今年 ig 諾貝爾獎開始頒發獎金，高達十萬億

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／李宗諭 │ 主修教育心理學，科普愛好者

臺灣科普文章的發展，最早從 1951 年發行的《大眾科學》開始，至今已有 70 年了，隨著眾人的長期努力、科技的蓬勃發展，網路上已經累積許多有趣又發人深省的科普文¹。

不過，或許跟媒體風氣及讀者注意力有關，近年來，不少科普內容除了重視科學知識的品質，也非常看重「幽默」的成分。

當許多人認為科學的血統等於「嚴謹」時，如果作者以幽默的方式來寫科普文章，將會帶給讀者什麼樣的感覺呢？會不會讓人覺得科學都不科學了？甚至對科普文章的形象產生重大的影響？

有一篇研究非常有趣，研究人員親自撰寫了幽默的科普文，然後測量讀者對這些文章的反應²。

首先，寫出兩篇夠幽默的科學文章！

研究者先完成兩篇關於「氣候變遷與生物多樣性」及「物種過度開發」的科普文章，文章總共有六個段落，每個段落的開頭、結尾都放入1、2個幽默句子，並結合科學內容，不讓這些句子淪為單純在搞笑，反而干擾讀者的閱讀。

兩篇文章大概 700 個詞，其中幽默的部分大約佔了 20％。為了更純粹的模擬科學家所寫出來的幽默科普文，研究人員除了有邀請科學家審查文章的正確性與可讀性，寫文章時，也沒有聘請專業的喜劇人員提供意見。

此外，文章中所使用的幽默都是正向又健康的詞彙，沒有低俗的或嘲諷的那種搞笑梗。

例句如下：

編按：中文翻譯難以完整還原原文句子中的笑點，歡迎大家參考原文。

接著，研究團隊將這 2 篇文章發佈在雜誌網站及環境科學的社群網站上，請讀者閱讀完之後，填寫匿名問卷，並且以量表的方式，讓讀者自評以下五個問題的分數：

• Q1：我喜歡閱讀這篇文章
• Q2：以後我想閱讀更多類似的文章
• Q3：本文關注的科學主題並不重要
• Q4：在本文中幽默使科學更具吸引力
• Q5：如果本文不使用幽默，我會比較喜歡

評分完畢後，問卷也會請讀者寫下自己的感想和評論，讓研究團隊蒐集質性的分析資料。

有 6 成讀者支持， 2 成反對

最後，回收了159份的樣本，量化的統計結果顯示，大部分受試者都喜歡這二篇文章，希望可以閱讀更多類似的內容，而且認為文章關注的科學內容很重要（Q1～Q3）。

雖然有 6 成多的受試者認為幽默可以增加閱讀吸引力，也比較喜歡幽默一點的文章，但也有 2 成多的人持相反意見（Q4、Q5）。作者還提到，之前其他類似的研究也得到差不多的結果，大致均有 2 成的受試者反對。

進一步分析相關性時，研究團隊發現，幽默與引起閱讀文章的興致有關（Q1、Q2 vs. Q4、Q5），也就是說，當文章引人發笑時，讀者通常也表現出更高的興趣。

另外值得注意的是，在讀者心中，「科學議題的重要性」與「文章受喜愛程度或幽默程度」似乎沒有顯示出相關性（Q3 VS. 其他題）。

支持與反對的理由

在質性資料的部分，受試者大致上可以分為三種：正向、負向、有條件支持。

正方認為幽默能更討喜，促進知識傳播和批判性思考，特別能刺激對科學沒興趣的觀眾；反方覺得科學是嚴肅的，不應該搞笑，以免破壞讀者對文章的信任、扭曲文章的資訊或降低其重要性。

另一種觀點則認為，除非文章本身就寫得很好，或是整篇文章都以幽默為基調時，才適合使用詼諧的撰寫風格。文章必須滿足上述條件，否則這文章幽默不成，甚至還有可能看起來「很蠢」。

