資料視覺化(data visualization)對人口普查的意義

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

用眼睛、耳朵「吃」食物是什麼感覺呢？

進食是一種多重感官的體驗。

雖然我聚焦在顏色與視覺上，但這並不代表視覺是食物產業和消費者唯一重視的感官，也不代表視覺會在食物買賣中完全取代其他感官。

聲音、氣味、觸感和顏色都會影響人們對食物口味的感知，無論我們想不想接受，事實都是如此。自 19 世紀以來，食品製造商和食物科學家已經對人工調味做了非常廣泛的研究。

近年來，研究人員對於聽覺對食物口味的影響越來越感興趣，酥脆的聲音就是其中一例。

在 2000 年代的一系列出版品中，心理學家查爾斯．史賓斯（Charles Spence）指出，我們在咬、咀嚼與吸吮時聽到的聲音會大幅影響我們對口味的感知。

我們不只會靠著食物的聲音來判斷質地，也會用聲音判斷品質。由於在許多蔬果中，爽脆的聲音就等同於新鮮，所以這種聲響會對人們的感知產生格外明顯的影響。

人類學家和歷史學家也越來越注意飲食中各種感知的交互影響，他們不只從科學的角度做探討，也從歷史與文化的角度做研究。在飲食的多重感官體驗中，針對顏色的歷史分析是失落的一角。

大學、公家機關和企業實驗室的食物科學家和心理學家都已經在研究顏色在食品業中的功能了，「顏色與口味之間的關係」就是研究主題之一。

雖然他們的研究顯示，顏色對食物的口味有生理上與心理上的影響，但他們普遍忽略了顏色與食物的歷史與文化。

控制感官因子將食物商品化

食物是最古老的原物料之一，但企業至今仍持續藉由控制感官因子（包括顏色）進行食物的商品化，在每一個新市場中，人類的決定與行動都在不斷重新塑造食物。

食品業在「視覺化口味」的過程中會使用兩種工序：創造意義，以及控制食物的物理型態。顏色不只是食物的物理特徵，更具有社會與文化上的意義。

社會學家羅蘭．巴特（Roland Barthes）在 1950 年代晚期的文章中指出，人們在資本主義的系統中，是依附著「物質」創造神話的，這些物質包括相片、汽車和食物等。儘管巴特的文章主題是「法國日常生活中的神話」，但他的分析框架能讓我們更理解對物質的深層意義，而不只是了解實用功能而已。

食物的顏色是一種符號，能代表天然、優秀與人工的概念。農人、食品加工廠和雜貨商開始試著把特定食物的顏色與味道「配對」，他們的手法包括控制熟成過程、增加食用色素和使用冰箱。許多美國人視為「天然」的食品顏色逐漸占據了整個市場。

然而，所謂「不自然」的顏色（例如綠色的柳橙、偏棕色的肉和偏白色的奶油）並不一定代表食用品質下降了。

食物的顏色會影響人們的選擇

食物的顏色，代表了另一種口味的視覺化：消費者的好惡。

從 1870 年代開始，企業製造出分裝色素和蛋糕預拌粉等「便利」原料後，色彩繽紛的食物就變成了一個人在家庭烹飪的品味體現，也象徵了理想的陰柔特質和一個人的社會性格。

正如社會學大師皮耶．波迪爾（Pierre Bourdieu）所主張的，味道構成了「一種後天的傾向」，人們能「透過區別口味的過程建立與標記彼此之間的差異」。與康德式的普遍審美判斷不同，在如今的高消費社會中，對於特定顏色的品味和知識是一種社會標記（social marker）。

在這方面，感官知覺不僅僅是個人的生理感覺，而是一種共同的文化體驗。

——本文摘自《秀色可餐？：所謂的新鮮和健康，都是一場精心設計》，2023 年 6 月，今周刊，未經同意請勿轉載。

人類如何發展成多元族群？

自從三十萬年前智人在非洲現身，多元化便幫助人類適應非洲各地不同的環境。這期間大部分時候，適應成功漸漸產生更好的獵人和採集者，使食物供給增加，人口明顯上升。

之後每個人可享有的生存空間和自然資源減少，早在六萬至九萬年前的某個時間，智人開始大規模出走非洲大陸，尋找更多肥沃的生存土地。由於這種外移過程有連續性，便自然產生一種相關：定居的地方離非洲越遠，人口多元化就越低。智人離開非洲越遠，其社會的文化、語言、行為、體格多元化程度就越低。這種現象反映著連續始祖效應（serial founder effect）。

什麼是「連續始祖效應」？

假設有個島上，住著五種主要品種的鸚鵡：藍、黃、黑、綠、紅，牠們在島上適應存活的能力相當。當颱風來襲，有幾隻鸚鵡被吹到很遠的荒漠小島。這一子群鸚鵡不太可能涵蓋所有五個品種。假定牠們以紅、黃、藍居多，不久滿布新島上的幼雛將遺傳牠們的毛色。於是新島上形成的鸚鵡群就不及原棲息地的多樣化。要是後來又有很小一群鸚鵡，從第二島移往第三島，這一群的多樣化更不及前二島。所以只要鸚鵡從母島移出的速度快過原島上可能產生突變的速度，則牠們（相繼）移得越遠，就越不多樣。

