一般的馬達是利用電磁線圈感應的方式把能量換成動能，但是因為複雜的結構以及金屬構造的限制，在有些地方，例如單純的肌肉狀伸縮、生物相容，不需要潤滑或是想做的更微小化上會受限制。
很多的研究在尋找更簡單把電轉換成運動的方式，這影片介紹利用介電彈性體(dielectric elastomer)來作為旋轉馬達。在白色高分子膜的兩邊有可變形的碳電極，當有外加電壓的時候，因為加在電極上的電壓會造成電荷累積，讓兩電極相吸，然後介電彈性體經兩側電荷的壓縮而伸長，只要幾組不同的伸縮膜就可以造成有方向性的旋轉收縮來造成轉動(這影片的設計是利用像是機械手錶的單方向上彈簧-ratcheting-的方式)。這樣的高分子經由電而產生變形的技術還被用在很多的地方，例如直接做成人工肌肉、微流體晶片上的驅動裝置、或是手機上觸控螢幕的觸覺回饋膜等等。
本文原發表於科學影像Scimage[2011-04-25]
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。
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：
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：
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。
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）」：
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。
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：
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。
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：
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。
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
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編按：尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師，然而在他少年時期有次感染了霍亂，被醫生宣判可能回天乏術，特斯拉對父親說：「如果你同意讓我去唸工程科系，我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。
一年的身體調養期結束之後，我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻，在充裕獎學金的資助下，開始我的大學學業，我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜，我的學習底子優於一般學生。
進入大學之前，我已經學會多國語言，也啃讀了不同圖書館的藏書，多多少少汲取了有用的資訊。另外，這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀，所以畫圖再也不會成為我的困擾。
我立志要給父母親一個驚喜，所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷，連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度，我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束，我通過九科考試，教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。
我帶著這張獲得褒揚的成績單回家，在短暫休息過後，我滿心期待著能贏得父親的稱讚，但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候，我深感受傷，這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。
但是父親死後，我發現了一疊信件，全是學校教授寄來的，信上說除非父親把我帶離學校，否則我會因為用功過度而沒命，看完後，我悲痛難抑。
此後，我全神貫注在物理學、力學和數學上，閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情，一定會有始有終，因此常常給自己招來難題。
有一次，我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作，看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀，令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作！我下定決心一定要全部讀完，但當我放下最後一本伏爾泰的作品時，感到無比暢快，說：「結束了！」
我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞，也與他們建立起情誼。包括了：羅格納教授，教授算術和幾何學；包施爾教授，教授理論及實驗物理學；奧勒博士，教授積分，專長在積分方程式，這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展，經常會在下課後留一、二個小時給我，出題讓我解答，我很樂意接受這樣的安排。
我跟他解釋我的飛行器構想，這項發明是建立在合理的科學原理上，不是天馬行空的幻想，我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真，很快就會展現在世人眼前。
羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者：羅格納教授的自我表達方式很奇特，每次都會引起一陣騷動，然後是一段長長的沉默和尷尬；包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人，他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳，但他的實驗都被精準無誤的執行，展現如鎖芯般精密的高超精準技巧，沒有一點閃失。
