邁向繁榮進步的行星文明，在《2100科技大未來》

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

有個著名的笑話是降的，埃及人、以色列人和中國人吹牛自己老祖宗有多厲害，埃及人就說在埃及挖到了千年以上的電話線，證明他們老早就用電話了；以色列人就說，他們在耶路撒冷挖到光纖，證明他們老早就用網際網路了；中國人就說在中原啥也沒挖到，正當埃及人和以色列人露出鄙視的表情時，老中就說那證明中國人老早就用衛星通訊了XD

科技進展的神速，我們這些六年級最清楚，從像是《我的少女年代》（Our Times）那樣沒有手機、沒有網路，更甭提Google、臉書的年代到今天的低頭滑智慧手機，真叫人難以想像。甚至，未來智慧手機可能根本不需要低頭用手滑了，只需要用意念就能操作。甚至連螢幕都不需要了，可以出現在任何地方，一張紙上、桌上、窗上，任何你看得到的東西都有可能。耳機也會進入歷史博物館，就像我們童年許許多多不再用到的東西一樣，到時會有裝置直接魔音入耳式地把聲音傳入你腦中。只要我們還沒提早毀滅地球，這些景象已經不再只是想像，而且還只是冰山一角，問題只是何時能量產到像iPhone一樣普遍而已。

實際上，要如何達到呢，日裔美國物理學家加來道雄（Michio Kaku）在《2050科幻大成真：超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人，即將改變我們的世界》（The Future of the Mind: The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind）就要帶我們到2050年的世界。加來道雄並非首次帶我們穿越到未來，他另一本《2100科技大未來：從現在到2100年，科技將如何改變我們的生活》（Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100）就要帶我們到接近百年後的世界（請參閱〈既科幻又科普的2100科技大未來〉），探討腦、人工智能、醫學、奈米科技、能源、太空旅行、財富、人類的未來。

可是好玩的是，前一本書是《2100科技大未來》，怎麼另一本卻倒退了50年成了《2050科幻大成真》？其實年代不重要，因為原文書名一本的意思是「未來的物理學」（Physics of the Future ），另一本是「心智的未來」（The Future of the Mind ），主題不太一樣，和年份沒有直接關係。物理學家談「未來的物理學」，當然是很稱職，可是談「心智的未來」呢？

《2050科幻大成真》涉及許多神經科學、腦科學等知識，可是讀了《2050科幻大成真》會發現，加來道雄真的下了很多苦功，不僅知識是夠嚴謹的，而且以他優異且經驗豐富的寫作功力，可讀性也不輸由神經科學家或腦科學家來寫的科普書。在《2050科幻大成真》，我們可以瞭解到，殘障人士利用靈活地控制義肢已經不是天方夜譚了，現在連猴子都能透過網際網路搖控遠方的機械手臂了。不僅是心靈控制機器和穿帶式智慧裝置的革命，我們未來還可能把我們的意識和記憶下載到機器上，達到理論上的永生不死！作為一位物理學家，加來道雄更具備探討這方面問題的學術功力。

《2050科幻大成真》分三篇，第一篇描述人腦的歷史，解釋物理實驗室的儀器如何描繪思考機器的樣貌，也討論人腦「意識」的種類；第二篇探討「腦機介面」，這個新技術能讓記錄記憶、讀取心智、錄影睡夢和念力移動成真；第三篇深入探討意識的各種不同變化，從夢、藥物與精神疾病，到機器人與外太空的異形生物，也介紹控制與操縱腦部的可能方式，以對抗憂鬱症、帕金森氏症、阿茲海默症與其他多種疾病，以及機器人的意識。

對這位物理學家來說，腦不過就是肉做的電腦，要破解腦的運作，只是個超級有挑戰性和困難的工程問題。姑且不論他是否太樂觀，他很盡職地帶我們參觀了一間又一間頂尖的腦科學實驗室，讓我們瞭解科學家是怎麼研究大腦的，用了哪些儀器。在參觀的同時，加來道雄一直想像那些儀器出現的訊號，有天是否能完整記錄下我們的意識、潛意識和記憶，然後用機器重播，甚至移植到別人腦中。

如果心智只是純粹的物理、化學現象，那麼有一天機器人會思考了，甚至還有了情感，就沒啥好驚訝的。現在一個非常熱門的腦科學研究題目，是建構出腦的「連結體」（connectome），找出腦中所有神經元的連結，只要完成了這個工作，科學家理論上可以用逆向工程的方法破解大腦的秘密。這個試圖解析腦內每一個神經元的野心，台灣科學家也當仁不讓，由清華大學生命科學院院長、腦科學研究中心主任江安世老師帶領，針對果蠅腦進行的研究已有許多在國際頂尖學術期刊的重要發表。