人類移出非洲也是類似模式。起先有一群人離開非洲，定居在附近肥沃地帶，他們只帶走非洲母體人口多樣化的一部分。等這群最早的移民成長到新環境無法支撐他們再擴大，便會有一群人離開，去尋找別的處女地，定居在更遠的地方，其多元化將更低。人類向非洲以外散布，以致各洲都有人類蹤跡的這段期間，同樣的過程一再重複：人口增加，新群體再移出，去追尋更綠的草地，但多樣化僅及母體人口的一部分。

儘管有移民改變方向，這顯而易見，不過這種移居模式的影響是，離開非洲來到西亞的人群不像原本在非洲的人口那樣多樣化，其後代又繼續向東移往中亞，最後來到大洋洲和美洲，或是向西北移往歐洲，多其樣性也越來越比不上留在原地的人。解剖學上的現代人類，從非洲的搖籃向外擴張，為世界各地文化、語言、行為、形體多元化的程度不同，刻下深刻且不可磨滅的印記。

這種與非洲離得越遠、人口整體多元程度就降低，部分反映在較遠的在地民族基因較不多樣化上。根據對二百六十七種不同人口做基因多元化的比較測量，這些人口大都可找出原屬的本土族群和地理上的發源地。結果很明顯，距東非最近的本土族群基因最多樣化。多樣化最低的是中南美洲的本土族群，他們從陸路移出非洲的距離最長。多元化與移出東非的距離成負相關，這種模式不僅出現在各大洲之間，在各洲內部也是如此。

體質與認知人類學領域提供更多這種證據。研究人體體型的特徵，比方與牙齒特徵、骨盆特徵、產道形狀相關的骨骼架構，以及研究文化特徵，例如不同語言的基本詞語單位（「音素」〔phonemes〕），都證實有源自東非的連續始祖效應存在；同樣是距東非越遠，體形和文化特徵的多樣化越低。

人口多元化表現的形式是多方面的，若要適當探究整體多元化程度對國家經濟繁榮的影響，當然需要比基因學家和人類學家所提供的更廣泛許多的測量標準。此外，這標準也需要獨立於經濟發展的程度之外，以便用於評估多元化對國家財富的因果效應。這會是什麼樣的測量標準呢？

測量人類多樣性的標準是什麼？

測量人口多元化慣用的標準，往往只擷取人口中族裔或語言群體的比例代表。這類標準因此有二大缺點；一是某些族裔和語言群體的關係較密切。由等比例丹麥人和瑞典人組成的社會，或許不如由等比例丹麥人和日本人組成的社會那麼多元。另一缺點是，族裔和語言群體的內部也不盡然完全同質。全由日本人組成的國家與全由丹麥人組成的國家，多元化程度不見得相同。事實上，族裔團體內在的多樣性通常比不同群體間的多樣性要大上十倍。

因此要全面測量一國人口的整體多元化，至少應當再多加二個多元化的面向。一是族裔或次民族群體內在的多元化，如美國的愛爾蘭裔和蘇格蘭裔人口。其次是比對任一組族裔或次民族群體之間的多元化程度，例如，比起美國的愛爾蘭裔和墨西哥裔人口，愛爾蘭裔和蘇格蘭裔的文化較為相近。

鑑於移出東非的距離與可觀察特質的多元化之間存在緊密的負相關，這個遷徙距離可用於代表地球上每個地方的歷史多元化程度。我們依據各地人口的祖先與遷徙出非洲的距離有多遠，可以建構推算今日各國人口整體多元化的指數，列入考量的包括 (1) 國內各次群體的祖先人數多寡；(2) 依據各次群體的祖先走出東非時遷徙的距離，來推測其多元化；(3) 每一次群體配對後，由兩方祖先和地理發源地的遷徙距離來推算多元化程度。

這樣用統計學測量來推算多元化水準有二大優點。一是史前遠離非洲有多遠，顯然完全與當今的經濟繁榮水準無關，所以這種測量法可用於估計多元化對生活水準的因果效應。其次是如上文所強調，有越來越多體質與認知人類學領域的證據顯示，遠離非洲的遷徙距離深深影響到許多表現在身體及行為上的特質的多元化；所以我們有把握，用這種測量法推算的多元化類別會產生社會結果。

要是用這種指數測量多元化不精準（採隨機方式進行），原因比方說是未能適當考量各洲的內部移民，則根據統計學理論，我們多半會因此否定、而非確認多元化影響經濟繁榮的假設。也就是說，如果我們犯錯，是因為過於謹慎。

人口特質多元性和能不能賺大錢有關係！？

最後很重要的一點是，我們是針對個別社會的特徵測量多元化。這測量的是某一社會的人口特質有多少不同種類，無論這些特質是什麼，或是不同社會間有什麼差別。因此它不會、也不能用於暗示某些特質比別的特質對經濟成功更有利。反而它可以掌握到某個社會的人口特質多元化，對經濟繁榮有何潛在影響。事實上，把地理與歷史干擾因子納入考量，遠離非洲的遷徙距離本身似乎並未影響全球各地如身高體重等特徵的平均水準。它主要是影響群體中的個人與平均水準的差異。

有了這強有力的測量法可測定每一群人口的整體多樣性，我們終於可以探究數萬年前遠離非洲的大出走，以及它對人類多元化的影響，是否如此源遠流長，以致居然還能左右當前的全球生活水準。

———本書摘自《人類的旅程》，2022 年 10 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。