2020年國際科展現場直擊2：哪些因素會影響海平面的高度？絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的？

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

從上兩篇國際科展研究介紹，能看出中學生對生活、自然界的重視。源於對生活的熱情，行為與社會科學科和電腦科學與資訊工程科的學生們也從人類習性的角度切入，產出有趣的主題。所謂科技來自人性，科展主題也來自對生活的探索與對自身的好奇。

【行為與社會科】：視覺中的鬼影是哪來的？

臺北麗山高中周芷語、謝宜薰在看到《國家地理》雜誌探討視覺的文章，對自己視覺中所產生的鬼影感到驚奇。赫曼方格是因人體視網膜的「側抑制作用」而造成的，在某些視覺刺激較強時，接收到周圍較弱訊號的細胞會被覆蓋。在赫曼方格的例子中，黑方格與白線條中會有錯覺造成的灰點。

兩人疑惑赫曼方格會讓人感覺黑色方格間白色線條的交會處出現暗點，但一般穿著的格子衫卻很少會出現這個狀況，萌生出想進一步研究的想法。他們的作品獲得本次大會獎二等獎。

研究中針對三種視錯覺中生理錯覺的赫曼方格來探討，他們將赫曼方格套入不同配色，以 RGB 色法去定義對比色、互換色和相近色，再將這些方格設計為格子衫，讓受試者觀看並探討消費行為。

由於傳統的赫曼方格（黑白配色）所受到的側抑制較明顯，較易產生生理錯覺，並且在黑白色互換後因眼球較激烈的顫動（saccade）使得閃爍程度上升，導致眼睛易感到疲憊。不同顏色的赫曼方格則會受到視桿與視錐細胞的影響，導致我們看到不同的生理錯覺。例如看著紅綠格子衫時，正常視覺下鬼影的出現和灰點閃爍程度皆為零，然而紅綠色盲的受試者卻會看到鬼影——這樣的差異，就會影響到受試者是否較有意願購買這種配色的衣服。

提及未來的研究方向時，周芷語、謝宜薰提及應該要再修改問卷設計，並且未來進行實驗時，期望能運用眼動儀和腦波儀來使實驗結果更精確。

【電腦科學與資訊工程科】運用空間物品記憶裝置建構搬運機器人

台北內湖高中廖子游、邵明諒、林禹丞表示，先前於全國科展時，他們研發 AR的相關軟體，希望能經由環境物體辨識和定位，導航出指定物品的正確位置。延伸功能若能夠套用在機器人身上，能使機器人與人之間有更良好的互動，且能更合乎我們的訴求。

團隊研發一款 AR 記憶眼鏡，能在日常生活中建構整個空間，並利用特徵點建構平面並辨識物體，標記出這個物品在空間中的地點。即使被記憶的物品是放在抽屜中，或是剛好在記憶眼鏡視野的正後方，也能夠藉由記憶中的方位與距離正確引導出物品的所在位置。如果能進一步將這樣的記憶資訊傳達搬運機器人，擁有空間記憶的機器人就可以正確找到尋找的物件，並做出妥善的處理。舉例來說，我們吃糕點時常一不小心就掉屑屑，此時若人類配戴 AR 記憶眼鏡，可以迅速讓掃地機器人趕到現場進行清掃。

關於自己出色的設計，他們表示就高中生而言能運用的經費有限，無法購得實質的 AR 眼鏡。不過，三人藉由手機裝載自製 app，再將手機放入 AR 眼鏡殼來模擬 AR 眼鏡的畫面，並以有線耳機上的音量鍵作為操作眼鏡的控制器。真正的挑戰是物件識別的整合、數據資料的處理，以及要讓程式計算出正確的物件方位和距離。

儘管年紀尚輕，這些充滿創意的中學生們身上已散發著渾厚的科學家氣息。無論是對於周遭未知的問題窮追不捨，又或者能從簡單原理發想新的創意。雖然有時會受限資源不足，他們都細心地對此進行嚴謹的研究，即使挫敗也不輕易言棄。這樣願意親自深究，挖出未知背後的真相，正是研究學者所應具備的精神。

期許未來能有更多同學能運用課堂中的知識，在科展中一顯身手，明年我們在科教館不見不散！

今年（2020）的臺灣國際科學展覽會於 2 月 7 日早上公布了國內各科別獲獎人、大會青少年科學獎，以及將作為臺灣代表出國競賽的隊伍。評審總召集人林榮耀院士講評時，表示國內學子無論選題、表達力、邏輯推理能力皆較往年進步，期望今年能獲得更好的成績。

