大科學人專訪 | 賴以威：在趣味數學教育推廣中，跨越時空和爸爸、孩子活在一起

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

現代生活中的通信科技，從手機、電腦到 Wi-Fi，無所不在。《通信科技大解密》是一檔國科會科普產品製播計畫支持，並由國立臺灣師範大學賴以威副教授與泛科知識股份有限公司攜手合製。節目將帶領觀眾一窺通信科技的發展歷程，並讓大家了解這些技術是如何改變我們的生活。此外，節目除了在民視台灣台播出，因應現代人的收視習慣改變，節目也同步上架至數感實驗室的 YouTube 頻道，讓大眾能隨時隨地觀看。

通信科技不僅是日常生活的基礎，未來的 6G 技術更是全球科技競爭的焦點。臺灣政府已開始布局 6G 市場，其它國家如美、中、歐盟也紛紛備戰此領域。想維持臺灣的科技優勢，不能只專注於半導體或 AI 的發展，通訊科技同樣不可忽視。賴以威老師想透過《通信科技大解密》這個節目，為大眾建立通訊科技的基礎知識，讓更多人了解它的重要性，同時為未來的產業培養跨域人才，確保臺灣在全球通訊科技競賽中占領先地位。

《通信科技大解密》節目分為四大主題：

【第一部分：通信的起源】首先帶領觀眾探索通信技術的起源，從書信、旗語到古代烽火臺，介紹古代社會如何傳遞訊息，了解通訊技術如何一步步演進，形成現代通信的基礎；現代3C產品不可或缺的靈魂－－晶片和電話的發明，如何改變資訊的傳遞速度與範圍。

【第二部分：通信科學家的故事】聚焦改變通信歷史的關鍵人物，從摩斯發明電報，到貝爾創造電話，再到喬治·布爾與克勞德·香農為現代通信技術奠定數學與理論基礎。此外，還介紹展頻技術的發明者海蒂·拉瑪的故事，讓觀眾了解這些偉大科學家的生平與如何影響通信科技的發展。

【第三部分：生活中的通信名詞】觀眾將進入一個與日常生活息息相關的通信世界，了解 Wi-Fi、頻寬、物聯網、6G、衛星通信、Li-Fi 等名詞的意涵及其應用，並介紹環境通信和氣球通信等前瞻技術的潛力，深入淺出地解釋看似複雜的技術名詞。

【技術部分：解密通信技術】節目也會帶領觀眾進入核心通信技術的解密過程，例如通信模型、錯誤更正碼等，介紹數學是如何影響現代通信技術、如何確保訊息傳輸的準確性。

《通信科技大解密》一共 16 集，觀眾可在數感實驗室的 YouTube 頻道（https://reurl.cc/GpOy9p）隨時重溫完整內容。無論是對通信科技充滿好奇的學生，還是對未來技術感興趣的社會大眾，都能透過這系列節目輕鬆獲取知識。

• 本文轉載自 LIS情境科學教材

自己可以選擇想做的事是很棒的事

Ｑ：黑嘉嘉在國小、國中、高中分別遇過什麼「有成就感」或是「特別挫折」的經驗？

我的媽媽是數學和英文老師，因為姊姊國中要開始自學，我就跟著姐姐自學，後來國中就到美國讀書，小時候媽媽給了我很多的學習資源，比方說圍棋。

我在美國念中學是兩點半就下課，學業滿輕鬆的，每週五學校規定老師不可以給學生出作業，週末要好好去玩，禮拜一會比較晚上課，整個設計都是非常人性化。我們有一堂課，是可以自己選擇要上什麼，像是電腦、合唱團唱歌、美術。這三堂課是妳可已自己選擇要上哪一堂課，這樣可以自己選擇是很棒的事情！

整個求學過程算是滿快樂的，應該算是滿順利的。

沒有環境就自己創造

Ｑ：你覺得什麼是學習過程中最重要的關鍵？

我覺得有興趣是最重要的，我到美國之後，是完全沒有圍棋的環境，在美國找不到圍棋老師，也找不到會下棋的任何人，我有點靠著自學，在網路上自己找對手下棋，自己看棋譜，自己覆盤。因為我對圍棋很有興趣和熱情，所以我願意花很多間，哪怕我沒有環境，我也自己創造環境給自己。

除了學習動機獨立思考和勇於嘗試同等重要

Ｑ：自學的過程中是否遇到挫折和挑戰？又如何解決困難和挑戰？

我覺得當我在台灣我有圍棋老師的時候，我發現老師說什麼，我就聽什麼，沒有真的理解。比方老師說要下這裡好，我不知道為什麼，我下次就下這裡，但我沒有真的就理解為什麼要下這裡，到美國沒有老師，我就必須全部自己思考，那為什麼下這裡呢？到底好在那裡？我就開始不下這裡，看看會發生什麼事，在這一次次的失敗中學習，自學的過程當中會發現很多過去沒有想過的問題。

除了動機之外「獨立思考的能力」、「嘗試」也同等重要，得自己思考和理解過後才會變成你自己的，如果硬背可能很快就忘記了！

小朋友能夠擁有選擇的權利

Ｑ：給台灣教育的建議？

就我過去在台灣唸小學的經驗，我覺得最大的問題就是我會被強迫去背很多東西，這些東西考完試之後就忘光了，之後也是完全不會用到，還有一次台語課我考了一百分，事實上我一句台語都不會講，我就覺得很離譜，一句都不會講怎麼會考到一百分，這個情況是不正常的，不應該出現這樣的情況，運用應該是最重要的，不應該是我考了一百分覺得自己很棒，但那應該是要有慚愧的心情，我考了一百分但我一句台語都不會講。應用才是我覺得更重要的事情！

我會希望小朋以能夠有更多選擇的權利，他們可以選擇喜歡什麼，自己想要學習什麼，也喜望他們能夠有更多獨立思考的能力，這也是需要老師去帶領他們，學習獨立思考。

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」， 黑嘉嘉分享給我們的大科學人宣言：

❛❛ 人生如棋，在 19 X 19 的棋盤宇宙中，學習處事真理；落子無悔，每個選擇都牽動著下一個結果。  ❜❜  ——黑嘉嘉

人生如棋，落子無悔，是黑嘉嘉喜歡的圍棋格言，棋盤上的道理都是可以運用到科學和生活當中。在這邊也跟大家分享「黑嘉嘉的圍棋線上教室」最近剛好滿一週年，科學是生活，生活是科學，如果你對棋盤中的思考模式想進一步了解，歡迎大家報名體驗，有成人和小朋友的課程可以試上哦。

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【LIS 大科學計畫 ✦ 第二季】｜暖心上線 ▸▸▸▸▸▸▸
❛ 教育不只是老師的事，這是我們的任務，下一個世代的科學史，現在就得開始寫起！ ❜
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