［TED］科學是玩出來的

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

從上兩篇國際科展研究介紹，能看出中學生對生活、自然界的重視。源於對生活的熱情，行為與社會科學科和電腦科學與資訊工程科的學生們也從人類習性的角度切入，產出有趣的主題。所謂科技來自人性，科展主題也來自對生活的探索與對自身的好奇。

【行為與社會科】：視覺中的鬼影是哪來的？

臺北麗山高中周芷語、謝宜薰在看到《國家地理》雜誌探討視覺的文章，對自己視覺中所產生的鬼影感到驚奇。赫曼方格是因人體視網膜的「側抑制作用」而造成的，在某些視覺刺激較強時，接收到周圍較弱訊號的細胞會被覆蓋。在赫曼方格的例子中，黑方格與白線條中會有錯覺造成的灰點。

兩人疑惑赫曼方格會讓人感覺黑色方格間白色線條的交會處出現暗點，但一般穿著的格子衫卻很少會出現這個狀況，萌生出想進一步研究的想法。他們的作品獲得本次大會獎二等獎。

研究中針對三種視錯覺中生理錯覺的赫曼方格來探討，他們將赫曼方格套入不同配色，以 RGB 色法去定義對比色、互換色和相近色，再將這些方格設計為格子衫，讓受試者觀看並探討消費行為。

由於傳統的赫曼方格（黑白配色）所受到的側抑制較明顯，較易產生生理錯覺，並且在黑白色互換後因眼球較激烈的顫動（saccade）使得閃爍程度上升，導致眼睛易感到疲憊。不同顏色的赫曼方格則會受到視桿與視錐細胞的影響，導致我們看到不同的生理錯覺。例如看著紅綠格子衫時，正常視覺下鬼影的出現和灰點閃爍程度皆為零，然而紅綠色盲的受試者卻會看到鬼影——這樣的差異，就會影響到受試者是否較有意願購買這種配色的衣服。

提及未來的研究方向時，周芷語、謝宜薰提及應該要再修改問卷設計，並且未來進行實驗時，期望能運用眼動儀和腦波儀來使實驗結果更精確。

【電腦科學與資訊工程科】運用空間物品記憶裝置建構搬運機器人

台北內湖高中廖子游、邵明諒、林禹丞表示，先前於全國科展時，他們研發 AR的相關軟體，希望能經由環境物體辨識和定位，導航出指定物品的正確位置。延伸功能若能夠套用在機器人身上，能使機器人與人之間有更良好的互動，且能更合乎我們的訴求。

團隊研發一款 AR 記憶眼鏡，能在日常生活中建構整個空間，並利用特徵點建構平面並辨識物體，標記出這個物品在空間中的地點。即使被記憶的物品是放在抽屜中，或是剛好在記憶眼鏡視野的正後方，也能夠藉由記憶中的方位與距離正確引導出物品的所在位置。如果能進一步將這樣的記憶資訊傳達搬運機器人，擁有空間記憶的機器人就可以正確找到尋找的物件，並做出妥善的處理。舉例來說，我們吃糕點時常一不小心就掉屑屑，此時若人類配戴 AR 記憶眼鏡，可以迅速讓掃地機器人趕到現場進行清掃。

關於自己出色的設計，他們表示就高中生而言能運用的經費有限，無法購得實質的 AR 眼鏡。不過，三人藉由手機裝載自製 app，再將手機放入 AR 眼鏡殼來模擬 AR 眼鏡的畫面，並以有線耳機上的音量鍵作為操作眼鏡的控制器。真正的挑戰是物件識別的整合、數據資料的處理，以及要讓程式計算出正確的物件方位和距離。

儘管年紀尚輕，這些充滿創意的中學生們身上已散發著渾厚的科學家氣息。無論是對於周遭未知的問題窮追不捨，又或者能從簡單原理發想新的創意。雖然有時會受限資源不足，他們都細心地對此進行嚴謹的研究，即使挫敗也不輕易言棄。這樣願意親自深究，挖出未知背後的真相，正是研究學者所應具備的精神。

期許未來能有更多同學能運用課堂中的知識，在科展中一顯身手，明年我們在科教館不見不散！

上篇國際科展的介紹中，我們看見中學生們經由生活周遭的觀察，獲取研究的靈感與啟發。本篇延續這份對生活的熱情與對社會的關懷，走進環境科學的研究環節。

科學的起源在於人類對自然的觀察與重視。對生命與環境的充滿熱誠、選擇地球與環境科學科、植物學科的同學們，究竟出現了哪些題目呢？來問問師大附中的廖廷涓同學，以及來自屏東潮州高中的莊惟婷、陳馬琤、賴安琦同學吧！

【地球與環境科學】：哪些因素會影響海平面的高度？

廖廷涓在上地球科學課時，發現有許多能影響海平面年際變化（一年以上的變化）的因素。舉例來說，2011 年就出現聖嬰現象，使得全球海平面高度平均下降 5 毫米。某些不清楚年際變化的陰謀論者就憑這個數據主張全球暖化並不存在，無視了長期趨勢變化。若對環境的改變毫無知覺、不了解這些變化背後所隱含的意義，我們就可能會錯估地球的健康狀況。因此，廖廷涓想知道有沒有其他也會成為影響海平面年際變化的因子？

為此，廖廷涓由美國太空總署（NASA）、法國國家太空研究中心（法文：Centre National d’Études Spatiales，縮寫：CNES）和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發布的公開數據。針對中太平洋聖嬰現象、東太平洋聖嬰現象、北極振盪、南極振盪，以及太平洋或大西洋多年代震盪這六個年際震盪因子，個別分析與 1993-2017 年的全球平均海平面年際震盪之間是否相關。此研究讓她獲得本次大會獎一等獎，並為地球與環境科學的出國正選代表。