作者在文中一再提醒，當科學加了幽默後，如同研究中的 2 成數據一樣，一定會有人持反對意見，因此，當你耍幽默卻被黜臭時，請不要太在意，這是很正常的！

這篇研究無法解答的兩個疑惑

可惜的是，這一篇研究並沒有進行後續學習成效的測驗，也就是說，本研究無法有效推論讀者看完之後有沒有學到東西。

另一方面，把幽默加入科普文章，對於文章的傳播效果是什麼呢，會不會吸引更多人來接受科學新知呢？

研究者認為，由於本研究的受試者大多來自於雜誌網站、環境科學社群網，這些受試者已經是對環境科學感興趣的同好，因此難以回答這個問題。

事實上，這也是過往研究難以推論的地方，也就是說，雖然作者將一篇文章寫得更有趣，就是希望可以吸引更多讀者來閱讀、展開科學交流，然而，這些研究無法推論出這種效果。

搞笑也有風險，請謹慎使用

幽默的科普有人喜歡也有人不喜歡，所以作者們建議，在使用幽默傳遞科學時，可以嘗試不同的幽默尺度，以拿捏好讀者接受度。

由於這樣的嘗試會有些實務上的困難，因此研究者也提供了另外一個建議，也許科普文章的作者可考慮直接把「喜歡帶點幽默的科學知識的人」當目標受眾，這樣就可以大方的製作出「好笑且科學」的知識內容了。

這篇研究還有個很棒的提醒：雖然幽默有好處，也有風險。

畢竟，好不好笑這種事很看個人，有的時候，我們也很難以掌控讀者的腦袋接收到了什麼訊息。

雖然文章作者需要盡量以讀者的角度審閱自己的文章，但閱讀同一篇文章時，不可避免的，不同讀者也會帶著屬於自己的主觀想法，甚至誤解原本要傳遞的科學知識，倘若又不幸因為「好笑」而加速文章的傳播與交流，反而可能造成科學知識的誤用。

換個標題，真的能夠吸引到更多人嗎？

拜今日的資訊傳播模式所賜，有許多文章光是標題就相當引人注目又幽默風趣，那麼這樣的標題實際上會產生什麼效果呢？

除了一般的網路文章外，研究學者也希望可以衝高學術文獻的曝光量、被引用的次數，讓更多人看到自己的研究成果。

大家不妨猜猜看，如果學者把學術文章的標題寫得很有趣，可以吸引到更多其它學者來引用嗎？

以心理學門來說，標題有不有趣似乎並不是很重要。曾經有學者分析了 2008 至 2010 年間的心理學期刊文章，統計結果指出，「標題的幽默程度」與「下載量」雖有些微的正相關 (r=0.2，p<0.001) ，但幽默程度與後續「被引用次數」無相關。

研究者認為這個結果可能意謂著，雖然幽默的標題會吸引到一般人、原本低興趣的學習者，使得下載量變多了一點，不過專業人士在做研究時，並不會因為幽默的標題而特別引用該篇文章。而且研究者還認為「壞內文加幽默標題」比「壞內文加一般標題」更糟³。

科普作者最愛使用的三種梗！

雖然，目前似乎沒有正式的學術研究直接剖析幽默標題的效果，不過有個滿有趣的分析，計算出科普作者最愛使用哪些類型的幽默的標題。

國外科普網站「Discover Magazine」中的「Seriously Science」系列⁴，專門刊登有趣的科學研究，該網站的創辦人整理了投稿的標題，發現科普作者們喜歡用 3 種方式來增加標題幽默感：

1. 文學或流行文化梗，例如「一氧化碳：大膽走到以前沒有去過的地方」，玩的是《星際爭霸戰》開場白的梗（To Boldly Go Where NO Has Gone Before）。
2. 黑色幽默梗（有點敏感，不鼓勵），例如「特殊的筆友：異物插入繼發的後尿道損傷案例報告與文獻回顧」。
3. 莫名的喜感，例如「兒童有氧訓練在成功過馬路中的作用」（Role of childhood aerobic fitness in successful street crossing）^註1。

