從古代烽火到未來 6G！《通信科技大解密》帶你全方位探索通信技術的演變

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 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話，這些似乎是上古時代的科技，其實都發生在過去兩百年內。而手機，作為近五十年來的產物，又經歷了怎樣的演變呢？

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年，一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布，迅速走紅，登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關，但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla，沒錯，這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要，而從 3G 到 6G，行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢？讓我們一起深入了解。

行動通信的歷史雖然只有短短幾十年，但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭，再到行動通信所帶來的社會變革，每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中，我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi，也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技！

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參考資料

• Nikola Tesla predicted smartphones in 1926 like a boss – GeekWire
• Who Invented Radio? https://www.pbs.org/tesla/ll/ll_whoradio.html
• ITU-R FAQ on International Mobile Telecommunications (IMT)
• 你有聽過台灣納稅人的血淚 WiMax 嗎？中離王 Intel 與榮景不再的高通——4G 篇 – 寫點科普Kopuchat
• WiMAX 業者：政府騙了我們

• 本文轉載自 LIS情境科學教材

他是賴以威，台灣師範大學電機系副教授，數學推廣平台——數感實驗室共同創辦人，同時也是一名小說家，出版過多本著作，在這些斜槓身分之外，他還是三個孩子溫柔的爸爸。

一路順遂的求學歷程，「成為教育者」的志向，不曾出現在這位資優生的人生選項裡，直到 27 歲那年父親驟逝，他決定傳承爸爸推廣趣味數學的遺志。

如何從一位數理資優生走向教職，賴以威的故事和教育觀點，邀請你一起往下閱讀>>>

一生重要的影響

談起自己的求學歷程、性格態度，賴以威的父親——賴雲台老師無非是他生命中的關鍵影響。在賴以威心中，爸爸是嚴師也是慈父、是教練也是最好的玩伴，下棋、玩牌是父子倆共同的日常興趣，他們一邊鬥智，也一邊鬥嘴，自己的數學興趣和能力也在其中逐漸養成。

「我的爸爸是一個自我要求很高的人，受他的影響，讓我開始督促自己要努力，給自己高標準，發揮最大的潛力。」賴以威憶起高中就讀師大附中科學班的日子，在高手雲集的班上，當時的成績並不出色。準備大學聯考的那年，父親慎重地表達對他的期待，但賴爸爸以一種溫柔的方式寄予厚望，每天都接送他上放學，賴以威笑說當時自己就像廢人一樣，「父親表達關心的方式，是盡可能幫我處理掉一些雜事，讓我能專心在唸書上，也因為這樣讓我覺得更應該要好好念書回應他」，於是他開始制定讀書規劃並紀律落實，重新把基本功打好，起初成績並無太多起色，但經過一學期的醞釀，最後大學聯考錄取了台大電機系。

內在的求知欲、外在的期待和眼光

作為一位擅長讀書的孩子，成長過程不免背負著家長和學校的高度期待，賴以威不諱言：「其實學生時期兢兢業業追求更好的課業表現，也是希望能夠滿足周邊大人們的期待，不想讓他們失望」，即使是一位盡力滿足大人期待的乖乖牌資優生，他也深知「樂於求知」的內在動機，才能一直支持他熬過伏案苦讀的聯考時光。

「我一直對求知很有興趣，遇到不懂就想要去搞清楚，喜歡把事情想透徹。當遇到數學問題，如果學到新方法，我會想要搞清楚為什麼，A 方法不能做嗎？一定要用 B 方法嗎？學到 C 方法，也會想著能不能用來解決過去碰到的問題。」看似活在他人的期待，但賴以威在學習、解題的過程，保有著自己的小叛逆！好奇、挑戰中得來的「融會貫通」，讓他發自內心獲得成就感，「把事情搞懂，對我來說是很有意義和開心的事情」！

數感爸爸，把數學帶進孩子的日常生活

在某個平凡日子，遠在德國當客座研究員的賴以威，突如其來的接到父親患肺腺癌末期的噩耗。

即使賴以威立刻飛回台灣陪伴爸爸，但一心只想把握僅剩時間的賴爸爸，仍持續不輟的為推廣趣味數學奔走，虛弱的身體終究不堪過勞，不到兩個月的時間即離開人世。

沒人接下賴雲台老師生前的重大託付，賴以威在父親離開後試著投入，沒想到從中做出興趣，也找到與爸爸連結的實感，於是他決定創立「數感實驗室」，繼承爸爸臨終前最用心投入的事 。

因為父親離開的突然，現在賴以威透過與孩子在一起的時光，把過去跟父親連結的吉光片羽找回來。

「寫作」一直是賴以威品嘗回憶、保存記憶和的方法，除了想念父親時書寫，現在他也在臉書上分享自己和孩子的日常互動、生活對話，其中四歲的二兒子「君君」有著極高的出鏡率，有位有問必答的數感爸爸，即使小小年紀，君君已經學會數數和基本運算。問起如何造就君君如此超齡的數學程度，賴以威分享：「關鍵在於把數學應用帶入孩子生活的大小場景」，每當孩子提出好奇和他討論，賴以威會反射性的將問題與數學連結，比如喜歡恐龍和太空的君君常常會突發奇想的問爸爸：「開車去月球要花少天？」、「木星和太陽誰大誰小？」，這些童言童語的問題，即使 Google 搜尋不到答案，父子倆也能藉由數學「自己算答案」。

人們喜歡把學過的、自己會的數學叫「常識」，沒有學過、不懂的數學叫「數學」

和以威老師談到四年一度「國際數學與科學教育成就趨勢調查 (TIMSS)2019」結果，台灣的孩子不管在數學、科學都名列前茅，學習的興趣及信心卻敬陪末座，賴以威說：「很多人不喜歡數學，是因為討厭數學課，而不是數學本身」，考試、代公式確實是數學的一部分，但不是數學的全部，科學也亦然。

「其實我們會的數學已經很多了，人們往往把數學想得太困難，與現實脫節」，數學無所不在，生活正應用著大量數學，如：買賣交易、存款、辦信用卡（基本運算、百分率、複利…等數學概念），然而這些生活中運用的數學，卻被自動化的被歸類於「常識」。

對於台灣教育的觀察與想法

這些年投入教育創新推動，賴以威認為現階段的台灣教育已明顯優於以往：「以前根本不會問小朋友喜不喜歡科學和數學，你先學就對了，到現在慢慢會強調孩子要有學習動機，關心他們喜不喜歡」，但賴以威深知，在升學主義的主旋律中，「學習動機」往往不是教育體制或家庭教育優先重視的部分，而我們都共同期待在未來的某一天「學習動機的重要性，將不再亞於學習知識本身」。

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」，賴以威分享給我們的大科學人宣言：

❛❛ 如果人們不相信數學是簡單的，那麼他們只是不明白人生有多麼複雜。 ❜❜  ── 約翰．馮．諾伊曼

賴以威說：如果你是個大量使用數學的人，一定會知道「數學比起人生，簡單很多」，我們利用數學「探索知識」、「解決問題」，但現實世界中能真正被數學解決的問題還是有限，面對著未知的世界，數學能做到的僅僅是「預測」。

每個人天天面對著生離死別，即使有數學作為預測工具，仍得臣服於命運安排。

面對生命無常，現在賴以威更珍惜著每一刻與家人的平凡日子，在推廣趣味數學教育的同時，跨越時空和爸爸、孩子活在一起！

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【LIS 大科學計畫 ✦ 第二季】｜​928 教師節暖心上線 ▸▸▸▸▸▸▸

❛ 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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