hTC上太空

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

文／黃正中｜國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試，已經接近尾聲，預定在今年五月運往美國加州，太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場，進行發射前的健康檢查，然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號（Falcon 9）火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星，搭載高解析度的彩色相機以外，以及中央大學研製的先進電離層探測儀（AIP）。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導，所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」　衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內，總計有88顆衛星一齊升空，可能創人類有史以來，最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外，還有許多創新技術，包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中，第一、二節火箭分離之後，回收第一節火箭；第一節火箭重新整理後可望再次使用，並降低商用火箭發射費用。

這一次獵鷹九號的整流罩裡面，有兩個主要的火箭酬載銜接環，樓上搭乘的是「福衛五號衛星」，樓下搭乘的是夏爾巴（SHERPA）銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司（Spaceflight Inc.）發明衛星的衛星彈射設施，這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間，以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面，並且能監控衛星的健康狀態，回報控制中心，這種創新、低價格的發射服務，在市場上相當有競爭力。

SHERPA（夏爾巴）或稱為雪巴人，是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族，堅忍耐勞，為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施，它提供標準空間尺寸，給需要搭乘火箭到太空的衛星，或其他任務所使用。

5、4、3、2、1 發射！

伴隨著轟隆隆的聲音，福衛五號和其他衛星，以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空，面對太平洋，朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘，距離發射場約 1100 海里，就抵達 723 公里高的太空任務軌道，這時福衛五號衛星與火箭分離，開始進行早期軌道操作。

• 編按：范登堡原誤植為東岸，經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星，將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊，非洲蘇丹的上空，此時夏爾巴與火箭分離，逐漸釋出衛星，各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間，釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

87 顆衛星們要去哪裡？要做什麼？

這次火箭發射引發的關注，不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射，其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地，也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星，它們所要執行的任務也相當有趣，以下介紹其中幾個它們的「超級任務」：

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務（E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission）」，這是生醫奈米衛星的太空實驗，也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作，調查大腸桿菌在太空微重力下，會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌，主要生存於大腸內，一般不會致病，而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌，在少數的情況下也會導致疾病，例如離開腸道進入泌尿道會導致感染，或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病，需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌，但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性，影響藥效。大腸桿菌在微重力下，是否會使它的抗藥性改變，而成為太空人健康的隱憂，特別在長時間執行任務下，太空人的免疫系統可能逐漸減弱，更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策，保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

成立於 2012 年的美國行星資源公司（Planetary Resources），是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限，太空資源無窮」。

在太陽系，天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星，其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成，而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例，未來太空旅行時，這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」，提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機，他們開始為太空船或衛星探勘，了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源，可以做為未來太空船中途加油的供應站，因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外，最近高科技的發展，使得傳統以及通訊產業，對於鉑金屬需求越來越大，從催化轉化器、珠寶首飾，到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯，但已越來越難開採。不過，未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源，甚至，只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星，開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機，本次火箭發射，行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統（mid-wave infrared imaging system），可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量，任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試，這次任務若順利，未來才能實際運用在探勘小行星上。

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

夜晚遙望蒼穹，激起人們挑戰太空，探索未知世界的雄心壯志，然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料，才能進行遠距離的太空旅行，所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境，他們從風箏的飛行得到靈感，希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力，來達到在太空自由活動的想法。他們思考，若可以設計一個人造衛星，利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動，降低對於燃料的依賴，是否可能成功呢？

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中，有個名稱為「CNU 帆奈米衛星（CNUSail Cubesat）」的太空計畫。當火箭抵達太空以後，邊長約 13 公分的立方型奈米衛星，將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」，「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成，利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角，進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上，衛星所攜帶的燃料多寡，是衛星任務壽命的關鍵，假如「太陽帆」實驗成功，理論上除非衛星上的元件故障，衛星將可以長期運作不退休。

4. 雙星計畫—兩個衛星，一台望遠鏡

這次獵鷹九號火箭，搭載很特別的「雙星實驗」計畫，包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星，將發射到太空之中，研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星，或難以捉摸的日冕現象。

「雙星計畫」特別的點在於，這兩顆衛星——小的有反射光線的設施，大的帶有光學電子取向單元（Electric Unit）具有偵測的效果，當兩顆衛星進入太空以後，小顆的奈米衛星翻滾的過程，會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星，共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源，因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動，達成「掩星」的條件，從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動，研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了，依然會變成太空垃圾，這時該怎麼辦呢？這一次，有一顆「喚醒微衛星（eXCITe microsatellite）」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）」推出的計畫，目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試，主要的構想是使用太空機器手，組裝稱為「衛星模組（satlets）」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤（15 磅），分別是主要的衛星次系統，例如電源，控制器和傳感器等等。一旦任務所需，能夠快速的反應，將所需要的次系統運送到太空軌道，快速提供零組件，用以佈署和維修損壞的衛星。

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星，這代表太空還有許多新領域等著我們去探索！除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外，我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝！