構築一個均富的未來－《富足》讀後感

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 / 李讚虔

《富足》這本書開宗明義說明了作者所定義的「富足」，並不是滿足人類所有的慾望，而是每個人都能夠過著生活基本需求不於匱乏的境界。因此，可以了解作者並不是要描寫科技萬能，可以滿足「人定勝天」的想法，達到讓人類為所欲為的生活。

作者在書中列出了人類未來要面對的生活基本問題，例如：食物、飲用水、人口暴增…等，再述說現在已經有人做了些什麼事，來解決這方面的問題。但個人認為，人口的問題是上述最根本，也是比較無法預測的問題。畢竟以現在的科技，要解決食物與飲用水的問題，並不困難。像是現在已有的植栽大樓，不僅增加糧食作物產量與生產空間，也可以降低水資源的浪費；奈米級的過濾網，可直接分離出最純淨的飲用水。另外，饑荒主要問題是食物分配不均，以及各國國情問題（例如：戰爭），導致有些國家糧食過剩，有些國家饑荒連連。潔淨水問題也與傳染病有關，現在也有許多科技慈善家捐助了大筆款項去改善了第三世界的飲水品質。顯示了要改善第三世界的生活品質，科技慈善家提供了很多力量投資，這些都是目前已經有在進行，且有成效的項目。至於人口的增長，雖說有統計指出與教育程度的提升、降低幼兒死亡率息息相關，但人類的生活素質提升之後，相對地對於能源與自然資源的需求也就跟著提高，在「人口數」乘上「個人對於自然資源的需求」，是否會超過地球的負荷，仍有待觀察。

網路，是改變現代人生活的一大步。還記得在大學時期，為了找尋一些年代較為久遠的papers，幾乎跑遍了許多大學的圖書館，甚至請人代印後再寄過來。目前有許多學術期刊，都已經有提供從創刊號起至最新一期的電子檔。因此，現在的科研人員或研究生，只需要上網，到期刊網站鍵入期數與頁碼，幾乎都可以找到所要的文章。如此一來，省去了很多時間、往返的交通費用，知識傳遞的速度已非昔日同語；相對地，在資訊爆炸的時代，我們雖然很容易在網路上尋得我們所要找的訊息（例如：詢問一下Google大神）。這麼多的訊息，怎樣的搜尋技巧可以快速找到你要的知識是一回事。但是，當正反訊息同時出現時，你要判斷真假又是另一回事。例如：前陣子台灣的食安問題頻傳，就有掛著衛福部的名號散佈「衛生福利部已公布第二波有毒食品名單」的謠言欺騙民眾。因此，網路上查到的訊息也不見得就是真的。這時，就得依靠自己冷靜與專業來判斷了。如果，平常就有多多攝取相關的科學知識，應該可以藉由組織架構的能力來明辨是非。

再者，《富足》也提到未來會影響全世界的一個主要因素，就是來自於即將崛起的第三世界國家居民。相信很多人對於非洲國家的印象仍停留在蠻荒落後的印象。但事實上，現在有很多外國科技廠與科技慈善家有在著手經營非洲了。有些非洲國家的通訊是直接架設基地台，用無線電通訊。已經不像台灣從早期的鋪設線路慢慢進展到現代的無線電通訊。在網路不普遍的時代，可能在默默無名的小鎮居住著某方面的「達人」，一生中就只有幾個人知道他。但網路普及化後，就可以藉由資訊傳播，將訊息發送到世界各個有網路的角落。例如，全世界的人只要能夠連上youtube，都能夠隨時與他人分享自己的作品，或是看到別人的創作。有句話說「創意，是建立在紮實的基礎之上」。由於網路的崛起，我們可以藉著更豐富，及多種知識領域的結合，來發展出自己的創意，並藉由網路的通道，可以來讓世人了解自己。網際網路的普及，使得群眾有機會結合各領域的專才，更有效率的發揮自己所長。或許，可能就此遇到伯樂，而讓你的生命有了轉變。

