【2021 年搞笑諾貝爾：生物獎】鏟屎官們聽令！貓咪如何透過 20 種叫聲支配人類？

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

為什麼貓這麼喜歡貓薄荷呢？

原來是貓薄荷裡的荊芥內脂導致貓咪吸了貓心大悅，不住翻滾、流口水、打呼嚕。

但是，貓薄荷不是對所有貓都有用。不到六個月的小貓似乎不會有反應，而且有的貓喜歡，有的貓不喜歡……咦，這還和遺傳有關係嗎？

想要同時驅蚊，又讓貓貓情不自禁饞你身子嗎？那你一定要試試貓薄荷！

荊芥內脂不只會讓貓咪快樂似神仙，也會活化蚊子體內的受體蛋白，接觸到的蚊子會產生搔癢和刺痛感。哈哈小蚊子，你也來嘗嘗癢癢痛痛的痛苦！

給你的貓貓來點刺激的快樂草吧！

延伸閱讀

人與動物之間的溝通一直是科學界和哲學界十分引人關注的一個議題。傳統觀點認為，人類和其他動物之間的溝通受到生物學和語言能力的限制，因此很難實現真正的互相理解。然而，近年來，科學家們對這個問題的看法已經開始轉變，並且有一些跡象表明跨物種溝通有望成為現實。

為什麼科學家認為跨物種溝通即將成真？從海豚到水豚、從蜘蛛到山豬，人工智慧能成為所有生物的萬能「翻譯蒟蒻」嗎？當人類真的破解了另一物種的溝通方式，未來會發生什麼事呢？

為什麼動物溝通，備「獸」關注？

從古代神話、經典傳說，到熱門動漫影視，都有不少能說人話、化為人形的動物，像是美猴王孫悟空、馴鹿喬巴、還有火箭浣熊，這些擬人化的角色雖然外表參雜獸的特質，卻往往更有人性，故事也著重呈現人與獸人如何從誤解到包容，讓我們為之動容。

在當代台灣的漫畫作品中，許多優秀的新一代漫畫家探討了擬人化動物和人類之間的隔閡、衝突以及理解，呈現了多元化的故事情節。其中，有一些引人入勝的作品，例如《瀕臨絕種團》，故事描述了被路殺後轉生成人類的石虎、黑熊和水獺，當上 YouTuber 還成為高中女生的故事。這個作品提供了獨特的視角，探討了不同物種之間的互動和冒險。

另一部作品是《海巫事務所》，它將魔法元素融入生物學，講述了一個迷茫的廢業青年與擬人化海洋動物相遇並相互療癒的故事。還有一個短篇漫畫《IVE》，通過科幻的方式，描述了某種深海雌鮟鱇的繁殖和誘導機制，卻將目標對象設定為人類男性的謎般生物，及她和科學家之間的異色關係。

這些作品在畫風和故事情節方面都各有特色，無論你是一位一般漫畫愛好者還是偏愛條漫，你都可以在 CCC 追漫台找到它們，享受不同的視覺和情感體驗。

而這幾部作品的共通核心問題就是：如果動物能用人類的語言跟我們溝通，會怎樣？即使牠們能跟我們說話了，我們就能理解彼此嗎？要取得那唯一的真相，除了請出《不可知論偵探》海麟子（也是 CCC 追漫台 上的熱門作品），科學家還有一個辦法：就讓動物自己說話吧！今年 7 月 Science 期刊上發表了一篇觀點文章，標題為《用機器學習解碼動物溝通》表示新方法有望帶來全新的洞見，也有助於保育。不過在打電話給露洽露洽之前，我們得先了解什麼是動物溝通？

什麼是動物溝通？

首先要有一個清楚的認知，那就是人類跟所有其他的動物，都各自受限於自己的感官，活在不同的「環境界」(Umwelt)，這個德文的意思是說每一種生物都活在獨有的感官泡泡裡，所見、所聞、所聽、所嚐、所觸都跟其他生物截然不同。你想想，連人與人之間都會因為家庭背景、生活環境、媒體教育而對同一件事物有天差地遠的詮釋了，對跨物種來說，不同的感官體驗讓彼此如同身處完全不同的世界。

