誰需要瓢蟲保鏢？

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

要打架可以，但不要打臉啊啊啊！！！

試著在腦袋裡想像一下，打架的時候你第一個目標會先打哪裡呢？

過往研究顯示，男人與男人之間一言不合就開打的情況相當稀鬆平常，因此臉部掛彩什麼的都只是小事。而流行病學數據也告訴我們，男性因為打架導致臉部受傷的比例，比女性高出 68～92％（不是說好不打臉的嗎？）。

既然臉這麼重要，下頜骨（mandible）又是一個很容易在打架時骨折的區域，有沒有什麼方式可以妥善保護它？——或許你可以考慮像海格一樣留個濃～濃～的鬍子！

怕痛嗎？要不要考慮留個鬍鬚？

自古以來，有鬍子的男性都被認為比較陽剛、有男人味，就像雄獅那頭帥氣的鬃毛一樣。以前，你可能只會覺得「這些人留鬍子是想耍帥吧？」，但在看完今年（2021）搞笑諾貝爾和平獎的得獎研究之後，你會知道這些鬍子可沒這麼簡單 ಠ_ಠ

今年搞笑諾貝爾和平獎，由美國猶他大學（University of Utah）的研究者 Beseris、Naleway、Carrier 獲得，他們發現擁有濃密的鬍子除了讓你看起來男性氣質 +10％，還能讓你在實戰中防禦力 +30％！

想模擬濃密的鬍鬚？試試羊毛吧！

為了知道人類鬍子的防禦指數到底有多少，研究團隊首先以短纖維環氧樹脂化合物（short fiber epoxy composite）作為材料，建構出人類的骨頭模擬物。而後再用羊皮、羊毛模擬出人的皮膚、鬍子，並將這些模擬物分為三組：毛茸茸的毛、修剪過的毛、無毛，用以代表著有濃密鬍鬚、修剪過鬍鬚、拔除鬍鬚（furred, sheared, plucked）這三種狀態的人類男性。

在製作好毛茸茸這些模擬物後，我們還缺少一個最重要的東西：拳頭。而落錘重量衝擊試驗機（drop weight impact tester，型號為 Instron Dynatup 8250）就是研究團隊們用來代替拳頭的進行落錘衝擊實驗的完美物品。

毛茸茸的毛，防禦力 +30％ 的關鍵

在使用了落錘重量衝擊試驗機後，研究團隊發現相較於「修剪過的毛」或「無毛」這兩種樣本而言，「毛茸茸的毛」確實可以吸收更多重量衝擊，提供下方的骨骼模擬物較好的保護力。

我們可以從圖 A 較為平緩的黑色曲線看出，當落錘掉下來時，「毛茸茸的毛」具有緩衝效果，衝擊力達到高峰耗費的時間長，吸收重量衝擊的效果較好，灰線也顯示這坨濃密的毛能吸收的能量比「修剪過的毛」、「無毛」兩組來得多。而圖 B、Ｃ 則告訴我們，若使用「修剪過的毛」、「無毛」樣本進行實驗，落錘釋放的力會在短時間內達到高峰，毛髮吸收的能量也沒有「毛茸茸的毛」來得多。

鬍子防禦力有限，珍惜下頜骨才是上策

上述數據告訴我們，「毛茸茸的毛」能比另外兩組多吸收將近 30％ 的能量，但這是否代表著我們留了濃密鬍子後，就能成為一個不怕痛的耐打高手嗎？事實可能並不盡然。

研究團隊表示，濃密的鬍鬚雖然能減少臉部皮膚、肌肉的傷害，也能保護臉部骨骼脆弱的區域免於骨折危機，但魔鬼藏在細節中——你的鬍鬚並不是羊毛啊！在本次研究中使用的羊皮、羊毛其實相當毛茸茸又厚實，即使能作為一個好的模擬物，但在缺乏人類臉部毛髮粗細、密度、厚度數據的情況下，並沒有辦法 100％ 保證它能代表我們。

此外，不同人種的臉部毛髮也略有差異。擁有中東與北歐血統的人們，能夠長出厚實、濃密的鬍鬚；然而東亞、美洲印地安人的臉部毛髮卻相對稀少。後續仍需要進行更多的研究，確定這些毛髮究竟是如何影響衝擊力道，或許也可以透過建立毛髮纖維模型並以程式模擬的方式達成研究目的。總而言之，在更多研究數據出來之前還是先別輕舉妄動，小心防禦力沒加成，反而讓自己破相啦！

參考資料

1. E A Beseris et al., Impact Protection Potential of Mammalian Hair: Testing the Pugilism Hypothesis for the Evolution of Human Facial Hair,Integrative Organismal Biology, Volume 2, Issue 1, 2020.
2. The 2021 Ig Nobel Prize Winners

有種植盆栽的家庭，對介殼蟲這類生物可能會相當熟悉。每一年、每隔一陣子，我家中便會出現一群群白色的臀紋粉介殼蟲，聚集在一塊，吸食著植物葉片、莖的汁液。牠們的身體扁平橢圓，表面因布滿了蠟質粉狀分泌物而呈白色，看似柔軟而脆弱。

