方向性力回饋的觸控! Tactile Display With Directional Force Feedback

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

• 【科科愛看書】我們是如何認識世界的呢？除了眼睛、鼻子、耳朵，我們居然也可以用皮膚來「看」或「聽」！在觸覺的力量下，絨毛毯讓你更安心、熱奶茶讓你變溫暖，這到底是什麼神奇魔法！？踏入《觸覺不思議》的世界，從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，重新為你定義感官，讓你大開皮膚界（？）

觸感好難捉摸？看看科學怎麼說

到目前為止，我們都沒有明確定義何謂觸感，在此先為大家進行概念的整理。一般而言，皮膚感覺即稱「觸覺」；相對於此，本書所謂的「觸感」，則偏向指稱經由觸摸而產生的主觀體驗。

老實說，在這個定義下的「觸感」，是科學難以駕馭的對象。重視客觀性的科學，並不善於處理「我所感受到的感覺」這種無法具體呈現的主觀感受。科學處理的是皮膚、神經、大腦、語言表徵、行為等，所有人都能觀察到的外在世界。雖然將主觀量化的心理學法則也日益發達，但主觀的體驗與客觀的科學之間，還是存在著一道無法跨越的藩籬。

科學的觸手之所以不容易伸進觸感的領域，除了因為觸感是主觀的感受，另一項理由就是因為我們所感受到的觸感實在太多樣了。

觸感的生成並非僅來自皮膚的感覺（觸覺），其他的五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺）或甚至語言、記憶等高階認知功能，都會和觸覺結合，生成獨一無二的觸感印象。

關於這個部分，後續會按部就班地說明，不過在那之前，我們先來看看本文要介紹的──觸感形成的根源「觸覺」的運作機制吧。

即使是單細胞生物的草履蟲，都擁有感知細胞膜受到接觸、溫度變化或化學物質等廣義的觸覺。透過觸覺這種生物史上最早出現的感覺之運作，我們將帶領各位一窺人類認識外界的、這令人驚嘆的系統一隅。

體內體外，感覺其實不太一樣

相較於其他五感，觸覺有幾項獨有的特徵，其中之一是獲得感覺的部位不像眼睛或耳朵，而是分布於全身上下。皮膚的總面積為 1.6 至 1.8 平方公尺（約一張榻榻米大），重量約為三公斤。全身上下的表皮不僅是人體最大器官，更是感受觸覺的界面。

除了皮膚感覺，人類還有另外二種以全身接收的感覺。一種是「胃痛」、「肚子餓」等感受內臟狀態的「內臟感覺」，另一種是感受肌肉、肌腱、關節位置或運動的「本體感覺（深部感覺）」。

由於本體感覺與皮膚感覺相互關聯，因此我們平常不太能夠區別這二種感覺，大多體驗為同一種感覺。也因為如此，這二種感覺也被合稱為「體感覺」。

問題來了，如果視覺感受的是光，聽覺感受的是聲音，那麼觸覺感受的是什麼呢？

用最簡單的概念來說，就是皮膚的變形。說得更明確一點，就是位於皮膚底下末梢神經前端的觸覺感受器，會感受到由壓力或振動所造成的細胞變形。

薄薄一層皮，竟藏著五花八門的觸覺感受器

身體的觸覺感受器依功能不同，可分成數種類型。

最原始的觸覺感受器是「游離神經末梢」，由感覺神經分支而成，廣泛分布在皮膚內。游離神經末梢能夠感受到痛覺、溫度或癢，但也會對外力接觸造成的壓力有反應。尤其是纖細的感覺神經 C 纖維對熱、壓力及化學物質都會有反應，因此又稱「多類型感受器」。這種神經負責的是痛、冷，還有舒適等感覺，目前可知的是，當我們用軟毛刷子緩緩刷過毛髮生長部位的皮膚（亦稱「有毛部」）時，C 纖維便會有所回應。

