乾旱反而縮減死區？

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

本文由 經濟部水利署 委託，泛科學企劃執行。

人體有 70% 是水，而地球表面亦有 70% 被水覆蓋。「水」對人類來說，是賴以為生的必要資源，又因「水」相對容易取得，讓人們不易察覺水的珍貴。

在近年氣候變遷衝擊下，旱澇交替已成常態，經濟部水利署賴建信署長接受泛科學專訪時亦表示，依據聯合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）第 6 次評估報告（AR6）分析，未來臺灣連續不降雨日數及最大暴雨強度將明顯增加，對於水資源及水環境帶來嚴峻挑戰。

具體來說，未來降雨將會更集中在特定時間與地點，在降雨地區造成更嚴重的洪災，讓非降雨地區的缺水情形更加嚴重。結果是降雨地區的水庫會不斷洩洪，無法有效收集雨水，而非降雨地區的水庫又會完全沒水。

這情景也預示著我們平常容易取得的「水」，將轉變為更稀缺珍貴的資源；然而，水又是人生存所必須，若現在不採取行動，水資源終將成為人類生存的最大束縛。

為了讓企業、政府、學術單位能更重視未來所面臨的水資源問題，水利署於 10 月 23 日舉辦的「2023 臺灣國際水論壇」以「水未來」（Vision for Water）為主題，針對「水與企業永續」、「水與能源鏈結」、「水與自然解方」、「水與減碳科技」，希望形成創新的漣漪，向外擴散，激盪出國內外產、官、學界合作契機。

而擔任「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次的講者，是來自東海大學國際學院永續科學與管理學士學位學程的 Aleksandra Drizo 教授，她以數據與實際案例，揭露水資源短缺到底有多麼迫在眉睫。

全球有35億人，沒有安全與衛生的水可用

Drizo 指出，聯合國 2023 年公布的 SDGs 第六項「確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理」報告中，指出世界上 35 億人缺乏乾淨用水與基本衛生條件，並強調：「獲得安全用水，環境衛生和個人衛生是人類健康與福祉的最基本需求。」而若要達到 SDGs 的 其他目標，又以第六項為最重要的核心，因為唯有確保人人都能用上乾淨的水，才有路徑完成其他目標，例如：第二項「終止飢餓」，就必須在確保有穩定乾淨的水源情況下，才可能達成。

Drizo 進一步指出，近幾十年來，儘管在改善飲用水和衛生條件方面有所進步，但仍有大量人口無法獲得安全飲用水和基本衛生設施。根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料，從 1990 年到 2015 年間，全球人口增長了 26 億，對水資源的調度與供給造成了巨大壓力。而在 2023 年世界衛生組織提供的乾淨飲用水調查資料中，直到2022年，仍有 22 億人口無法獲得安全飲用水，也與前面聯合國 2023 年的調查報告呼應，再次呈現水資源問題日益棘手的趨勢。

水資源困境並非全是全球人口成長惹的禍，全球氣候變遷造成更加頻繁的極端天氣事件，正讓全球面對過往不曾出現的乾旱。《衛報》2022 年報導歐洲面臨前所未見的熱浪與旱災，法國、荷蘭、比利時、瑞士、義大利、西班牙的河流，已經能直接看到河床，當時西班牙政府宣布限水，表示全國儲水量已達歷史新低，只有總儲水量的 40%，且每周都以 1.5% 的速率持續下降。

如今全球氣候變遷造成的水資源問題，也逐漸成為常態，《紐約時報》2023 年 10 月報導，如今西班牙仍處於缺水中，西班牙南部的水龍頭已經流不出水了，甚至連水井都已經枯竭，不只農業無法正常發展，民眾還必須仰賴水罐車或罐裝水維生，根據西班牙政府的報告，若缺水成為常態，則本世紀末將有近 74% 的西班牙國土，將面臨沙漠化的問題。

臺灣也面臨缺水問題

臺灣也未能逃離缺水的命運。2021 年春天，發生了 56 年來最嚴重的乾旱，當時外國媒體全都持續關注這場旱災，深怕缺水影響新竹科學園區的產線。而水利署搶先在 2021 年開通的「桃園—新竹備援管線」，從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹，才讓外媒的擔心沒有成真。

