什麼是「可變性原則」？它如何讓 SpaceX 一飛沖天？——《造局者：思考框架的威力》

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

北極星黎明：開創商業太空漫步的新紀元

2024 年 9 月 10 日，載人航太任務迎來了歷史性的突破。由美國富豪賈里德·艾薩克曼率領的四名太空人，乘坐 SpaceX 的獵鷹九號（Falcon 9）火箭和龍飛船（Crew Dragon），開始了為期五天的「北極星黎明 Polaris Dawn」任務。這次任務實現了人類首次商業太空漫步，並打破了過去五十年人類距離地球最遠的紀錄。這也是美國四十多年來首次推出的新設計太空衣，進行了「人體測試」。

這次任務的成果不僅僅令人振奮，還為未來的商業航太業開啟了新的篇章。為了解這次突破的意義，我們先一起來體驗「北極星黎明」任務的精彩旅程。

這位賈里德是何許人也？

賈里德·艾薩克曼，現年 4 1歲，是一位白手起家的美國富豪，擁有零售支付公司的成功經歷。他還是一名充滿冒險精神的飛行家，駕駛輕型飛機創下環球飛行的紀錄，並且會操縱戰鬥機與進行特技飛行。他甚至創辦了「私人空軍」公司德拉肯國際，為美軍訓練飛行員。

賈里德對飛行的熱愛讓他不斷追求新的高度，最終使他與 SpaceX 合作，共同邁向更遙遠的天空。2021 年，他啟動了「靈感四號 Inspiration 4」任務，選擇了三名來自不同背景的一般人，與他一同踏上三天的太空旅程。這次任務向世界展示，普通人也有機會踏上太空，而不僅僅是經過嚴苛訓練的專業太空人。

然而，賈里德並不滿足於此。他希望飛得更高、更遠，甚至挑戰從太空船內走向船外，完成首次商業太空漫步。這便是「北極星黎明」任務的起源。

太空漫步的挑戰

太空漫步並非簡單地穿上太空衣、打開艙門便能完成。以國際太空站為例，太空人在漫步之前需要進入氣閘艙（Airlock），一個介於太空站內部和太空之間的小房間。在氣閘艙中，太空人需要進行數小時的「預呼吸（Pre Breath）」過程，以降低大氣壓力，適應太空衣中的低壓環境，並避免潛水時常見的減壓病風險。

然而，SpaceX 的龍飛船並未設計氣閘艙，這意味著要讓太空人進行漫步，就必須將整個太空艙降壓至真空狀態，再在太空漫步結束後重新加壓。因此，團隊對龍飛船進行了大幅改造，增強了生命維持系統，並安裝了更多氮氣與氧氣槽。

此外，SpaceX 原先設計的太空衣是艙內使用的（IVA Suit），僅用於緊急情況下保護太空人，並不適合太空漫步。為了這次任務，SpaceX 不得不設計一款全新的艙外太空衣（EVA Suit），這是美國自四十年前以來首次設計新型艙外太空衣。

北極星黎明任務的突破

在完成了艱鉅的準備工作後，「北極星黎明」任務終於在 2024 年 9 月 10 日順利升空。這五天的旅程充滿挑戰與創舉，為商業航太寫下了新的篇章。

任務的前兩天，重點是進入 1400 公里高的軌道，這是自 1972 年阿波羅 17 號以來人類距離地球最遠的記錄。此外，兩名任務專家莎拉·吉利斯（Sarah Gillis）和安娜·梅農（Anna Menon）也成為飛得最高的女性。

在完成軌道調整後，第三天的重頭戲——商業太空漫步正式開始。龍飛船內部的氣體被排空後，賈里德和莎拉輪流將身體探出艙外，進行了一系列新太空衣的測試，而其餘兩名組員則留在艙內監控系統。這次太空漫步雖然並未像電影中那樣「漫步」在太空，但其意義非凡，因為這是由私人資金支持的商業艙外活動。

科學研究與未來展望

除了太空漫步之外，任務組員還進行了多項科學實驗和技術測試，包括微重力對人體各器官的影響研究，這些研究對於人類未來長時間在太空生活至關重要。此外，團隊還測試了星鏈（Starlink）雷射通訊技術，以提高太空中數據傳輸的效率。