不要太在意，把寫作當作一件有趣的事情吧！

其實很多科學人本身就是風趣之人，對他們來說，寫有趣的科學文章就是一個很做自己、很享受的過程。

當作者花費腦力將艱澀的內容變得淺白，並且分享出來讓人享受科學樂趣後，這個撰寫、分享的活動本身，也很符合幽默的某些本質（高度認知、愉快情緒）。

雖然前面的研究顯示，耍幽默具有一定的風險，使用時需要做好心理準備，總是有人會不開心、有人會誤解你的意思，但對大部分讀者來說，依舊是有趣的、有益處的，對作者自己來說也是快樂的一件事情唷！

備註

註1：讓孩子過馬路應該不用進行有氧訓練，太殺雞用牛刀了！

參考資料

1. 張之傑(2007)，臺灣綜合科普刊物之回顧與展望。
2. Pinto, B., & Riesch, H. (2017). Are audiences receptive to humour in popular science articles? An exploratory study using articles on environmental issues. Journal of Science Communication, 16(4), A01.
3. Subotic, S., & Mukherjee, B. (2014). Short and amusing: The relationship between title characteristics, downloads, and citations in psychology articles. Journal of information science, 40(1), 115-124.
4. 加州大學柏克萊分校研究生 Meredith Carpenter 和 Lillian Fritz-Laylin 將自己的部落格文章搬到Discover Magazine網站，本文提到的分析，是來自他們針對自己部落格文章的觀察結果。

首先，先個大家分享得主Jiwon Han的得獎感言，如果你沒興趣看完整個論文或這篇文章，你看這些就夠了～～

「當我還在讀高中的時候，我有點太無聊，所以寫了一篇論文，總共15頁長討論拿咖啡這檔事。

在一長串的數學討論後，我發現了如何拿咖啡走路並不潑出來的方法：你抓住杯口，眼睛向前看，然後倒退走。

我知道你們想問什麼：這實際嗎？當然不！！

所以那些不想要咖啡潑出來的人，有種東西叫做杯蓋。」

• 也可以直接跳到1:11:20看流體力學這一段。

馬克杯裡的風暴

要防止咖啡咖啡潑濺這件事，看似簡單，其實背後有很多原理要驗證和實驗，首先～我們需要了解潑濺這件事。

當你在走路的時候，咖啡晃動有許多方向：前後、左右、上下，頻率並非單一，所以當晃動彼此疊合，就是你家的咖啡要噴出來的時候，這個就是這項研究最重要的前題。

咖啡搖晃的模式其實並不單純，研究者用了第一個實驗告訴我們。如果拿兩種容器做比較：紅酒杯和一般的馬克杯，把同量的液體倒入兩個容器中，並用儀器震動他們模擬人類行走的模式，在這種情況下，兩種杯子中的容器表現很不一樣。實驗中以 2 赫茲的頻率模擬人類行走的狀態，在這種情況下，紅酒杯中的液體劇烈搖晃，但馬克杯中的相對穩定；若把頻率提升為 4 赫茲，情況就完全相反，反而是馬克杯中的液體劇烈的搖晃。

再提高晃動頻率其實沒有什麼意義，因為這反應的結果就跟跑步、跌倒或者撞到其他人一樣，打翻就變成是一件非常正常的事，想也知道拿咖啡的時候大家應該都是小心翼翼的，所以我們的重點並不在於防範這個。

這個小實驗最重要的是證明杯子中的液體量並不是影響咖啡濺射的唯一原因，因為你當然也可以把所有杯子裝得滿滿滿的，但這樣就失去意義了（你就只裝 3 c.c. 的咖啡不就ok了）。簡單的說～不同的容器、頻率、拿法都有在潑濺咖啡上參一咖。

在進入整體實驗之前，有個大前提需要讓大家知道，是我們人體結構在簡化實驗上的幫忙。因為當你在走路的時候，不只是你的手對整個杯子+咖啡施力，咖啡晃動的時候也會對你的手施與反作用力，但幸好我們的手夠強壯，所以我們可以忽略後者的作用，簡化整個實驗過程，以更單純地方法找出咖啡的共振條件。

研究者使用了兩個方法尋找咖啡的晃動模式，第一個是運用圖像程式，試著捕捉液體晃動的程度，但在論文中表示這個方法後來作廢了，因為無法精確地判定位置。第二個方法不但有了結果，而且可能還簡單到你我都可以做，如下圖……