此外，臺灣水污染與地下水過度開採也導致水資源匱乏。要扭轉這一局面，則需要從多方面著手，水利署也已經開始建置相關工程並陸續投入使用，例如：高屏溪的「伏流水」與臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」，為地方開創多元水源，創造更有保障的用水環境。

Drizo 表示，臺灣的水庫也因氣候變遷面臨「優氧化」問題。由於水庫的水停滯過久，營養物質（氮和磷的化合物，相當於肥料）逐漸累積在水中，加上近年溫度上升，讓水中藻類與浮游生物孳生。在 2023 年的水利署水質檢測報告中，全國 20 個主要水庫中有 8 個水庫的水質已經優養化，這些優養化的水會對淨水廠造成額外負擔，而過濾出來的廢棄物處理也是個難題。

而 Drizo 針對優養化問題，提出以自然為本的解決方案（Nature-based Solutions, NbS)），並分享過去在各地施行的案例，例如：在 2009 至 2011 年與屏東科技大學的研究計畫，架設的社區小型污水淨水廠，以及用在美國俄亥俄州的農業污水淨水方案。最後 Drizo 分享了將廢棄物轉化生成富營養肥料等高附加價值產品的相關技術研發。也就是說，在淨水的同時，還能把廢棄物轉換為有價值的肥料，這不僅可以提高水資源利用效率，也具有重要的環保意義。

Drizo 的演講代表了學界在水資源問題上的重視，也提到了水利署正一步一腳印地改善臺灣用水環境，那麼身為用水大戶的企業，又有什麼作為呢？

企業面臨的永續發展難題

臺灣美光記憶體的環安衛、風險管理暨永續發展處處長江頴俊在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次分享該公司的實際經驗，臺灣美光記憶體透過「綠色基礎設施」、「流程優化」和「設備更新」的措施，成功達成每一滴水重複利用三次的目標，這項措施每年節省約 6000 萬立方公尺的水，相當於 6500 座奧運游泳池的水量。

然而，像美光這樣能提出具體目標與可信成果的企業並不多見，一同演講的法國北方高等商學院基礎建設研究中心 （EDHEC infra）的資深研究工程師 Nishtha Manocha，則說明大部分企業的永續發展目標缺乏 「設定具體可行的環保目標」以及「準確量化環保成果」。

許多企業的永續發展目標僅停留在概念階段，並沒有具體的達成路徑與量化檢核指標，這種模糊不清的目標將無法帶領企業持續行動。而更嚴重的是在量化成果這塊，目前企業仍多以內部數據來評估成效，缺乏第三方機構的驗證，資料的真實性可能會遭到質疑，也衍生出了「漂綠」的相關問題。

同場演講者—資誠聯合會計師事務所所長暨執行長周建宏，則表示「永續發展」已經是熱門的投資標的，投資人也害怕自己把錢給了「漂綠」的公司，最後虧得血本無歸。因此，在投資人的引導下，企業的永續發展目標會更為清晰，加上相關監管機構陸續成立，企業勢必將花更多心思在財報與資料呈現上，不能再打著永續發展的大旗，來跟投資者畫大餅。

打造全球水未來

在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」這場演講中，我們看到政府、企業、學界一同合作，共同討論如何解決水資源匱乏的難題。無論是學界針對水質優養化問題所提出的解決方案，抑或是透過投資人監督，讓企業能落實永續發展目標，都能看見世界正迅速朝永續水資源管理轉型。然而，各項監測指標仍顯示氣候變遷亦在加速，將我們推入未知領域，我們必須加快行動，才不會讓更嚴峻的水資源稀缺成為未來世代的枷鎖。

參考文獻

• 「水與ESG-厚植企業永續競爭力」講者簡報
• Climate change affecting water quality – Taipei Times
• Europe’s worst ever drought: in pictures | Environment | The Guardian
• A Glimpse Into Spain’s Future, Where Water Comes by Truck, Not Tap
• MITERD. (2022). Estrategia Nacional de Lucha Contra La Desertificación En España.

