眼動辨識：新生物安全系統

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

蜂窩中，擔任「送葬者」的蜜蜂能在同伴死去的半小時內找到屍體，牠們是怎麼做到的呢？

蜂窩中的送葬者，靠味道找出屍體？

蜜蜂是一種社會性昆蟲，一個蜂窩中有幫忙照顧新生兒的保母，當然也有專門處理死去同伴的「送葬者」（undertaker）。這些工蜂有著很敏銳的嗅覺，能在同伴死亡後 30 分鐘內找到牠們，並把屍體帶離蜂巢。

死亡半小時遺體通常還沒開始散發出腐敗的典型氣味，要在漆黑曲折的巢穴中鎖定目標，靠得是某種特殊的香氣分子——碳氫化合物（cuticular hydrocarbons; CHCs）。這種化合物是昆蟲外表皮上蠟質塗層的一部份，有點類似我們洗完澡後塗的保濕，主要功能在維持身體的水分。

當蜜蜂還活著時，這些分子會持續散發到空氣中，方便彼此互相辨識。

遺體的加工實驗

科學家發現，當蜜蜂死去且體溫下降後，釋放到空氣中的費洛蒙也變少了。換句話說，屍體所散發的 CHCs 比活體還要少。為了證明這個理論，他們決定幫屍體加熱，然後連同普通屍體放置在蜂巢裡。

很快地，工蜂們在半小時內便清出了正常屍體；然而，即使只是增加個 1~2℃，這些加工後的屍體往往需要花費數個小時，才會被這些送葬者發現。

溫度影響了 CHCs 的發散

為了證明影響工蜂判斷的要素是 CHCs 的減少而不單純只是屍體的溫度高低，團隊又把死去蜜蜂身上的 CHCs 洗掉後加熱，放置在蜂巢內。這回，工蜂們正常發揮，90％ 以上的遺體都在半小時內被清除了。

經過這個加熱實驗，我們可以知道工蜂要能準確判別哪裡有需要清除的遺體，主要靠的是個體身上 CHCs 的發散量，而溫度，是影響 CHCs 發散的重要關鍵。因為加工屍體所散發的 CHCs 和活蜂濃度相同，讓工蜂誤以為死去的同伴仍活著，進而延遲了遺體被清除的時間。

參考資料

• How ‘undertaker’ bees recognize dead comrades

「就是看了很生氣啊！這種事情不是應該趕快解決嗎？怎麼會只能呼籲降低車速呢？」

看到台灣原生貓科動物石虎屢屢遭路殺（road kill）的消息而憤怒難受，蔣雅郁不是第一個，但她可能是第一個擁有應用力學加生化工程背景的博士，在台中的中興大學機械工程學系任教，而且更重要的是，她是位忠實的貓奴。

避免路殺只能放慢車速？創造友善的公路系統吧！

2016 年 8 月，蔣雅郁剛卸下倫敦大學生物化學工程學系博士後研究員的身份，從英國回到台灣。雖然她在歐洲的研究機構工作多年，但一直很關注台灣的議題。去年 11 月 3 日，一篇公視新聞網的報導《瀕絕石虎命喪國道 今年全台累積已七起》讓她發了火。「今年已經發生七起了？！我還是不懂到頭來，唯一能做到的方式叫做：大家放慢車速？積極作為呢？」而朋友在臉書下回的一句「哪會有積極作為」，讓她下了決心。

「老實說，這在工程上不難啊！」蔣雅郁認為，應用工程科技，用主動的方式讓用路人減速、或是用光波、聲波來減緩動物從淺山移動至馬路危險區域，增加雙方反應的時間差，或是讓動物根本不要上到路面，這些都不需要什麼高科技，身為資深貓奴，使命感讓她試圖扭轉石虎慘死輪下的命運。「我這個人很簡單，有貓我就推！」她說。