例如，海龜和許多鳥類能感知地球的磁場，藉此進行長距離遷徙；而響尾蛇具有紅外線感覺器官，能夠在黑暗中感知幾公尺外的獵物體溫。蝙蝠則使用回音定位來捕捉飛蛾等獵物，每秒發射兩百次超音波脈衝，並根據百萬分之一秒的時間差距來精準定位目標。斑海豹則依賴其特殊的鬍鬚來察覺魚游過的流體動力，猶如水中留下的軌跡。角蟬使用震動通信，能夠透過植物表面傳遞信息給其他角蟬，即使對人類來說是聽不見的。至於我們的忠實夥伴狗，它們的世界主要由氣味構成，能夠分辨地下埋藏的松露、潛藏的地雷、古蹟、毒品甚至主人身體內的腫瘤等各種氣味。

那麼，海龜要如何跟我們這些沒有磁場感應的人類解釋牠們的感覺呢？蜂鳥又要怎樣才能描述它看到的一億種顏色呢？這真的是雞同鴨講，甚至比牛頭更不對馬嘴！

但有越來越多科學家認為，隨著人工智慧（AI）的快速進步，破譯動物的溝通方式不再是不可能的事情。AI 能幫上什麼忙呢？首先，機器不具備人類的偏見，因此能幫助研究者更理解動物溝通系統的結構和功能，同時辨識我們和動物之間的差異。

其次，機器學習技術能夠辨識那些對於人類難以想像或無法感知的動物感官訊號，這些包括聲音、振動、光線、化學物質等。機器可以幫助分析這些訊號，並幫助我們理解動物想要傳遞的訊息。

最後，AI 還可以基於動物訊號，開發出預測動物行為的模型。例如預測動物的交配行為或遷徙模式，或何時可能需要尋找庇護避免捕食者。

此刻的我們對於深度學習能完美辨識圖像語音，以及 GPT-4 或 PaLM 2 等大型語言模型能生成語言，甚至跟我們交談，完全不覺得奇怪，但可能僅僅 10 年前，這都還像是天方夜譚。那麼將這份能力運用在動物身上，也將變得理所當然……嗎？

現在科學家已經做到什麼程度？破解了哪些動物語言呢？

科學家正在使用人工智慧來解讀各種物種的動物溝通方式。

例如烏鴉：英國聖安德魯斯大學的科學家 Christian Rutz 長期研究南太平洋的新喀里多尼亞烏鴉( New Caledonian Crow )，牠們是少數能夠製造工具的鳥類，會把樹枝的葉子拔掉，做成鉤子來釣蟲，不同群體的作法也有差異。他發現島上不同烏鴉群體有不同的叫聲，可能是文化得以傳播的關鍵。身為烏鴉專家的他加入了 ESP 地球物種計畫，研究二十年前已經野外滅絕，現在只剩圈養個體的夏威夷烏鴉，他們用機器學習來比較圈養跟野生烏鴉的錄音，了解圈養是否改變了烏鴉的詞彙，例如注意威脅、求偶等重要的叫聲，是否已經在圈養環境中失去了，如果我們破譯這些叫聲，可能可以幫助這些烏鴉重新野化。

哺乳類的另一個成員鯨魚更是重點研究對象，2020年成立的 CETI，由 40 多名科學家、跨15 個機構組成，是最受關注的鯨語破譯團隊。他們除了駕船出海用水下麥克風偷聽鯨魚對話，也使用無人機從上方監看，更計畫在加勒比海海底安裝三個監聽站，從遠處捕捉離海岸 12 英里處抹香鯨聊天的喀噠咔嗒聲。以前啊，抹香鯨的聲音被比擬為單純的二進位代碼，但其實更為複雜，而機器學習可以重新辨識這些聲音。圖靈獎得主，加州大學柏克萊分校西蒙斯計算理論研究所所長莎菲·戈德瓦塞爾( Shafi Goldwasser )受訪時就說， CETI 的目標就是要像 ChatGPT 一樣，能預測鯨魚會說什麼，甚至反過來和鯨魚對話。