久旱不雨，植物悲鳴，^{[1, 2]}類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」（khàu-iau）。^[3]別問為何沒聽過，也不怪天地寡情，人類無義，從來漠不關心。植物叫那種超音波，傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙，轉換到常人的聽覺範圍，並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》（Cell）期刊，才廣為周知。^[1]

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅，植物會做出多種反應，例如：改變外貌，或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。^[1]過去的文獻指出，缺水引發空蝕現象（cavitation），使植物負責輸送水份的木質部，因氣泡形成、擴張和破裂而震動。^{[1, 4]}現在科學家想知道，這是否也會產生在特定距離內，能被其他物種聽見的聲音。^[1]

受試的對象是番茄與菸草，分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器，以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段：首先，在隔音箱裡，距離每個受試對象 10 公分處，各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後，拿去進行機器學習。接著移駕溫室，讓訓練好的模型，分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來，觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後，也測試其他的植物和狀態。^[1]

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物，每小時平均發聲少於一次；而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地，遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物，反應則十分劇烈：^[1]

隔音箱中實驗組的錄音，被依照植物品種以及所受的待遇，歸納為 4 個組別，各組別再彼此配對比較，例如：乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型，判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行，自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音，來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後，令其區別乾旱與對照組番茄的聲音，結果 84% 正確。^[1]既然能聽得出基本的差別，下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量（volumetric water content，縮寫VWC），即水份與泥土體積的比值或百分比，^{[1, 5]}科學家狠下心，連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化；一邊錄下它們的聲音。起先水份充足，番茄不太吵鬧；4、5 天下來，發聲的次數逐漸增加至高峰；然後應該是快渴死了，有氣無力，所以次數又開始減少。此外，番茄通常都在早上 8 點（圖表較像 7 點）到中午 12 點，以及下午 4 點至晚上 7 點，這兩個時段出聲。^[1]科學家覺得這般作息，可能與規律的氣孔導度（stomatal conductance），也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發，兩個透過氣孔進行的動作有關。^{[1, 6]}

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現；當 VWC > 0.1，水份還足夠，就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05，以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來，都有七、八成的準確率。^[1]

植物發聲的原理

實驗觀察所得，都將植物發聲的機制，指向木質部導管中氣體的運動，也就是科學家先前預期的空蝕現象。^[1]下面為支持這項推論的理由：

1. 木質部導管的口徑，與植物被錄到的聲波頻率相關：寬的低；而窄的高。^[1]
2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同：在木質部導管中，前者氣泡形成緩慢，發聲時數較長；而後者則相當迅速，時數較短。^[1]
3. 聲音是由植物的莖，向四面八方傳播。^[1]
4. 空蝕現象造成的震動，跟記錄到的超音波，部份頻率重疊；而沒有重疊的，其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。^[1]

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後，科學家不禁好奇，別的植物是否也會為自己的處境發聲？還是它們都默默受苦，無聲地承擔？研究團隊拿小麥、玉米、卡本內蘇維濃葡萄（Cabernet Sauvignon grapevine）、奇隆丸仙人掌（Mammillaria spinosissima）與寶蓋草（henbit）來測試，發現它們果然有聲音。不過，像杏仁樹之類的木本植物，還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外，科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒（tobacco mosaic virus）的番茄，並錄到它們的病中呻吟。^[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出，海邊月見草（Oenothera drummondii）暴露於蜜蜂的聲音時，會產出較甜的花蜜。^[2]若將角色對調過來：植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波，頻率約在 20 至 100 kHz 之間，理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲，例如：蝙蝠、老鼠和飛蛾，應該聽得到。^{[1, 2]}以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾，或許能辨識植物的聲波，並做出某些反應。同理，人類可以用機器學習模型，分辨農作物的聲音，再給予相應的照顧。如此不僅節省水源，精準培育，還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。^[1]

備註

本文最後兩個子標題，借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。^[7]

參考資料

1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典（Accessed on 01 APR 2023）
4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
7. FireRock Music.（16 JUN 2019）「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.