見到的這些介殼蟲族群幾乎都是雌蟲。由於許多介殼蟲可直接行孤雌生殖，也就是不經交尾就能產下後代，因此雄蟲算是相當罕見。雖然行動緩慢，然而雌蟲一生的產卵量可是高達上百粒，繁殖力相當的驚人。臀紋粉介殼蟲在產卵時會分泌大量白色如棉絮般的蠟質卵囊，將卵產於其中，新生若蟲孵化後便鑽出卵囊，開始在植物表面活動。許多的成蟲和若蟲往往喜歡聚集在莖葉、枝條的交界或分支處。

介殼蟲的出現，也陸續吸引其他的昆蟲前來，展現了一場微型生態系裡的互動。

嚐甜頭的螞蟻

首先是被介殼蟲所吸引的熱帶大頭家蟻，開始頻繁的在介殼蟲周圍爬行。熱帶大頭家蟻是熱帶與亞熱帶地區常見的螞蟻，這種螞蟻外表偏深紅色，常築巢於土壤或石縫中，偶爾也會在人類房舍中出現。熱帶大頭家蟻的族群有一項明顯的特色，就是牠們具有工蟻和兵蟻兩種階級。圍繞在介殼蟲身邊的多半是熱帶大頭家蟻的工蟻，此外還有一種體型較大的兵蟻，但在植物上似乎較少見到。

部分半翅目的昆蟲如介殼蟲、蚜蟲、粉蝨等能夠分泌蜜露。螞蟻常在介殼蟲周圍出沒，其實就是為了吸食介殼蟲提供的蜜露。為了這樣的目的，熱帶大頭家蟻會照顧這群介殼蟲，並協助驅趕試圖接近的瓢蟲或寄生蜂等介殼蟲天敵。會產蜜露的昆蟲，特別是蚜蟲，常被比喻成「螞蟻的乳牛」，就像人類飼養牛的情形；乳牛供應鮮乳，人類則負責照料乳牛。

介殼蟲和螞蟻的關係，也與蚜蟲類似。所謂的「蜜露」其實是介殼蟲的排泄物，只是當中仍含有許多未被消化的營養物質，包括醣類、蛋白質、礦物質、維生素等，成為螞蟻嗜食的營養品。而蜜露中佔大部分比例的物質為醣類，因此會帶有甜味。不同種類的介殼蟲或蚜蟲，排出的蜜露成份組成也會略有不同。

然而這些蜜露在較不通風的環境常會引起俗稱煤煙病的病徵，這類情形通常是植物表面長出了一層絨毛狀的物質，就好像抹了一層煤，其是這是因為蜜露孳生了大量真菌類。儘管真菌不會直接危害植物，但是卻會妨礙植物的呼吸以及光合作用，間接的造成植物體生長不良，害處不小。

吃葷的瓢蟲

臀紋粉介殼蟲所吸引來的，可不只是牠們的盟友，還包括了危及身家性命的天敵。在介殼蟲棲息處的附近，植物的葉子上總會出現虎視眈眈的孟氏隱唇瓢蟲。

這種肉食性的瓢蟲，過去是為了生物防治的目的而引進台灣，現在已經變得極為常見。這些瓢蟲嗜食介殼蟲以及介殼蟲的卵，常會出現在公園、校園這類環境，就連一般四、五層樓高公寓中的盆栽都看得到牠們，只要見到牠們出現，幾乎都是伴隨著介殼蟲的發生。孟氏隱唇瓢蟲生性非常的敏感，只要一點點動靜，牠們馬上從枝葉上滾落，讓人無法找著。牠們外表並不醒目，比起一些我們所熟知的瓢蟲，除了體型小，也沒有引人注目的花紋。我們可以從孟氏隱唇瓢蟲的足來判斷牠們的性別，雄蟲的第一對足為橘紅色，雌蟲第一對足則為黑色。

當然如果狹路相逢，熱帶大頭家蟻會攻擊這些試圖捕殺介殼蟲的瓢蟲。但似乎成效不彰，可能是瓢蟲的食量太大了，行動力又強，通常幾隻瓢蟲來訪後，過沒幾週，介殼蟲大軍便幾乎消失無蹤，大概都讓瓢蟲給吃光了。之後再過幾個月，介殼蟲總會再自動冒出來，並且又重覆的引來螞蟻與瓢蟲。

介殼蟲是個龐大的家族，牠們種類繁多、形態各異。有部分種類的介殼蟲因為會固著在植物表面，也就是把身體固定在選定的位置，大半輩子不移動，外表包覆著一層蠟質的「介殼」，所以這群生物因此得名介殼蟲。雖然許多介殼蟲是不少樹木或花卉上的害蟲，其實也有某些種類的介殼蟲具有商業價值。例如有一種取食仙人掌的介殼蟲「胭脂蟲」，原產於中南美洲，採收後萃取之，可以從蟲身獲得紅色顏料「洋紅」的原料。女性愛用化妝品中，某些鮮豔色料的成分可能就是來自該種介殼蟲。

大多數生活於都會環境的人們，可能除了蝴蝶、甲蟲等明星昆蟲物種之外，往往對許多生活於周遭的常見昆蟲視而不見。《自然老師沒教的事6：都市昆蟲記》是第一本以台灣都會環境為出發點的昆蟲專書，專門介紹都會居住環境中的常見或特殊昆蟲，這些出現在都市裡、居所旁，我們身邊隨處可見的昆蟲鄰居，就是本書最重要的主角。

本書獲得 2016 年第 40 屆金鼎獎兒童及少年圖書獎。