雖然，「富足」一書的主軸是講述科技帶給人類生活不虞匱乏，並能逐漸達到去物質化與去貨幣化的境界。但「水能載舟，亦能覆舟」，一但科技被居心不良的份子利用，也會造成難以防範的災難，像是：盜取個人資料、攔截通訊內容…等。另外，因為科技進步會逐漸取代勞力，而造成失業率提高的案例（像台灣國道上演的eTag造成國道收費員的失業）。但相對的，科技的進步也創造了另一群人的就業機會（由eTag的製造人員、維修專員與客服人員取代了收費員的工作）。從演化的角度來看，科技就有如「人擇」，使得未來人類就業的演化方式，逐漸以輔佐科技、提升效率為主，變得比較多元化、也需要更進階的知識。

言盡至此，我認為知識的集結度與創新，正是影響人類未來生存大計的關鍵，隨著知識的取得容易，想要成為一個具有影響力的人，除了要具備充足的知識量以外，也要能夠加以整合、歸納，進而結出創意的果實，成為有創新能力的人才。

我們可能很難想像未來的生活之面貌，因為總是有意想不到的科技產生，不過科幻小說家還是能讓我們充滿想像。究竟科幻小說家想像的未來又有多真實呢？來讀讀 美國日裔科學家加來道雄（Michio Kaku）的《2100科技大未來：從現在到2100年，科技將如何改變我們的生活》（Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100）這本既科幻又科普的好書吧。

雖然說《2100科技大未來》是要預測未來近一百年的科技發展，不過其大半內容，主要還是要介紹現代最尖端的先進科技，以及那些尖端高科技在未來的發展。 這個任務，最有資格的執行者之一，就是作者加來道雄。和凱文．凱利（Kevin Kelly）的《科技想要什麼》（What Technology Wants）偏重哲學式思考不同的，《2100科技大未來》更在乎的是科技的務實發展；其預測的未來也比《富足：解決人類生存難題的重大科技創新》 （Abundance: The Future is Better Than You Think）預測的還更長遠，而且不像後者還需顧及政策面（請參見〈究竟科技想要什麼？〉和〈理性樂觀的富足〉）。

加來道雄是紐約市立大學理論物理學教授，超弦理論（Superstring）的奠基者之一。他同時是Discovery頻道《科幻成真》（Sci Fi Science: Physics of the Impossible）的節目主持人。他主持了兩個廣播節目：《探索》（Explorations）和《奇幻科學》（Science Fantastic），在超過140個廣播電台播出。他還著有《穿梭超時空》（Hyperspace）、《愛因斯坦的宇宙》（Einstein’s Cosmos）、《電影中不可能的物理學》（Physics of the Impossible）、《NEXT 20 years and after》（Visions）、《平行宇宙》（Parallel Worlds）等書，大多也有繁體中文版。

加來道雄推估，我們人類社會將會在科技大幅飛躍下，在百年內進入第一型行星文明。至於啥是行星文明？加來道雄指出，那是能夠充分控制居住行星能源來源的文 明。我們現在的文明，大概是一個0.7型的行星文明。第二型文明可能開發恆星輸出的全部能量。而進入第三型狀態以後的文明，將已經探索過星系內的多數地 方。

加來道雄探討人類文明的幾個進展方向，分別是「電腦的未來──心靈控制物質」、「人工智能的未來──機器的興起」、「醫學的未來──完美與超越」、「奈米 科技──萬物始於虛無？」、「能源的未來──來自眾星的能源」、「太空旅行的未來──奔向眾星」、「財富的未來──贏家和輸家」、「人類的未來──行星文 明」。

不過，科技始終來自人性，即使未來人類文明進展至行星文明，人類還是會深受穴居人原則的約束，也就是說我們演化千萬年而來的原始慾望（娛樂、情感、社交等），仍然不會受到高科技的改變，而且會繼續影響我們的行為、決策和選擇。

加來道雄指出，在電腦的未來中，軟性電子紙會當道，而類似Google眼鏡的也將進展至隱性眼鏡的地步。晶片將會在功能更為強大下繼續縮小，而且在生活中 各種物品中無所不在。不過加來道雄也提到晶片的縮下有其物理限制，並嚴正警告矽谷該設法準備面對，否則矽谷也會淪落成下一個鐵鏽地帶。未來甚至會出現可以 接收腦波的晶片，然後控制的物體移動和運作，我們就可以念力控制物質，未來人類就會像神話中的天神般！