在游離神經末梢當中，也有一種類型會纏繞著毛根。毛會發揮槓桿般的作用，當有外力接觸到毛的尖端，毛根部的神經就會敏銳地察覺到受力。老鼠的全身幾乎被毛所覆蓋，牠們的毛根部就分布著二種游離神經末梢，和一種較粗的感覺神經，因此可以第一時間察覺任何風吹草動。

其次介紹更高階的觸覺感受器，是一種由粗的感覺神經所傳導，並附著在該神經前端的特殊構造（又稱「機械性受器」）。目前為止已經發現四種類型的感受器，這四種類型有何差異呢？就是主要負責的振動頻率不同。

舉例而言，負責感受形狀凹凸不平、表面的邊緣，或者受到輕輕按壓的壓覺的是「默克細胞」。感覺像拍手這種速度的振動，或是「咻」的滑過去的光滑感，是由「梅斯納氏小體」負責回應。這二種類型又以手指的分布密度最高。

位於皮膚深層的「巴齊尼氏小體」則對更細微的振動，例如砂紙的粗糙感或芒草穗子的顆粒感，會產生敏銳的反應。最後一種「魯斐尼氏末梢」據說對皮膚的牽張有反應，但關於其解剖學上的理解或如何透過神經傳導觸覺刺激的機制，目前仍所知甚少。

如果光憑原始的感覺神經（游離神經末梢），即使能夠知道自己正在被觸摸，也無法進一步辨別接觸到的東西是什麼形態，不過有了這四種特別的觸覺感受器，即可鎖定對象的特徵，因此據推測這些應該是在生物演化史上後期才出現的觸覺感受器。

想觸摸世界，只有一種感受器可不夠

我（仲谷）曾在 2014 年與哥倫比亞大學的馬場欣哉博士、艾倫．蘭普金（Ellen A. Lumpkin）博士等人，共同投入一項探討細胞構造的研究，並證實被外力輕壓的訊息會透過神經傳導¹。這件事早在 1875 年，就已由德籍解剖學家默克（Friedrich Sigmund Merkel）提出假說，但直到約一百四十年後，才首度獲得科學證實。

前面談論的都是有關皮膚可以察覺到細胞的變形（壓力、振動或滑動）一事，但皮膚底下還有其他可以感受到溫度（冷與熱）的感覺神經。此外，皮膚也有傳導痛、癢的感覺神經，不過我們認為這二種與構成可以感受物體材質的「觸感」的神經是不同的類型，因此在本書所占的篇幅較少。

感受細胞變形的感受器，與感受溫度的感受器──觸覺感受器大致上可以分成這二種。擁有這二種感受器，我們才能感覺到橘子皮的濕潤與顆粒感，或是像絲綢一般涼爽而光滑的感覺，仔細想想，不覺得很奇妙嗎？這種奇妙不僅來自皮膚的感受器，更結合了觸摸的動作，或是觸覺以外的五感等各種要素。

接下來，就一起探索全身上下的觸覺感受器與您自己所感受到的「感覺」之間，究竟存在著什麼奧祕吧。

參考資料：

1. Maksimovics S, Nakatani M, Baba Y, Nelson AM, Marshall KL, Wellnitz SA, Firozi P, Woo SH, Ranade S, Patapoutian A, Lumpkin EA, Epidermal Merkel cells are mechanosensory cells that tune mammalian touch receptors. Nature, 509(7502):617-21, 2014

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。

• 【科科愛看書】我們是如何認識世界的呢？除了眼睛、鼻子、耳朵，我們居然也可以用皮膚來「看」或「聽」！在觸覺的力量下，絨毛毯讓你更安心、熱奶茶讓你變溫暖，這到底是什麼神奇魔法！？踏入《觸覺不思議》的世界，從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，重新為你定義感官，讓你大開皮膚界（？）