在任務期間，任務專家莎拉·吉利斯還在太空中用小提琴演奏了《雷伊主題曲》，並通過星鏈技術將影片傳送回地球，與全球音樂家合作完成了一場跨越時空的演出。

任務的最後一天，龍飛船安全返回地球，成功在墨西哥灣降落，為這次史無前例的太空任務畫上了圓滿的句號。

北極星黎明的意義

對於熟悉太空史的朋友來說，這次的太空漫步似乎並不如 1960 年代的雙子星任務那樣驚險。然而，真正的突破在於「商業」二字。這次任務由賈里德自掏腰包資助，展示了商業公司在航太探索中的潛力，就像 SpaceX 在過去二十年所取得的成就。

任務中進行的大量技術測試和科學研究，證明了這不僅僅是富豪的太空旅遊，而是一次充滿挑戰的科學與技術驗證任務。這些經驗和技術將成為未來挑戰月球與火星的重要基石。

「北極星黎明」任務雖然已經結束，但賈里德的太空夢還在繼續。這只是「北極星計畫」的第一步，未來還有至少兩次任務正在籌備中，其中第三次任務將搭乘 SpaceX 的星艦（Starship），進行首次載人飛行。

隨著技術的進步和更多私人資金的投入，還可以期待人類接下來在商業航太領域能取得更多突破。在未來，要來趟真正的太空之旅，看來除了熱愛科學，還需要努力賺錢了。

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2023 年 11 月 24 日，馬斯克（Elon Musk）創辦的 Neuralink 公司在官方推特上發布了一則耐人尋味的影片，標題為「Please join us for show and tell」（請加入我們的展示與分享）。這預告了他們將於 11 月 30 日美國時間晚間六點（台灣時間 12 月 1 日上午十點）舉行一場備受矚目的發表會。

回顧過去，Neuralink 曾展示過令人驚艷的技術突破，例如監測豬的腦波，以及讓猴子裝上他們開發的 N1 晶片，用腦控玩經典遊戲《乒乓》（Pong）。這些成果已經讓全球為之震撼。事隔 18 個月，這次的發表會是否會帶給我們更多驚喜？是否能看到人類親自裝上 N1 晶片，直接用大腦來「展示與分享」呢？

遺憾的是，這一刻還未到來。但馬斯克在開場時就揭露了一個令全場歡呼的消息：在這段時間內，他們持續進行了更多猴子的植入實驗，甚至研發了假大腦模擬器進行離線測試。在確保一切安全和動物福祉的前提下，他們已完成所有備查文件。順利的話，將於六個月內獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）的核准，進入人體實驗階段。他本人也表示，若情況允許，他不排斥成為第一個植入 N1 晶片的人。

無限猴子定理與腦機介面

提到猴子打字，不免讓人想到數學和哲學上的「無限猴子定理」。這個定理由法國數學家埃米爾·博萊爾（Émile Borel）於1913年在一本討論機率的書中提出。他假想：如果有無限多隻猴子和無限多次的打字機會，最終有可能打出莎士比亞的《哈姆雷特》。機率雖然極低，但並非零。

這個定理也被簡化為：即使只有一隻猴子，只要擁有無限次的打字嘗試，也可能產生任何文章，儘管牠完全不知道自己在打什麼。這與這次Neuralink發表會上的猴子展示，有著異曲同工之妙。

然而，馬斯克開發腦機介面的目的，並不是讓我們與猴子溝通。在發表會上，他再次強調了Neuralink的使命：打造一個「高頻寬、泛用型的人機介面」。簡單而言，就是加速我們與智慧裝置的互動方式。

馬斯克的願景：與 AI 共存

現今，AI 技術日新月異，能夠生成精美的圖片、回答各種問題，甚至編寫程式，而且進步速度只會越來越快。馬斯克強調，如果人類希望在未來的物種競爭中與 AI 並駕齊驅，最好的策略就是「打不贏，就加入它們」。

目前，人類之所以在進步速度上遠遜於 AI，他認為主要原因在於人類接收和輸出數位資訊的速度有限。我們最快的方式是閱讀、打字、觸控或語音輸入，但與 AI 透過聯網搜尋數位資訊僅需毫秒相比，我們簡直像是石器時代的原始人。

因此，他主張透過腦機介面的植入，我們將能以媲美 AI 的速度與電腦互動、聯網，甚至與 AI 協作、駕馭它們。試想，當你能用腦控操作手機和智慧裝置時，還會想用手指滑動輸入，鬧出一堆打錯字的笑話嗎？擁有這種超能力的你，還需要擔心 AI 搶走你的工作嗎？

我們與賽博格的距離

然而，想到要將晶片植入大腦，難免讓人聯想到各種賽博龐克作品中的可怕後果。例如，《Cyberpunk 2077：邊緣行者》中的「賽博精神病」、或是《刀劍神域》中可能燒毀大腦的完全潛行裝置。將自己改造成半人半機械的賽博格（Cyborg），著實令人卻步。