在校第二年，學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ，它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵，以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後，這部機器展現了各種不同的電流效應。
包施爾教授在示範時，把它當作馬達在操作，結果電刷出現故障，火花亂竄，我在一旁觀察發現：沒有這些裝置，馬達仍有可能運轉。
包施爾教授宣稱不可能，並且請我就這個主題上臺報告，他最後在做總結時如此說道：「特斯拉先生也許會有了不起的成就，但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力，猶如把重力轉變成旋轉力，這是一個永動機的概念，不可能成功。」
但是，直覺超越知識，當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候，無疑的，我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。
有一段時間，我迫於教授的權威而猶疑不定，但是我很快就相信自己是對的，然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心，擁抱這個不可能的任務。
首先，我在心中勾勒出一部直流電發電機，使之啟動運轉後，緊盯觀察電樞電流的變化。然後，我會另外想像一部交流電發電機，觀察在相同情況下其運作過程。接下來，我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統，並用各種方式測試其運作情況。
我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實，具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題，直到離校前依舊毫無斬獲，我差一點就要舉白旗投降，宣判這個問題無解。
「電動車」使用者一直跟行動不便的身障者、從菜市場滿載而歸的老人，或在觀光景點悠閒環湖的遊客劃上等號，只是現在，這種刻版印象應該要改觀了！
有鑑於其緩慢的速度，電動車長期被框架在既定使用模式下，但就在今年夏天，出現了一台不同於以往、甚至可以說是直攻痛處的智慧型電動車－Gogoro。究竟它是如何破解「魔咒」？這台挑戰限制的前驅者，其創新便是來自於它動能的靈魂──馬達：
馬達（又稱為電動機）是一種將電能轉化成機械能、再以機械能產生動能來驅動裝置的電氣設備。那馬達是如何運轉的呢？這要來談談「電」與「磁」之間的微妙關係，如果將指北針放在導線附近並通上電，就會觀察到指針有明顯的偏轉現象，這表示當導線中有電流通過時，其周圍會產生磁場（指受磁力所影響的場域範圍）。當通電的導線放置於以固定磁鐵產生的磁場內時，利用電流磁效應可使導線移動，若電流方向不變就會產生連續的轉動，因而產生動能。透過下圖的示意圖可以理解如何從磁場和電流方向，利用「右手開掌定則」來判斷受力方向。
知道馬達如何轉動後，該如何讓它的動力提高呢？這取決於「電磁鐵」磁場的強度，那電磁鐵又是什麼？電磁鐵便是以通電來產生磁力的裝置，從「右手安培定則」可以知道，當直流電通過螺旋狀的導體時會產生具有方向性的磁場，若在螺旋線圈中加入磁性物質（如鐵芯），此磁性物質便會被磁化且達到加強磁場的效果。一般來說，磁場的強度和電流大小、線圈匝數和磁性物質的材質有關，電流越強、線圈匝數越多，磁場就會越強，動力也會提高。
和一般市面上現有的電動車相較，Gogoro 的馬達產生的動力較高，但體積卻相較小上許多，這顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法，其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。為了解密其中的技術，泛科學專訪了 Gogoro 研究團隊，團隊表示 Gogoro 的馬達原以電腦先行模擬、運算出銅線編織結構，再請經驗老道的師傅手工纏繞，但以普通方法並無法在預期的體積內完成此纏繞模式，「這不是科學上的創新，而是技術上的挑戰。」Gogoro 產品管理經理王光祖語帶堅定的說。Gogoro 研發團隊將整顆馬達模組化、切割成 12 等分，並在每等分上以自動化技術用更密集的方式堆疊銅線，「就像小時候玩四驅車一樣，要想辦法在一顆馬達上繞上越多銅線越好。」再以串接技術連接起所有銅線，組裝、固定成完整的馬達。
馬達在產生動能的過程中也會產生熱能，這時候冷卻系統就很重要了，冷卻系統能夠幫助動力系統在運作過程中達到熱平衡，不讓零件因過熱而損耗，尤其 Gogoro 在馬達體積縮小、維持高功率情況下，會達到更高的發熱密度。Gogoro 採用高效率的水冷系統，藉由冷卻液在水流道中循環帶走熱能，再經由散熱器的鰭片和外界的空氣進行熱能交換，以維持冷卻液的溫度。比起傳統水冷系統，這款水冷系統以模組化設計的散熱器配合車體空氣流道，來取代耗電的風扇與過長的水管，讓體積變小、質量更輕，不但提高整體的能源使用效率、導風效果更好，精簡零件避免了維修的風險，模組化設計也易於拆解、清洗。
除了動力系統本身以外，傳動系統和懸吊系統的配合也會影響馬達的功率輸出。比起需要維持扭力輸出而使變速系統損耗較大的汽油引擎，電動車的馬達只需要通電就能全扭力運轉，而 Gogoro 更是使用了輕量、高張力的碳纖維複合材質傳動皮帶，以及體積小、動力輸出平穩、效率更高的行星齒輪作為減速裝置。且不同於一般電動車將馬達置於後輪附近以利於驅動，Gogoro 則是將馬達置於車架中間，使後輪在行駛過程中所產生的跳動不會影響馬達構造，維持良好的壽命表現。
根據截自今年8月的統計，台灣的機車數量是約1,400萬輛左右，其中電動車約有3萬輛；每年各家機車廠商賣出約80萬輛燃油機車，電動機車卻不到9千輛。台灣交通環境下，一般人通勤還是以成本和功能為選擇考量，然而 Gogoro 不以車商角度自居，以自行開發設計、台灣製造和智慧化系統為賣點進軍電動機車市場。Gogoro 特製馬達的確給了電動機車彪悍的能耐，但是否能夠帶著 Gogoro 衝破現在環境、價格和使用習慣等挑戰，甚至往「行動能源」、「大數據」等願景前進，是值得關注的下一步。
參考資料：
peggysha
Amber Wu
shuyun-sylvia