一杯熱咖啡就能影響你對人的判斷？

2010 年，一篇刊載在美國《科學》（Science）期刊上的論文，對追求「觸感」的我們帶來衝擊。耶魯大學的約翰．巴奇（John Bargh）博士的研究團隊證實，我們的思考會受到觸感影響¹。雖然我們相信自己是根據自己的意志判斷眼前的事物，但巴奇博士等人卻提出違反這項直覺的實驗結果。

他們在實驗中讓受試者看陌生人的肖像照並評斷其人格。受試者已事先被分為二組，一組供應的是熱咖啡，另一組則供應冰咖啡。

好了，你認為結果如何呢？事先拿到熱咖啡的人比拿到冰咖啡的人，有更高的機率判斷照片裡的人是「溫暖的人」。因為手心接觸到的物體溫度，影響到他們對照片中人物的人格判斷。

巴奇博士的研究團隊又進一步設計出另一項有關溫度感覺與信賴關係的實驗²。他們在這項實驗中讓受試者進行投資遊戲，並在受試者左手的掌心上放置冰冷的物品或溫熱的物品。結果受試者在受到冰冷的溫度刺激情況下，投資額會變少。這也就是說，手一冷，心似乎也跟著變冷似地，對他人的信任度便隨之下降。

軟綿綿的沙發，融化你的心房

影響判斷的不只是溫度而已。根據某項實驗³ 顯示，請對方入座展開交涉時，讓對方坐柔軟的沙發比坐硬邦邦的椅子，更容易使對方答應我們的要求。看來柔軟的觸感似乎能讓對方的態度「軟化」。

還有另一項實驗³ 是讓實驗參加者扮演面試官的角色，其中用來夾履歷表的板夾，又分成重的與輕的二種。結果拿到重板夾的那一組，傾向於把求職者判斷為更重要的人物。

身體承受的溫暖、柔軟、重量等觸感，並不是隨時隨地都會引起注意，然而我們似乎還是會在不知不覺間，在觸感的刺激下作出決策。這個所謂具身認知科學的研究領域，近年正如火如荼的發展中。

為什麼觸感會影響判斷呢？有這麼一項假說：以「寒冷」為例，當人體受到寒冷的刺激時，主掌價值判斷的大腦扁桃體會做出回應，而由於「寒冷」有可能對生命造成威脅，因此大腦會判斷這是危險訊號，進而對於寒冷刺激物產生躲避的行動。據推測可能就是這個原因，造成「不信任對方」的結果。

人與人相處，其實離不開觸覺

在此稍微岔個題， 咖啡的「 溫暖」與評斷人格時的「溫暖」，兩者使用的雖然是相同的形容詞，但後者是用來表達抽象概念的比喻手法（隱喻）。沙發的「柔軟」與人的態度的「柔軟」、板夾的「重量」與人物的「重要性」（使用的都是「重」這個字）⋯⋯諸如此類，在我們用來表示人際關係的用字遣詞中，隨處可見觸感的蹤跡。

再來找找看其他日常生活中頻繁使用卻不自覺的觸感比喻吧。「乾」、「滑」、「輕」等觸感，聽起來也像是在表達某些類型的人格。米蘭．昆德拉（Milan Kundera）的小說《生命中不能承受之輕》，則是以「重量」的觸感進行轉喻的例子。我們藉由身體所承受的觸感，理解自己與他人之間的關係，而這同時也反應在語言表徵裡。

參考文獻：

1. Ackerman Jm, Nocera CC, Bargh JA, Incidental haptic sensations influence social judgments and decisions. Science, 328(5986):1712-5, 2010
2. Kang Y, Williams LE, Clark MS, Gray JR, Bargh JA, Physical temperature effects on trust behavior: the role of insula. Soc Cogn Affect Neurosci, 6(4):507-15, 2011
3. Ackerman JM, 2010 et al. 2010

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究，探索你從不知道的觸覺世界》，臉譜出版。