但馬斯克在發表會上指出，其實我們早已是廣義上的賽博格。否則，為何我們每天早上起床第一件事就是滑手機？為何不時低頭看智慧手錶？出門沒帶手機，是否比沒帶錢更讓你焦慮？我們已經如此習慣隨時聯網和人機互動，Neuralink 所做的，不過是提升這種互動的效率。

關於植入大腦的恐懼，Neuralink 以影片中展示的猴子為例。在他們使用高科技機器人進行手術植入後，根本無法從外觀看出牠們有任何植入物。發表會上的工程師甚至半開玩笑地說：「就算我有裝，你也不知道，我的腦後完全沒有痕跡。」

Neuralink 的真正突破：規模化與產品化

其實，腦機介面的想法和研究早已不是新鮮事。早在將近一百年前（1924年），德國醫生 Hans Berger 就首次從人類頭皮上記錄到腦發出的微弱電磁波（Electroencephalography, EEG），並開始發展非侵入性的電極腦波偵測技術。197 3年，UCLA 的 Jacques Vidal 團隊就已經提出「腦機介面」的概念。而 Neuralink 這種侵入式腦電極也非先行者。早在 1990 年代，美國猶他大學的Richard Normann 教授開發了多電極陣列，在猴子腦中植入 100 個電極，嘗試簡單任務。2002年，實驗猴就可腦控滑鼠，2008年甚至能遙控遠方的機械手臂餵食自己，控制「第三隻手」，彷彿蜘蛛人的反派「八爪博士」。

即使是相對不精準的非侵入式腦波偵測技術，只要幾百個電極，就能在人類身上實現控制機械義手的可能性。2018 年，已發展到能讓人腦控打字、玩遊戲，基本上與 Neuralink 透過 N1 植入物讓猴子能做的事情相似。

那麼，這次發表會的看點在哪裡？其實，馬斯克帶著大批工程師報告，真正要強調的重點是「規模化和產品化」。這正是這場發表會的核心，也是馬斯克向來為人所知的魔法：「讓夢想成真」的關鍵部分。畢竟，好點子並不稀奇，最重要的是執行力。不論是 SpaceX、Tesla，或是前陣子轟動一時的機器人 Optimus，他一貫採用「先求有再求好」的思維，不做最強的原型機，而是先拼湊所有技術，做一個最有可能讓消費市場買單的產品。畢竟，兵貴神速，尤其在商用市場上。

關於 N1 晶片，馬斯克形容得很輕巧，就像是幫你的大腦裝上 Apple Watch 一樣。但智慧裝置成癮的你我，應該此時會浮現相同的疑問：手錶和手機的電池效能會越來越低，科技產品每年都會更新軟硬體，當這些「身外之物」來到產品生命週期末尾時，我們總能輕易汰換。但當這個 3C 產品是放在腦膜底下，如何確保它不僅不會故障，還能好好充電，甚至可升級呢？

Neuralink 這次可是有備而來。首先是穩定性的部分，除了上次發表會看到能腦控《乓》遊戲的猴子佩吉外，這次還展示了其他五隻猴子分別進行不同的腦控遊戲。馬斯克特別強調，牠們都很享受這些實驗，包括這次展示腦控打字的 Sake。透過重複性的實驗，穩定性已獲得一定的保證。

續航力方面，團隊已經改良電池效率，並在猴子身上實驗了無線充電的可行性，確保一整天使用無虞。最後，也是最重要的「可升級性」。畢竟，目前的 N1 就如同 iPhone 一代，當技術演進到 iPhone 14 時，應該沒有人想繼續用舊款。因此，發表會上工程師們展示了 N1 晶片的手術過程有多簡易，完全使用手術機器人，輕鬆地在 15 分鐘內自動植入 64 個電極，再安全地把頭蓋骨和皮膚縫合回來。後續無論是軟硬體升級，只需要到他們正在建置的腦機介面診所就可進行。

目前，N1 晶片的製造已在奧斯汀開始產線準備進行量產。只要 FDA 核准，人體試驗成功的話，Neuralink 就有機會成為第一個達成商用化的腦機介面服務商。

競爭對手與未來展望

然而，Neuralink 只是「有機會」成為第一個達成商用的公司。這兩年，不止一家公司追上，甚至彎道超車，推出比 Neuralink 更接近完成品的產品。在這裡先賣個關子，預告下集我們將討論馬斯克的勁敵，以及可能導致 Neuralink 被指控虐待動物的爭議。