美國和歐盟也各自投下數十億鎂來研究人腦。其實這個數字，在小布希打阿富汗和伊拉克時，兩三天就燒光了！只要少打伊拉克戰爭，我們現在就有至少好幾十兆鎂來研究大腦，人腦都不知被翻遍多少次了！人腦現在相對於最強大的電腦，運算能力還是強了好幾十倍！如果以其消耗的少許能量（人腦消耗能量已佔人體的約兩成了）來看，和極為耗電的超級電腦相比，每單位能量的運算能力更是強上億倍！我們對腦的瞭解還只是皮毛的冰山一角而已。

就腦科學和物理學的討論，《2050科幻大成真》是相當精彩。可是，我們千古演化來的心智，目的不是用來破解這些心智的問題的，我們的心智演化成現在這個模樣，是為了談論八卦，還有猜測他人動機的，簡單來說就是為了社交生活，為了我們穴居人老祖宗之間的互動而形塑的。關於這部分有興趣可參考好書《人類大歷史：從野獸到扮演上帝》（Sapiens: A Brief History of Humankind）（請參見〈虛構事物和集體想像建構出的人類大歷史〉）。

心智離開了社交，就沒了多少意義。由此可見，心智並非是個單純的物理、化學，甚至生物學現象。不管我們的科技發展到何種面貌，即使是像今天所有人都低頭滑手機，仍是為了透過臉書、LINE和朋友溝通。科技始終來自人性，這恐怕是阿宅工程師無法完全瞭解和掌控的。所以人類心智的未來，可能還是要考量社會和文化的因素，我們畢竟不是機器人，很多無法想像的科技，不見得是我們未來一定會去追求的。

本文原刊登於The Sky of Gene。

我們可能很難想像未來的生活之面貌，因為總是有意想不到的科技產生，不過科幻小說家還是能讓我們充滿想像。究竟科幻小說家想像的未來又有多真實呢？來讀讀 美國日裔科學家加來道雄（Michio Kaku）的《2100科技大未來：從現在到2100年，科技將如何改變我們的生活》（Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100）這本既科幻又科普的好書吧。

雖然說《2100科技大未來》是要預測未來近一百年的科技發展，不過其大半內容，主要還是要介紹現代最尖端的先進科技，以及那些尖端高科技在未來的發展。 這個任務，最有資格的執行者之一，就是作者加來道雄。和凱文．凱利（Kevin Kelly）的《科技想要什麼》（What Technology Wants）偏重哲學式思考不同的，《2100科技大未來》更在乎的是科技的務實發展；其預測的未來也比《富足：解決人類生存難題的重大科技創新》 （Abundance: The Future is Better Than You Think）預測的還更長遠，而且不像後者還需顧及政策面（請參見〈究竟科技想要什麼？〉和〈理性樂觀的富足〉）。

加來道雄是紐約市立大學理論物理學教授，超弦理論（Superstring）的奠基者之一。他同時是Discovery頻道《科幻成真》（Sci Fi Science: Physics of the Impossible）的節目主持人。他主持了兩個廣播節目：《探索》（Explorations）和《奇幻科學》（Science Fantastic），在超過140個廣播電台播出。他還著有《穿梭超時空》（Hyperspace）、《愛因斯坦的宇宙》（Einstein’s Cosmos）、《電影中不可能的物理學》（Physics of the Impossible）、《NEXT 20 years and after》（Visions）、《平行宇宙》（Parallel Worlds）等書，大多也有繁體中文版。

加來道雄推估，我們人類社會將會在科技大幅飛躍下，在百年內進入第一型行星文明。至於啥是行星文明？加來道雄指出，那是能夠充分控制居住行星能源來源的文 明。我們現在的文明，大概是一個0.7型的行星文明。第二型文明可能開發恆星輸出的全部能量。而進入第三型狀態以後的文明，將已經探索過星系內的多數地 方。

加來道雄探討人類文明的幾個進展方向，分別是「電腦的未來──心靈控制物質」、「人工智能的未來──機器的興起」、「醫學的未來──完美與超越」、「奈米 科技──萬物始於虛無？」、「能源的未來──來自眾星的能源」、「太空旅行的未來──奔向眾星」、「財富的未來──贏家和輸家」、「人類的未來──行星文 明」。

不過，科技始終來自人性，即使未來人類文明進展至行星文明，人類還是會深受穴居人原則的約束，也就是說我們演化千萬年而來的原始慾望（娛樂、情感、社交等），仍然不會受到高科技的改變，而且會繼續影響我們的行為、決策和選擇。

