- 本文轉載自科技大觀園，原文為《好奇不設限，屎尿皆可探——搞笑諾貝爾獎得主楊佩良專訪》
- 作者／科技大觀園特約編輯｜曹盛威
與胡立德教授（David Hu）團隊一同進行研究的楊佩良博士，曾以「尿尿時間是 21 秒」與「袋熊大便是方形」，兩次登上搞笑諾貝爾獎頒獎典禮。問起她是不是為了搞笑諾貝爾獎，刻意以「屎尿」作為研究主題，她只淡淡說了一句：「從頭到尾想都沒想過！」又追問她為什麼要做這些研究，楊佩良博士笑著說：「你不覺得這很有趣嗎？」
立定志向的演講
談起自己為何會開始生物力學的相關研究，楊佩良想起了大學時期聽到的一場演講，這場演講正是胡立德教授的研究分享，主題是「蛇的爬行方式」。
「如果光靠蠕動，蛇是不能前進的，還要靠鱗片的立放才能順利前進！」楊佩良說胡教授的分享為她的人生開啟了另一扇門，回想過去，小學時很喜歡看故事書，以為自己會當個作家，中學時則愛上了生物，到了高中又對物理與數學產生興趣，每個階段愛的都不同，「我愛的是生物加上力學，聽到兩者可以二合一的時候，有個念頭從我腦中一閃而過。」至於當時聽完胡立德的演講後有何感想，楊佩良說：
「很難的數學，很鬧的結果。」這就是楊佩良踏入科學研究的契機。
勇於面對質疑
在楊佩良求學過程中，其實也跟家人有過衝突，她說：「當然有阿！最常被問到的就是念了這個有什麼用？尤其我的博士論文（尿尿時間 21 秒）超怪的。不過畢竟是個博士，而且還是個不錯的博士（機械博士）。」
不只是家人有衝突，許多大眾在過去也很不諒解他的研究，「在還沒得獎（搞笑諾貝爾獎）之前，許多人聽到我的研究都是毀譽參半。」楊佩良分享之前接受美國媒體採訪的經驗，採訪的主題正是她的博士論文，當採訪上傳到 Youtube之後，like 跟 dislike 數是差不多的。
「不過在得獎（搞笑諾貝爾獎）之後，這些事情就沒發生過了。」楊佩良笑著說，也對搞笑諾貝爾獎傳播科學的能力感到驚訝，「以前都會說我們是不務正業、浪費資源，現在都說我們是有『玩心』的科學家。」
研究尿尿的契機
說起研究尿尿的原因，楊佩良分享了胡立德教授的生活故事。放假時，胡教授在家裡帶小孩，閒著無聊就開始觀察起小孩，發現小孩上廁所花的時間跟自己差不多，這個現象引起了胡教授的注意。
「我小孩跟我體型差這麼多，他的尿才那麼一點點，怎麼尿尿的時間會跟我差不多？」接著胡教授又跑去觀察他們家養的狗，發現尿尿的時間也跟自己差不多。
「那時候我剛進（胡立德的）實驗室，然後我自己不是那麼喜歡坐在辦公室，所以我那時候跟他（胡立德）說，只要你讓我去動物園，我什麼都願意。」後來，胡教授便把研究尿尿的重責大任交給楊佩良，說：「那你去幫我調查全世界最大的（陸上哺乳類）動物，尿尿的時間是不是也差不多。」
尿尿觀測小組
為此，楊佩良與另外兩位學生組成了「尿尿觀測小組」，他們先是在網路上搜尋大象（最大的陸上哺乳類）的尿尿影片，也去附近的動物園駐點觀測動物尿尿，此外，也跟動物園協商某些動物是否能近距離觀察或採集尿液。
楊佩良提到動物園的動物，生活作息其實非常規律，有經驗的飼育員甚至能精準告訴你哪隻動物現在要準備尿尿，這讓數據蒐集與採樣變得簡單，但也有非常難搞的，像是動物收容中心裡的流浪狗。
「如果站在狗的後面，他們會直接跑掉。」這些流浪狗對人的警戒心很高，最後他們用了寵物尿墊蒐集尿液，以前後重量差異的方式來估算尿液的重量。
NHK 再次驗證