泛科學也派出記者於 2 月 6 日的公開展演時來到科展現場，讓我們一窺 2020 年臺灣中學科青們的汗水、熱情與青春（？）吧！

特別說明：受限於現場展出作品繁多，優秀作品無法盡數，此處介紹僅以記者有機會面對面採訪者為主。如果你很失望你的作品沒有被介紹到，歡迎投稿給我們！

【數學】三十秒區分三角形的軟硬

來自於臺北中山女高與基隆中正國中的劉垣妏和陳品妘同學，開啟了三角形辨別的研究之旅，並獲得大會四等獎。

你知道有三角形可以分成軟三角形與硬三角形嗎？如果某一三角形存在一條非角平分線的賽瓦線（Cevian，即從三角形一個頂點到對邊的線段）將三角形分成兩半，其上有原角平分線的那一半能塞進沒有角平分線的另一半三角形，則定義其為「軟三角形」；反之則為「硬三角形」。

我們已經知道，如果用角平分線將一三角形切割為二，則此兩個三角形其中一個必定能（加上旋轉或鏡像）放入另一個。但如果將線段朝比較大的三角形移動一些，多切一點點呢？有些情況下較小的三角形仍可以放進去（在此定義為「軟三角形」），有些三角形則不行（三個角都不行則在此定義為「硬三角形」）。舉例來說，正三角形以角平分線分割為鏡像對稱的兩個三角形，但如果以非角平分線的賽瓦線分割，原有角平分線的那個三角形必定大於另一個，因此依前述的定義，正三角性為「硬三角形」。

硬三角形這看似純數學味滿滿的名詞，其實與我們的生活十分貼近。舉例來說，設計三角凳的造型時，還需考慮凳子的負重是否平均，三角形的剛性能使負重平均，也傢俱造型的設計必須考慮到這點，否則這把凳子很快就會在某位運氣不好的朋友身下告終。

他們設定研究的三角形為 ΔABC，固定 ∠A、AC 線段的角度和長度，將 B 點慢慢延 AB 線段往 ∠A 推，依他們所設條件所畫出的丙、丁三角形若恰不能塞入另一個三角形，則紀錄下此刻的 ∠B 大小，再以 ∠A 的角度大小為 x 軸，∠B 的角度大小為 y 軸，分別畫出不同 ∠A 的大小下，所能得最大和最小的 ∠B 角度的曲線圖。

劉垣妏和陳品妘再由丁三角形要放入丙三角形 18 種不同方式中進行排除，留下可能的 7 種擺放方式進行探討。並在遇到問題時引入圓錐曲線畫一個橢圓，找到臨界點的位置後，進一步算出 ∠B 的最大值是多少。

在分析完 7 種唯一可能達成軟性三角形擺法的 ∠A∠B 曲線圖後，最終兩人得出了一個能簡易判別軟三角形與硬三角形的流程圖（見下圖）。

【物理與天文學】以指尖陀螺研究離心機設計

在本次科展獲得大會獎二等獎的臺北美國學校的周尚蓉於實驗課中發現：市售的離心機角度都設計將試管相對於水平面 45 度斜下擺放。但到底是為什麼呢？她上網搜尋文獻與販售離心機公司的網站，都沒有獲得解答。

此時她想起先前新聞報導中，台灣團隊以指尖陀螺分離血清的報導，決定以指尖陀螺為離心機模型，找出最佳的離心機設計。這個實驗分為兩大部分：

1. 旋轉平面相對於地面之角度：針對指尖陀螺旋轉平面相對於水平的角度（0-90）進行轉動時間、轉速的分析。
2. 樣品離心研究：於指尖陀螺各端加上小小的聚乙烯管，內灌有充當分離物的樹酯，進行分離結果量測與分析。

她測量指尖陀螺的發現，每個轉動角度依其轉速的變化可分成兩階段：高速指數階段和低速線性階段。

若由高速指數階段變為低速線性階段的時間點愈晚，則維持轉動的時間會愈長。40 度角進入低速線性階段的時間點最快；而 90 度則幾乎全程轉速都維持高速指數階段，並擁有最長的轉動時間。

然而在加上模擬離心樣品後，實驗結果卻出乎預料——轉時最短的 40 度效果的分離效果最佳，而原本擁有最長時間高轉速分離的 90 度離心結果卻是倒數第二。藉由分析 0, 30, 40, 90 度傾角的向心力後推論，在 0 度和 90 度時增加樣本質量，所受的變化最為顯著，對加速的影響可分別達 13.4% 和 11.1%；相對地，30 度和 40 度則最不易因增重而影響其表現，對加速的影響僅有 2.6% 和 1.0% 。

透過本次的實驗，周尚蓉得出使用指尖陀螺旋轉平面與水平夾角在 40 度、而試管與轉軸垂直時，方能有最效率的離心效果。只不過，至今她依然仍無法以物理與數學完整解釋成因，只能提出目前的觀測結果。

下篇中，讓我們一起來瞧瞧更多的科展成品吧！2020年國際科展現場直擊：那些因素會影響海平面的高度？絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的？