蔣雅郁養過四隻貓，也養過狗，都是領養來的。一開始爸媽也不太同意，但後來因為出國唸書，貓交給爸媽照顧，就像網路上流傳的有趣故事一樣，養著養著爸媽也成了愛貓一族。因為石虎瀕臨絕種，讓蔣雅郁更深入了解了路殺議題，才發現包括白鼻心、金門水獺、蛇類…..等太多動物都死於不友善的公路系統。「那就讓公路系統變友善吧！」，她想。

先從哺乳類開始設計的原因，倒不是真的只是因為愛貓愛石虎，而是因為哺乳類體型比較大、可以偵測到的訊號比較多，像是紅外線、熱感應跟聲感應都比較可行。就在看到公視新聞的當天，蔣雅郁打電話到農委會特生中心，但一開始沒連絡上致力於推動石虎保育的林育秀研究員，兩個禮拜後，心急的蔣雅郁正想再打過去，就先接到林育秀打來的電話。「如果當初雙方都發懶，放著不聯繫，這段合作可能就不會開始」，幸好兩個人都有著不放棄的性格，合作就此展開。特生中心與她打算從中小型的食肉目動物開始，設計出能夠救牠們一命的友善公路系統，未來也可以應用在兩棲類跟爬蟲類上。

要創造友善動物的公路系統，當然不能跳過公路主管單位。於是她們也拜訪交通部公路總局，沒想到一拍即合，公路總局也答應加入合作，計畫似乎水到渠成。

拯救石虎的重重關卡：設計要跨域、設備要在地

話說好萊塢電影塑造英雄的手法，通常是讓英雄出場先去救一隻貓，完成一件簡單又能展露英雄氣息的任務，只是現實生活中，拯救石虎的任務沒那麼簡單。蔣雅郁表示，設計感測器，要結合多種功能，彼此要能互相搭配。她們計畫是讓在遠方行駛的車輛在經過路殺熱點之前，感測器能先感測車速，發出警示，若偵測到路旁有動物，設置在路旁的設備就先打出光波跟聲波，讓動物先靜止，製造出時間差，不要上路被車撞。不過這也沒那麼簡單，例如紅外光雖然可以偵測動靜，但紅外光對某些動物可能有不良影響，於是也不能拿來就用。至於聲波，也得考慮如果動物聽久了，會不會習慣，於是就沒用了？

另外，這設備發出的光跟聲音會不會破壞周邊棲地，對植物跟微生物、以及小型爬蟲類帶來負面影響？這些關於生態學與動物休眠的知識，蔣雅郁不熟，所以更需要跨領域的專家加入合作。除了前面提到的特生中心石虎保育團隊以外，野生動物急救站還有路殺社的研究員也都加入了這個計畫，團隊中就只有蔣雅郁一個人是工程出身。公路總局則是道路專長，並協助評估感應元件架設上的問題。

就算設備元件沒問題，更難的是「操作」。雖然是淺山地區，但石虎跟淺山動物出沒處旁邊其實是有住家的，如果要打聲波或光波，可能會干擾居民，而若要把設備建立在私有地上，要取得土地也是難關。問題一波波湧上，就一個個解決吧！團隊拜訪熱點區域的鄉長跟里長，並請公路總局協調，目前已選定兩條示範道路作為試辦路段，一個在集集，一個在苗栗。

然而，試辦也不是說蓋好兩個月之後，沒有路殺就是好棒棒。公路總局希望前一兩年是測試期，但如果設備放上路面，沒辦法放了再一直調校，得先自己找塊地來模擬。「我沒有自己的地可以做前測，替代方式是先用 Arduino 做一個可移動的版本」蔣雅郁說，她以及學生已經開始實驗，以取得可靠參數，實驗將進行兩年。

當然，蔣雅郁也調查過國外有沒有類似的解決方案？不過她目前看到的都是被動的，不像團隊這個方案是主動的。另外這些國外方案都聚焦於提醒人類，而不是動物。當然，她認為即使如此，國外的對人警示標示還是比台灣的明顯，是可以改進的方向，例如當車輛進入熱點，就主動提示駕駛放慢速度。國外也有使用閃光來直接警告動物，但主要是設置反光板，將車燈的光折射到山裡，這做法奏效的前提是道路得是直線的，如果是連串彎路的話就沒用，而台灣的山路卻是彎來彎去。