現在大家的手機有很多功能，甚至包括下載紀錄手機本身運動、加速度、晃動頻率的 APP，所以這個實驗很簡單–把你的手機打開，然後蓋在杯體上。當你以這種方式行走的時候，手機不只會記下你的速度、晃動頻率，還包括這些運動的方向，在這實驗中，X 向為你的左右；Y 向為前後；Z 向為上下（不過事實上杯底還有黏一個檢測器校正用）。

從以下加速度/時間的圖我們可以看到，在40秒的實驗時間中，XYZ 向的加速度幅度，其中最關鍵的是 Z 向有著最大的震動程度，而 X 向則是相當穩定，近乎可以忽略。從另外一張圖（頻率與震幅）我們還能看出一個有趣的現象，就是 Z 向的震動發生在相對較低的頻率之下。

而從另一張頻率之於震幅的圖我們可以看出來一些其他事情。首先是 Y 向的晃動的頻率，跟我們預想的人類走路的晃動頻率（2赫茲）並不一樣，是落在1.7赫茲左右，而且在之後的頻率光譜中也出現了很多不同的共振情況，雖然晃動的幅度跟 Z 向的相比較弱，但這多重的共振結果就是更多造成咖啡潑濺的時機點，和 X 向晃動（和 Y 和 Z 相比，震動幅度超小）綜合起來，在杯緣形成漩渦。

簡單的說，就在這些頻率下，X、Y 向的晃動產生了不斷做渦旋運動的液體，而 Z 向的晃動讓咖啡潑了出來。

如何讓咖啡～穩穩地

目前為止，我們知道了手拿咖啡的時造成潑濺的元凶–頻率及共振，發生在當我們踏出第一步的時候造成的反對稱震動和手部的人體結構，現在我們想知道的是如何防止潑出來？ 為了根除這個現象，我們得從最源頭解決，也就是共振，而我們從變動晃動頻率和馬克杯的運動方式開始。

第一個建議～是改變我們走路的方式，也就是給予這個咖啡+手臂的系統晃動頻率的來源。藉由之前的實驗過程，我們發現用倒退走的方式很有效的減少 Y 向(你的身體的前後向)的晃動。跟正常走路相比，晃動更加均勻分布，許多之前會產生振動的頻率都消失了，有突然出現的晃動高峰更少，各個方向更加穩定。

但是，向後走路也有很多壞處。幾次測試之後發現，雖然有效的抑制液體搖晃，但也極度增加與其他物體或人類碰撞的機率，後者甚至也可能正在使用同樣的走路方式，產生更大的晃動。

但我們還有第二種方法降低搖晃，也就是改變你手拿杯子的方式。經過測試之後我們建議的最佳拿馬克杯方式如圖，稱作爪子式。這種拿杯子的方式等於增加了一個額外的物體跟著杯子系統一起震動，分散晃動的程度，從圖像看來，結果跟倒退走的結果很類似。

另外一個可以減少咖啡濺射的方法是在液體表面有一層氣泡，在另一份研究中，他們證明了儘管是薄薄一層泡沫也可以減少咖啡晃動。

其他的方法還有一個，就是將同量的物體分散至更多、口徑更小的容器中，如下圖所示，分散震動產生的影響，只要你準備夠多的小容器，你也能裝進一樣多的咖啡，還能一個試管一個試管拿起來喝，真方便。

所以大家知道了，這就是手拿裝著咖啡時的最佳移動方式，建議趕快跟同事分享。這就能看到公司的人手抓杯緣、並且向後倒退走的奇景，在你到達位子上之前，你有很大機率不會濺出任何一滴咖啡，但同時也有大的機率，你會撞上某位同樣倒退走的同事，並發現反駁或衍生這篇論文的契機喔～～

（但比起寫一篇論文「利用電腦模擬探討人類倒退走的最小碰撞機率及程度」，大家還是乖乖蓋著杯蓋就好了；或者在自己桌上放咖啡機。）

（R編後記：使用虎爪抓法拿杯子和泡麵真的有差，但是倒退走就免了。）

原論文：A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime