長尾鯊靠「甩尾」打昏獵物

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

文同，字與可，是北宋著名畫家，以畫竹聞名。文同是蘇軾（東坡）的表兄，曾送給蘇軾一幅竹畫。文同去世後，蘇軾看到這幅畫，寫了篇紀念文章，開篇記述文同的對畫竹的看法，其中有這麼一段話：

故畫竹必先得成竹於胸中，執筆熟視，乃見其所欲畫者，急起從之，振筆直遂，以追其所見，如兔起鶻落，少縱則逝矣。

譯成白話就是：

所以畫竹心裡一定先要有完整的形象。畫時執筆凝神熟視，就能看到自己所想畫的。這時趕緊畫下心中所見，宛若兔子剛跳起來，兔鶻就飛捕下去般迅速，否則靈感稍縱即逝。

蘇軾的這段話產生了兩個成語：胸有成竹、兔起鶻落。前者小朋友大概已明白它的意思，後者即使明白它的意思，大概也只知其然、不知其所以然。就讓章老師費點筆墨解釋一下吧。

兔起鶻落，比喻動作敏捷，或形容繪畫及撰寫文章迅速流暢。讓我們造兩個句吧。

老畫家提起筆來，宛如兔起鶻落，頃刻之間一幅寫意山水就完成了。

他是少林拳高手，打起拳來兔起鶻落，讓人看得眼花撩亂。

接下去就要談談這個成語的科學意義了。當野外的有蹄類次第消失，兔子成為最重要的獵獸，自然而然發展出一套以獵兔為主的狩獵方式。平民百姓用獵犬追逐，大戶人家僱請鷹師馴練獵鷹，在空曠野地縱犬放鷹，為秋冬時分有閒有錢階級最熱衷的戶外活動。

在北方，用來獵兔的鷹，以鷹科的黃鷹（蒼鷹）和隼科的兔鶻（獵隼）為主。黃鷹體型較大，單隻即可出獵。兔鶻體型較小，極少一擊斃命，通常反覆搏擊，等到兔子無處可逃，才縱犬追捕。

兔鶻體重不到 1 公斤，但飛行迅速，兇猛無比。牠一看到兔子，會收攏翅膀，像箭一般俯衝下去。蘇軾用兔起鶻落形容下筆迅捷，說不定他就是個兔鶻玩家。

在隼科中，體型最大的是產在（大陸地區）東北北部的海東青（矛隼）。說牠體型大，也不過 1.4 公斤左右。海東青簡稱海青，是最珍貴的獵鷹，飛得又高、又快，可獵取天鵝等大型飛禽。遼代皇帝每年春天在松花江畔用海東青獵天鵝，這可是一年一度的盛事啊！

遼、金、元和清朝，這些北方民族建立的王朝莫不崇尚海東青。從金、元到清代，流放遼東（今東北）者，如捕獲海東青，還可抵罪呢！

「可有任何事物能令你恐懼？」「有，孤獨地死去。因此，我帶你同行。」－電影《比得兔》（2018）。^[1]拉別人陪葬的概念，雖然不太道德，但確實使人安心。然而，「兄弟爬山，各自努力」，人生總有非得獨立克服的重大挑戰。在缺乏救援的情況下，僅知他人也正經歷相同的苦難，對當事者又會有何影響？

實驗小鼠接受挑戰

日本研究團隊買了一票10週大的雄性實驗小鼠（C57BL/6 N），來接受行為測試。^[備註]為避免不同生理性別的反應差異，可能影響比較結果，雌性被排除在外。小鼠們4到5隻住一籠，裏頭吃喝無限供應，室溫維持在攝氏23到26度之間，照明每天開關各12小時循環。^[2]總之，小鼠養尊處優，就等著任人宰割。

實驗項目：懸尾測試、強迫游泳測試

懸尾測試（tail suspension test）：小鼠尾巴末端，被用膠帶固定，整隻吊離地面60公分。^[2]

_{左圖／參考資料 2}

強迫游泳測試（Porsolt forced swim test）：在透明圓柱容器中，注入23 °C的水，直到水深達7.5公分，再將小鼠放置其中。^[2]

_{右圖／參考資料 2}

這二項行為測試，又分別以三種模式進行：^[2]

1. 每次一隻小鼠受試。
2. 一次有二隻小鼠參與，中間以不透明隔板分開。理論上，還是可能聞到對方的氣味，或聽到彼此的聲音。
3. 同時實驗的兩隻小鼠之間，沒有隔板阻擋視線。