加來道雄指出，在電腦的未來中，軟性電子紙會當道，而類似Google眼鏡的也將進展至隱性眼鏡的地步。晶片將會在功能更為強大下繼續縮小，而且在生活中 各種物品中無所不在。不過加來道雄也提到晶片的縮下有其物理限制，並嚴正警告矽谷該設法準備面對，否則矽谷也會淪落成下一個鐵鏽地帶。未來甚至會出現可以 接收腦波的晶片，然後控制的物體移動和運作，我們就可以念力控制物質，未來人類就會像神話中的天神般！

《2100科技大未來》揭示的未來世界，機器人無處不在，雖然它們未必都以人形現身。機器人漸漸取代單調的工作，並代替我們去從事危險的工作。台灣未來老 齡化社會最大的隱憂是老年照護，而未來機器人可以勝任這個工作。而人工智能，也要對人類友善，以免人類淪為機器人的奴隸。

未來我將可以便宜地取得自已的全基因體（書中用「基因組」一詞）的序列，瞭解自己罹患疾病的風險，還可以為「體質」量身訂做藥物和療法呢（請參見〈從基因標靶藥物，到實現個人化醫藥的未來基因體醫療〉）。生物醫學家還能夠利用幹細胞加上3D列表機印出完整的人體器官（請參見〈第三次工業革命的自造者時代〉）。甚至還利用基因療法來改善自己或下一代的遺傳，不過這在生物倫理學界仍有極大爭議（請參見〈人性正義的反對完美〉），我想加來道雄這位物理學家有點太單純了。

《2100科技大未來》還預測出可以隨時監控癌細胞晶片，在我們吃喝拉撒睡時守護我們的健康。其實，儘管所有動物都難逃一死，不過並非所有動物都會經歷老 化（例如海龜等爬蟲動物，不是老死，而是因為意外、饑餓或被獵食而死），因為只要我們掌握這些動物不老的秘密，我們就能減緩老化、延長壽命。

未來科學家和工程師會開發出利用分子、甚至原子層次的奈米裝置。在醫療方面，癌細胞在被上述晶片測偵出時，就利用奈米裝置巡航我們身體，把癌細胞找出並消 滅它們。雖然晶片可能無法再更為強大下繼續縮小，但是量子電腦或是DNA電腦出現可以取代晶片的不足。可程式化材可能將會讓《魔鬼終結者第2集》 （Terminator 2: Judgment Day）中可以改變形狀的殺手機器人可行，不過與及用來當殺手，我們將會用可程式化材來製造建築、家具等等吧，還可視使用情況或心情調整形狀和結構呢。

《2100科技大未來》指出，受控核融合將完全取代石油的乾淨能源方案，書中清楚並深入淺出地解釋了受控核融合在工程上的可行性及困難處。不少物理學家也對受控核融合在我們有生之年成為實際運作的科技深具樂觀的信心（請參見〈給未來總統的物理課－必須面對的科學真相〉）。還有利用室溫超導體可以做出磁浮科技，未來汽車、列車可以高速在低阻力的情況下行駛。室溫超導體也可以大幅降低電子在纜線內傳輸的耗損，讓未來電力經濟地超長距離傳輸成為可行。

談科技未來，不免俗一定得提到星際旅行。《2100科技大未來》指出，未來利用大空電梯探索《地心引心》（Gravity）中呈現的地球美景，將不再是夢 想而已。而人類下一趟最大探險，將會是火星登陸。我們甚至有可能再利用當時的高科技，改變火星大氣而讓人移居。我們也將會派機器人前往其他太陽系探險。

最後，《2100科技大未來》討論人類的財富未來。加來道雄指出，科學實際上就是經濟繁榮的引擎，也有經濟學家同意並也提出現在的經濟停滯發展就是因為受限科技進展（請參見〈軟柿子不再垂得低低的大停滯〉）。《2100科技大未來》也表示，未來主要的工作將是屬於需要有判斷力與創造力者。機器人將取代只能執行單調重複動作的工人。未來的人生勝利組將是屬於能夠好好用心地利用知識提供有效判斷力的人。

加來道雄卻感嘆現在美國的金頭腦大都跑去華爾街玩財富轉來轉去的炒作遊戲，而非投入科學與工程的研發。當然金融業的資金流動對科技業也很重要，但過猶總是 不及的。再加上，歐美日等先進國政府也因舉債過高而大砍科研預算，而且也有新自由主義論者從沒弄懂，政府才是高風險科研唯一也是最佳的支助者，因為極少有 大企業有能力和心思會想要進行革命性科技的研發，而僅是把政府支持研發出的知識做應用性開發。

我們未來的前途，可能不是科學家和工程師的能力問題，而是政治和經濟能否有足夠的智慧允許科學家和工程師從事未知知識的研究探索。因此，《2100科技大 未來》所樂見的高科技文明的願景，只要在世界各大國政府仍然還有遠見地繼續大力支持和贊助科學研究的情況下，就會是我們人類的實際未來！

本文原刊登於Readmoo.com【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。