研究發表後，不少人寄信給楊佩良，說這研究的誤差值太大（誤差值為正負 13 秒，平均尿尿時間也才 21 秒）或是自己尿尿的時間根本不是 21 秒，楊佩良解釋：「這可是 5 公斤到 5000 公斤的動物的數據，所以我想這應該是一個很小的離峰值。」此外，其他需要考慮的變數也很多，像是每個人對於「想尿尿」的感覺不同，有人可能膀胱還沒滿就跑廁所了。
「由於太多人問人類相關的問題，日本 NHK 就找我們，還協調了一位日本的泌尿科醫師來做這件事（測量人類小便的時間）。」在節目中，泌尿科醫生在車站外面招募參與者，請他們去上廁所並用碼錶記下自己上廁所的時間，最後收集了約有兩千位參與者的尿尿數據。
「平均起來大概是 20.5 秒吧。」這個數值十分接近楊佩良的研究結果，在分享這個數據的同時，楊佩良也鬆了一口氣，「其實我一直很怕自己做的東西無法適用在人類身上，雖然我的模型理論上是 21 秒，但我沒有（人類的）數據可以支持。」
古老的問題：袋熊便便是方的
「在沒看到樣品之前，我一直認為這是假的。」楊佩良博士如此說道。在澳洲，「袋熊便便是方的」如常識般流傳在民間，一般人認為這是因為袋熊肛門是方的，才讓便便變成方的。
「為此，我們聯絡了澳洲當地的袋熊專家（Scott Carver），他跟當地政府配合處理路殺袋熊。」Scott 告訴楊佩良，在解剖袋熊屍體時，就能看到袋熊的腸道中有方形便便，Scott 把樣本寄到美國，楊佩良這才確認了袋熊便便真的是方的。後來，楊佩良也針對活體袋熊做了 CT 斷層掃描，發現袋熊的肛門形狀是圓的，肛門是方的說法也就不攻自破了。
這些現象直指袋熊「便便是方形」的秘密就在腸道中。在解剖路殺袋熊後發現，這些便便要到腸道末端才逐漸變硬、變方，而要形成我們所見到的方塊便便，則大約是到了腸道末端 8% 左右的地方才能見到。
方形便便的力學分析
會有這個現象主要原因，是袋熊的腸道肌肉發育不平均，如下圖 (a) 所示，紅色處代表肌肉較薄，較容易變形的區域，藍色則是肌肉較厚，較不易變形的區域。
我們可以把袋熊腸道的截面模型，當作兩種不同的彈簧組合在一起，紅色的部分是容易被拉開的彈簧，藍色的部分是不容易被拉開的彈簧。為了維持力平衡，各處彈簧連接處的受力必須相等，拉開角度與伸長量的分析方法如 (b) 所示。
腸道蠕動的過程則可以簡單理解為有外力壓縮腸道，由於兩種彈簧受外力後的伸長量不同，因此腸道無法繼續維持圓形，最終形成類似橢圓形的形狀（如圖中 (c)、(d)、(e) 所示）。不過，這個模型是沒有便便在腸道中的模型，也沒有考慮腸道中兩種不同彈簧的受力伸長量（原文為 Stiffness，剛度）的差異，把這兩個變數考慮進去後，形狀就會接近正方形了！
(b) 腸道的剛度比（C）越高，糞便越接近正方形（Squarenss），
(c) 糞便的雷諾數（Re）越高，糞便越接近正方形（Squarenss）
圖／參考文獻 1
註解：剛度比（C），數值越大表示腸道軟與硬的部分剛度差異越大；雷諾數（Re），數值越大表示流體慣性力越強，流體無法朝同一方向移動，此狀況下可簡單理解為糞便越乾越硬，不是稀稀水水的。
簡言之，如果腸道的肌肉分布越不均勻（腸道軟與硬的部分差異越大），以及糞便越乾，就越容易形成方形便便！這也說明了為什麼袋熊便便只會在腸道的最末端變成方形，除了多次擠壓之外，這時的便便也比較乾燥。
至於我們有沒有可能大出不同形狀的花俏便便呢？楊佩良則分享了一位腸胃科醫師的意見：「大腸癌的初期的患者，其實就是大腸的某個角落開始硬化，因此有可能大出來的大便形狀會不太一樣。」下次大便的時後，記得多看一眼便便形狀，搞不好能及早發現大腸的病變！
