爾內德、美國俄勒岡州和緬因州等；且為了達到美觀效果，他還添加了一些海綿骨針。

「玻片由一位封片技術正快速提升的朋友製作，並使用自己動手做的暗視野裝置拍攝」，丹尼爾表示在拍攝時確實遇到了一些挑戰。

首先是景深問題。由於矽藻較厚，為了克服焦平面的限制，他採用了Z軸堆疊（Z-stacking）技術，將多個焦點不同的影像合成一張清晰完整的圖片。

對比度也是一項挑戰。由於矽藻外殼為玻璃質，其折射率與蓋玻片和載玻片相近，導致本身幾乎沒有對比度。為了提升影像對比，丹尼爾使用高折射率（約 1.75 RI）的封片劑（註1），並結合暗視野顯微術與偏振光的技術成像。他表示，圖像中所呈現的色彩便是來自於光的干涉效應。

由於丹尼爾所使用的聚光鏡原本不具備暗視野功能，因此他也自行設計了一個托盤，能夠滑入偏振鏡上方，並在上面安裝遮光片以達成暗視野效果。而他認為，雖與傳統遮蓋光孔的方法不同，但光環的位置更靠近聚光鏡的後焦平面，可以得到更好的效果。

此外，為了確保足夠的視野範圍。他使用10倍物鏡搭配2倍放大轉換器（相當於放大20倍）只能拍到整個排列圖案的一半，便將兩組 Z 軸堆疊影像進行拼接，合成一張完整圖像。

「許多人認為必須使用像微分干涉對比（DIC）這類昂貴的成像技術，才能拍出引人注目的矽藻影像。但我認為其實暗視野與明視野成像也同樣具有價值，也能呈現出非常漂亮的效果」，除了沉迷於矽藻影像外，對丹尼爾而言，顯微成像的技術挑戰更是讓他著迷於拍攝顯微影像的原因之一。

丹尼爾認為市面上現有的顯微鏡裝置大多是為了科學研究或工業用途所設計，而不是為了藝術創作而生。「如果我能夠設計並製作出一個裝置，不輸甚至超越市面上所推出的官方顯微鏡產品，那種成就感是無法言喻的」，他如此說道。

而這份愛好也延伸到丹尼爾的生活。當他在戶外考察時，會隨身攜帶取樣工具，只要看到值得關注的微觀生物，就會順手取樣帶回家觀察。他還經營了一個Instagram帳號，專門展示他所拍攝的矽藻圖像，並撰寫部落格分享顯微鏡自動化的技術筆記與個人見解。

註解：

• 註1：真空 RI = 1、水 RI ≈ 1.33、玻璃 RI ≈ 1.5

參考資料：

• Showcasing Nature’s Glass Gems—The 5th Annual Image of the Year Award Asia-Pacific Winner
• From Tinkerer to Prize Winner: Meet the 2021 Recipient of the IOTY Award for Asia

延伸閱讀：

• 19世紀的科技藝術：矽藻玻片(2)
• 19世紀的科技藝術：矽藻玻片(1)