結果顯示，這六種年際震盪中，中太平洋聖嬰現象、太平洋或大西洋多年代震盪三者對海平面高度的影響較大。北極振盪整體而言雖然不如前三者有顯著影響，仍然與平均海平面高度有相關性。

運用分析結果乘以各因子所佔比重後，預測模型作出 R 值 0.86 的海平面高度變化曲線圖。換句話說，只要得知這些因子的變化趨勢，就可以解釋約 70% 的全球平均海平面高度的年際變化，也有機會預測未來海平面高的年際變化。

另外，研究結果還顯示，大西洋多年代震盪及北極振盪出現後幾個月，海平面才會發生顯著變化。廖廷涓表示相當感興趣海平面變化延遲的原因，未來想更深入研究這些氣候現象與海平面高度之間如何互相影響，並釐清不同海域與這些因子間的關聯。

【植物學】絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的？

莊惟婷、陳馬琤、賴安琦在生物課本上看到了各式各樣的食蟲植物，一個少見的水生食蟲植物抓住了她們的目光——絲葉狸藻（Utricularia gibba）。從前人的研究中得知，絲葉狸藻是捕蟲界的一方之霸，捕蟲的吸入動作僅需 0.02-0.05 秒，非常快速。捕蟲囊內部的四爪腺毛是絲葉狸藻吸收養分與排出囊中水分的重要路徑。然而，同是特化構造的半球型腺毛卻很少在先前研究中被提及。因此她們希望能釐清半球型腺毛的功用，以及已知具有消化功能的四爪腺毛對不同營養物質吸收的狀況，並作出比較。

要解釋如何釐清半球型腺毛的功能，我們需從捕蟲囊的捕食機制談起：當獵物經過時，囊口外側的觸發毛會控制瓣膜開合，利用囊中負壓迅速吸入獵物與溶液；之後再由四爪腺毛把多餘的溶液排出囊外，重新回到準備捕食獵物的狀態。不過他們懷疑，不只是四爪腺毛，由氣孔特化出的半球型腺毛可能也具備排水的功能，於是開始著手進行實驗。

團隊調配兩種不同色的螢光染劑溶液，並以睫毛針觸發捕蟲囊開關，使捕蟲囊受內外染料染出不同顏色。隨後發現，外部位於捕蟲囊側面的半球型腺毛其出水孔有不同色的色素殘留痕跡，顯示半球型腺毛確有排水功能。

解決半球型腺毛的問題後，他們轉向比較四爪腺毛在吸收不同營養物質（甘胺酸、硝酸鉀、甘油和葡萄糖），以及吸收水分時的表現差異。他們觀察到染色過的營養液被吸進捕蟲囊後，會立即充入四爪腺毛並流進捕蟲囊的基座細胞，由共質體路徑進入至植體。他們推測含氮物質是從專一性的離子通道運輸至體內，至於是否為主動運輸仍有待商榷。

四種營養素中，葡萄糖雖然能快速進入四爪腺毛，卻發現沒有被大量吸收，後他們推測因實驗系統設計是在光照下進行，由於絲葉狸藻可行光合作用補充葡萄糖，故不需使用捕蟲器進行葡萄糖補充。

另外，他們也研究在不同理化因子（如照光、環境溫度）的影響下，對半球型腺毛和捕蟲運動造成的影響。在燈源上加上色紙作為藍、紅兩類色光光源，並比較色光觸發前後捕蟲囊的面積變化率。最終發現，短波長的藍光有使捕蟲囊面積下降的趨勢。但比較捕蟲囊在觸發捕捉獵物前後的形態變化，他們得出短波長的藍光可促進捕蟲囊的排水功能，進而可使捕蟲囊的捕蟲效率提升。另外，經由測量不同光照下對光合作用光反應速率的影響，他們發現紅光下光反應速率最好，藍光最差，正與先前捕蟲囊面積變化的實驗結果相反。因此，團隊推測正因藍光下光合作用光反應效率低，才需要活躍的捕蟲運動來補足養分。

除此之外，他們還發想到能以捕蟲囊為設計模型，製造一個以不同膨脹係數的雙層材料製造的囊袋（內層小，外層大），擺放於海面漂泊。在白天高溫時，可觸發袋口吸入海水與塑膠微粒，晚上低溫時袋口緊閉造成負壓內凹，將海水排出而留下較大的塑膠微粒於袋中，進而達到回收塑膠微粒的效用。

有很多設計的最初理念也都是在生物觀察時受到啟發，期望莊惟婷、陳馬琤、賴安琦三位同學的設計，能在未來減輕人類所造成的環汙問題！

（修改時間：2020年4月13日）

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科學是任何人(包括小朋友)都可以參與的。以下這段TED影片中，英國神經科學家Beau Lotto認為科學就是探索未知的遊戲(play)，小朋友也做得到。他請一位小女孩Amy現身說法。Amy與其他24位8~10歲的小學生，在遊戲過程中：(1)提出好奇的問題、(2)設計實驗、(3)觀察並收集數據、(4)根據以”加減乘除”分析後的數據，提出他們的新發現。同時，他們也一致認為科學是很酷很有趣的，因為可以做別人從未做過的事。後來，他們的新發現發表在英國皇家科學院出版的《Biology Letters》期刊。這群小朋友在遊戲過程中的思考邏輯與成人世界的研究過程是一致的，我們是否也能以遊戲的心態來面對科學呢？

原始文獻：
Blackawton bees. Biol Lett. 2011 Apr 23;7(2):168-72.

評論：
Biol Lett. 2011 Apr 23;7(2):166-7

影片：
Blackawton bees

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