《2100科技大未來》揭示的未來世界，機器人無處不在，雖然它們未必都以人形現身。機器人漸漸取代單調的工作，並代替我們去從事危險的工作。台灣未來老 齡化社會最大的隱憂是老年照護，而未來機器人可以勝任這個工作。而人工智能，也要對人類友善，以免人類淪為機器人的奴隸。

未來我將可以便宜地取得自已的全基因體（書中用「基因組」一詞）的序列，瞭解自己罹患疾病的風險，還可以為「體質」量身訂做藥物和療法呢（請參見〈從基因標靶藥物，到實現個人化醫藥的未來基因體醫療〉）。生物醫學家還能夠利用幹細胞加上3D列表機印出完整的人體器官（請參見〈第三次工業革命的自造者時代〉）。甚至還利用基因療法來改善自己或下一代的遺傳，不過這在生物倫理學界仍有極大爭議（請參見〈人性正義的反對完美〉），我想加來道雄這位物理學家有點太單純了。

《2100科技大未來》還預測出可以隨時監控癌細胞晶片，在我們吃喝拉撒睡時守護我們的健康。其實，儘管所有動物都難逃一死，不過並非所有動物都會經歷老 化（例如海龜等爬蟲動物，不是老死，而是因為意外、饑餓或被獵食而死），因為只要我們掌握這些動物不老的秘密，我們就能減緩老化、延長壽命。

未來科學家和工程師會開發出利用分子、甚至原子層次的奈米裝置。在醫療方面，癌細胞在被上述晶片測偵出時，就利用奈米裝置巡航我們身體，把癌細胞找出並消 滅它們。雖然晶片可能無法再更為強大下繼續縮小，但是量子電腦或是DNA電腦出現可以取代晶片的不足。可程式化材可能將會讓《魔鬼終結者第2集》 （Terminator 2: Judgment Day）中可以改變形狀的殺手機器人可行，不過與及用來當殺手，我們將會用可程式化材來製造建築、家具等等吧，還可視使用情況或心情調整形狀和結構呢。

《2100科技大未來》指出，受控核融合將完全取代石油的乾淨能源方案，書中清楚並深入淺出地解釋了受控核融合在工程上的可行性及困難處。不少物理學家也對受控核融合在我們有生之年成為實際運作的科技深具樂觀的信心（請參見〈給未來總統的物理課－必須面對的科學真相〉）。還有利用室溫超導體可以做出磁浮科技，未來汽車、列車可以高速在低阻力的情況下行駛。室溫超導體也可以大幅降低電子在纜線內傳輸的耗損，讓未來電力經濟地超長距離傳輸成為可行。

談科技未來，不免俗一定得提到星際旅行。《2100科技大未來》指出，未來利用大空電梯探索《地心引心》（Gravity）中呈現的地球美景，將不再是夢 想而已。而人類下一趟最大探險，將會是火星登陸。我們甚至有可能再利用當時的高科技，改變火星大氣而讓人移居。我們也將會派機器人前往其他太陽系探險。

最後，《2100科技大未來》討論人類的財富未來。加來道雄指出，科學實際上就是經濟繁榮的引擎，也有經濟學家同意並也提出現在的經濟停滯發展就是因為受限科技進展（請參見〈軟柿子不再垂得低低的大停滯〉）。《2100科技大未來》也表示，未來主要的工作將是屬於需要有判斷力與創造力者。機器人將取代只能執行單調重複動作的工人。未來的人生勝利組將是屬於能夠好好用心地利用知識提供有效判斷力的人。

加來道雄卻感嘆現在美國的金頭腦大都跑去華爾街玩財富轉來轉去的炒作遊戲，而非投入科學與工程的研發。當然金融業的資金流動對科技業也很重要，但過猶總是 不及的。再加上，歐美日等先進國政府也因舉債過高而大砍科研預算，而且也有新自由主義論者從沒弄懂，政府才是高風險科研唯一也是最佳的支助者，因為極少有 大企業有能力和心思會想要進行革命性科技的研發，而僅是把政府支持研發出的知識做應用性開發。

我們未來的前途，可能不是科學家和工程師的能力問題，而是政治和經濟能否有足夠的智慧允許科學家和工程師從事未知知識的研究探索。因此，《2100科技大 未來》所樂見的高科技文明的願景，只要在世界各大國政府仍然還有遠見地繼續大力支持和贊助科學研究的情況下，就會是我們人類的實際未來！

本文原刊登於Readmoo.com【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。