這些只是 AI 解讀的眾多物種中的一部分，其他還有不少鳥類、靈長類、海豚、蜘蛛、螞蟻、蜂類，或與人親近的貓、狗、豬等，也都是目前被科學家認為有機會破譯其「語言」的生物。

如果我們成功解讀出了動物的語言，我們又該從什麼角度與動物溝通？我們所「理解的語言」真的一樣嗎？

就算解讀動物溝通，能避免擬人化的陷阱嗎？

儘管機器學習在許多情況下表現出令人印象深刻的準確性，但動物的聲音、姿態和其他訊號往往具有多義性，也就是同一個訊號可能有多個意思，很難正確解釋它們的含義。此外，機器學習再強，目前也存在限制，特別是我們尚未完全理解的感知機制，如電感、磁感和費洛蒙等。

在漫畫《瀕臨絕種團》跟《海巫事務所》中，動物跟人類除了偶爾吵架之外，基本上相處得極為融洽，這也是我們人類想像中希望的情境，就是能與動物友善地、無惡意地溝通。而在《 IVE 》這部異色科幻作品中，則提出更現實的問題。汪幼海博士認為 IVE 為了與人接觸，如鮟鱇魚一般的餌球竟然為了吸引人類而變成人形，甚至可以與人溝通。雖然令人驚喜，但這也意味 IVE 的目的就是要讓人類成為其血肉的一份子，獲取其基因，因此也使用類似費洛蒙的物質吸引人類男性。對鮟鱇魚或 IVE 來說，這是很自然、毫無惡意的，但對人類來說，就是一種恐懼的殺戮。大自然中本來就有許多「愛」是以殺為結局，包括蜘蛛、螳螂等。人類又要如何在對事物理解前提完全不同的情況下，與動物更深度溝通呢？

在科學研究上，我們情不自禁地把動物擬人化更是個麻煩且不容易解決的問題，要是過於擬人化地認為動物跟人類共享一樣的情感，可能導致研究者在實驗設計和解釋結果時受到情感干擾，使研究不客觀。此外，擬人化也會使研究者更容易面臨到底是該保護動物權益，還是進行實驗研究之間的衝突，陷入倫理的困境。

但若反過來，要是有科學家認為動物跟人類完全不同，因此缺乏同情心，不尊重動物權益，倫理問題只會更嚴重。現在大家對動物福祉很關注，尤其是在涉及動物實驗和野生動物保護的時候，研究人員對動物無感情的態度反而可能導致研究受到質疑。更重要的是，這會讓科學家缺乏共鳴和洞察力，忘記我們也是動物。因此啊，如何拿捏分寸，在過分擬人跟缺乏同情的兩端之間找到適當的位置，也是動物溝通研究者的重要問題。

人類會將破譯動物溝通的能力拿來善用嗎？怎樣算是善用呢？

在石虎、黑熊跟水獺轉生變高中女生、IVE 開始對人類有興趣之前，機器學習的確可幫助我們監控和保護瀕臨絕種的野生物種，透過解讀其溝通方式，更了解牠們的需求和行為，制定更有效的保育策略。也能夠幫助我們理解圈養動物的情感和需求，從而改進在人類照顧下的生活品質。

然而，當播放動物聲音以吸引它們或干擾它們時，會不會對它們的行為產生不可預測的影響？甚至不可逆地改變群體的文化，從而威脅它們的生存和生態系統的平衡？假訊息在人類世界已經夠麻煩的了，想像一下，若連動物世界也都被假訊息入侵時，會發生什麼事呢？

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