今年一月份，蔣雅郁就跟特生中心的夥伴一起去集集跟苗栗的熱點觀察，看有沒有涵洞等生物通道，以及通道是否清空，並請公路總局注意。另外也架設攝影機，看通道是不是真的有動物使用，畢竟目標是減少路殺，各種方案都要試。「目前跟公路總局合作，給計畫團隊的自由度蠻高的，也都同意該趕快來做，因為預防路殺除了保住動物生命，也能減少駕駛為閃避動物而造成車禍」，蔣雅郁說。

物理技術就算解決了，心理感受這關還得過。台灣的淺山區域其實民宅很多，「只是往山上走一點」蔣雅郁形容，她也聽說某個鎮的鄰里長比較支持石虎保育，其他的則不那麼挺。石虎與許多農友之間，充滿愛恨情仇，她也聽過「這種會吃雞的大貓被撞死也好」的說法。所以特生中心的夥伴計畫要加強環境教育，跟農友合作，創造多贏局面。舉例來說，現在越來越紅的「石虎米」就是苗栗通宵楓樹里的農友以友善環境、不噴農藥的方式種植，讓石虎可以安心捕捉會在農田出沒的鳥類、老鼠、野兔。而當石虎可以成為農作物的品牌，也能吸引更多人關心。另外，更有南投中寮地區的農民也自主組成友善農作組織「石虎家族」，至今有超過 31 戶農場加入，希望能讓石虎以及棲地生態成為中寮的驕傲。

為了加快實驗速度，蔣雅郁常自掏腰包買設備，也主動上 PTT 徵才，希望可以找到更多的人來幫忙。「我相信擁有關鍵技術的人不一定在我們同溫層」蔣雅郁認為，關鍵是要讓大家投入，當更多人有參與感，就會發現這件事有多重要，就像她自己一開始只是覺得石虎的消息太悲傷，但後來才知道苗栗道路闢建的問題、棲地破碎對生態的影響，才更加投入。她希望新加入的成員有 maker 與科學家精神，能從車流、車速、車輛預警系統、感測器等方方面面的實作與數據中找到解方。

先前提到，團隊中生態背景的專家現在不少，所以她希望找到至少有一點工程背景的人加入。有些機械工程背景的學生雖然心有餘，但不太理解自己能做什麼事情，特別是該怎樣跟生態的人配合；但蔣雅郁相信，很多生態保育的議題，解決之道就在於跟不同領域的人互相結合。她自己的求學與工作經歷也是一直跨領域：大學念機械、碩士念應用力學，博士去德國念分析科學跟生物化學，在英國則研究化工。當初回台灣面試教職時，也曾被問跨那麼多領域，跟機械有什麼相關？但這反而成為她的優勢。

她應用流體力學，操控流體裡頭的細胞、病毒、抗體來做研究，設計適合生物學家與醫生用的晶片、像是神經細胞連結的平台，讓科學家能觀察單顆幹細胞怎麼分化，提供其她領域專家用更好的工具去回答更困難的問題。也因此她的實驗常常需要跟化學家、生物學家、醫生等合作，跨領域是常態。

蔣雅郁透露，為了加快速度，其實還沒拿到計畫經費，自己就開始做了。接下來她希望能把系統價格降低，學習「空氣盒子」計畫，全部開源（open source），讓住在附近的居民都可以一起參與。目前晶片整合還在設計，但推動至今，蔣雅郁深知這是一個社會改造層級的計畫，不能只靠公部門從上而下，或是小小團隊一頭熱，這樣反而會讓大部分的人民不知道自己可以做些什麼。「如果有機會可以讓大家一起來投入，那就更好了」，她說：「我其實覺得我自己不是這個問題的專業，但我不懂為什麼比我厲害的人沒有跳出來做，所以我就跳出來了」，「現在很多要跟著大家一起學，我也還在學」。