為了好奇心，學會名為「科學」的工具
「澳洲人很早以前就知道袋熊便便是方的，為什麼會等到我來做研究呢？」楊佩良的話令我們沉默，對楊佩良來說，數學或物理並不是課本中會考的知識，而是解決問題的「工具」。
也許澳洲人很早就發現了這個問題，也很想解開這個謎題，但這些想解開謎題的人，並沒有相稱的「工具」可以解謎，「澳洲袋熊專家（Scott）就是其中之一，因此當我告訴他想要研究這個問題的時候，他非常大方地提供各種幫助。」
「如果不是為了好奇心，手腳就會動得慢！」楊佩良認為自己學習的動力就是好奇，只要真的想做，總會有方法解決。她分享自己在大學時遇到的外文與物理雙主修的學姊，雖然數學是個門檻，但學姊最後還是完成了雙主修。
「算了一下，這位學姊在大學時花在物理跟數學的總時數，絕對超過我們花在高中的總時數。」楊佩良認為並沒有命定論這回事，再次回憶起自己過去的學習歷程，都是順著自己的心意，認真想要回答自己遇到的問題，才會到處學各種新的事物。
為了不抹滅學生的好奇心，楊佩良在自己的流體力學課上，要學生針對自己有興趣的現象，做出「流體可視化」當作期末報告，她說：「只要拍出來我就給過。」
楊佩良分享了幾位學生的題目，一位游泳隊的學生好奇為什麼自己在學校的泳池游泳比較快，錄下了在不同泳池游泳時的水流狀況，足球隊的學生則拍下了逆風與順風射門時的差異，而另一位沒有社團活動的學生，則拍下了無葉風扇的氣流是怎麼流的。
「生活中其實有很多流體力學。」像是香菸的軌跡，或是蛋白打發，都是流體力學的守備範圍。雖然深入分析需要流體力學與工程數學的協助，但「流體可視化」只要花點巧思，就能看見流體現象、比較差異，而這種回饋感，正是好奇心的來源，有足夠的好奇心，補齊「工具」也不會是難事。
無用的傳承與啟發
談起研究應用，楊佩良說：「有用的東西，是建立在無法運用的基礎上，傳承後的結果。」也分享近三年內，關於尿尿研究的後續研究成果，包含了智慧馬桶與導尿管的設計，「這些研究是我一開始沒有想到的，但如果沒有我的研究，他們也不會想到。」
未來，楊佩良也將繼續投入更多有趣（但可能無用）的研究題目上，像是鳥類（候鳥）群聚飛行時，為什麼不會有豬隊友讓他們撞在一起？而胡立德教授的團隊也持續研究各種有趣的現象，像是一大群蛆如何每隻都能吃到食物，或是動物舌頭的相關後續研究。
參考資料
- Yang, P. J., Lee, A. B., Chan, M., Kowalski, M., Qiu, K., Waid, C., … & Hu, D. L. (2021). Intestines of non-uniform stiffness mold the corners of wombat feces. Soft Matter, 17(3), 475-488.
- Yang, P. J., Pham, J., Choo, J., & Hu, D. L. (2014). Duration of urination does not change with body size. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(33), 11932-11937.
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