此外，為了瞭解受試小鼠是否會受同儕反應的影響，在雙鼠被迫游泳前，還有一道手續：先把小鼠關進圓柱容器中10分鐘，使其失去活動力，再對其中幾隻注射抗憂鬱劑imipramine。另一方面，能夠運動或是靜止的黑色玩具，也被納入此試驗。換句話說，除了單鼠模式外，所有游泳測試都會有下列5組之一，與被觀察的實驗組小鼠相鄰：^[2]

1. 正常的對照組小鼠。
2. 低活動力小鼠。
3. 打了抗憂鬱劑的高活動力小鼠。
4. 毫無作為的黑色玩具。
5. 動作頻頻的黑色玩具。

無論是上述哪種類型的實驗，每回都必須維持6分鐘，全程監視錄影，並記錄小鼠停止掙扎的次數與秒數。^[2]

實驗結果：游泳的小鼠受鄰居或環境影響

日本團隊在2022年6月2日的《科學報告》（Scientific Reports）期刊上，發表了這個研究的結果：在二種測試中，小鼠放棄掙扎的次數，都沒有因為同伴或玩具的加入而改變。參加懸尾測試的小鼠，可能因為無法輕易轉頭觀察環境，所以同時受試的小鼠數量，以及是否加入隔板，都不會改變牠們不動的時間長度。相反地，在強迫游泳測試裡，實驗組小鼠的姿勢，比較容易察覺周遭變化。因此，不管有無隔板，旁邊出現什麼狀態的同類或玩具，小鼠都會靜止較久。^[2]

於是，日本科學家下了一個結論：抓小鼠來實驗的時候，請記得注意牠們是否被鄰居或環境影響，以預防研究不精準。^[2]但是，去除小鼠周遭的干擾，我們就一定會得到想要的結果嗎？

強迫游泳測試的根本問題

強迫游泳測試於1970年代誕生後，就時常被拿來驗證抗憂鬱劑的效果。21世紀初，其運用愈加盛行。到了2015年，平均每天有一篇精神科論文，是根據這種實驗寫出來的。使用該測試的研究人員，普遍相信小鼠放棄掙扎的行為，是一種絕望的憂鬱表現。所以，當小鼠在水裡被搞到生無可戀，再投以抗憂鬱劑，理論上就能從牠們用藥前後的行為異同，來分析藥效。^[3]

唯一的癥結是：沒有人類能參透小鼠的感受。

反省強迫游泳測試的必要性

2019年的《自然》（Nature）期刊，以專文反省採用強迫游泳測試的必要性。畢竟醫藥界多年來的經驗顯示，該測試僅適用於百憂解（Prozac，學名：fluoxetine）等SSRI抗憂鬱劑。SSRI向來能讓小鼠在水中放棄掙扎前，多游一陣子；但其他抗憂鬱藥物，卻未必在小鼠身上造成相同作用。更令科學家困惑的，是有別於人類得長時間服藥才能抑制症狀；小鼠對藥物的反應通常極為迅速。這在在都說明，強迫游泳測試或許只是把小鼠整慘了，又未必使之憂鬱，而且根本不能提供對人類有用的科學數據。^[3]

有鑑於此，世界上不少知名藥廠，例如：賣COVID-19快篩劑和諸多醫藥產品的羅氏（Roche）、在嬌生旗下做COVID-19疫苗等藥物的楊森（Janssen），以及從奶粉商亞培分離出來專心製藥的艾伯維（AbbVie）等，近年都已經揚棄強迫游泳測試。^[3]

至於日本實驗裡的小鼠，牠們在為科學奉獻之後，被用二氧化碳安樂死，從此不再遭受人類的折磨。^[2]

備註：C57BL/6是一種實驗小鼠的品種，在繁衍數個世代之後，產生了具有相異特質的亞種。為了區別這些亞種，C57BL/6後面要加上繁殖小鼠的單位代號。例如：C57BL/6 J的J代表美國「傑克遜實驗室」（the Jackson Laboratory），而C57BL/6 N的N則是指美國「國家衛生研究院」（the National Institutes of Health，簡稱NIH）。^[4]

參考資料

1. PETER RABBIT Funny Scenes Compilation, 5:39 – 5:44 (FRESH Movie Trailers, 2021)
2. Ueno H, Takahashi Y, Murakami S, et al. (2022) ‘Effect of simultaneous testing of two mice in the tail suspension test and forced swim test’. Scientific Reports, 12 (9224).
3. Reardon S. (2019) ‘Depression researchers rethink popular mouse swim tests’ Nature, 571, 456-457.
4. There is No Such Thing as a C57bl/6 Mouse! (The Jackson Laboratory, 2016)