照出事後可對焦的相片: 光場照相術與新相機 ! Lytro Light Field Camera

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

我們打開Nikon D600，檢查其內部組件

D600是Nikon出產的全片幅數位單眼反射式相機（DSLR），旨在提供消費者一台具備專業性能但價格平易近人的相機。

拜大小為35.9×24公釐的CMOS感光元件所賜，它的畫素高達2430萬像素。與D600價位相近的款式通常感光元件只有其一半或四分之一大，這是由於傳統的全片幅感光元件成本相當高，導致每一片矽晶片可生產的感光元件數量較少。

以全片幅感光元件擷取的圖像由EXPEED 3成像引擎處理。EXPEED 3是內含多中央處理器（CPU）的媒體處理器，可以執行多重任務，例如色彩再現、灰階處理、影像銳化、伽馬校正和壓縮等。由於有多CPU，EXPEED 3成像引擎能夠平行執行多項任務，因此相機連拍速率可每秒高達5.5張。

與其他同樣高級的全片幅相機相較，D600最重要的特點是它輕便的設計──體積為14.2×11.2×8.1公分，重量也輕。而輕便背後的奧祕在於整合雙SD卡插槽，並選用體積較小的內部晶片和電板。

何謂全片幅？

全片幅單眼相機的感光元件相當於35mm底片的大小，主要優點是以全片幅感光元件拍攝的影像範圍較一般感光元件來得大，因此畫面不會被裁切，拍攝到的角度也更寬廣。舉例而言，一個24mm的鏡頭若是裝在全片幅相機上，則可拍攝到視角84度的影像，而焦距轉換率為1.5的一般相機則只有62度。除此之外，全片幅相機能應用於較大的感光點，進而取得更寬廣的動態範圍與更低的雜訊，因此影像即使過曝仍能保留細節。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期（2015年1月號）

更多精彩內容請上知識大圖解

數位攝影機如何捕捉、記錄高解析度影片呢？

現代數位攝影機的運作原理基本上與1980年代的大型VCR類比攝影機相同，兩者都包含了鏡頭、成像器和儲存媒體，但最大的不同是如今的攝影機將類比資料轉成了數位格式，而攝影技術整體也縮小成更實用、適合手持的大小。

攝錄影機透過鏡頭將現場光線的樣式聚焦在成像器上，成像器通常為CMOS感光元件或CCD（電荷耦合元件）。CCD是一種小半導體，可容納大約50萬感光單元（對光敏感的迷你二極體，可以測量光子數量，並且將光子轉換為電荷）。播放影片時，電荷強度會幫助攝錄影機判斷該點的光線強度。顏色則藉由測量綠色、紅色和藍色的程度決定，因為所有顏色都可由混合這三原色重現。

為了捕捉動態影像，CCD會將影片中的每格畫面傳送到主成像器後方，轉像系統中的外加感光器。這第二個感光器會將每個感光單位的電荷傳送到類比／數位轉換器，而第一層感光器則會自行清空，準備捕捉下一個影像。

最新的頂級攝錄影機雖然體型小，容納的技術卻多得驚人。舉例來說，日立的超高清攝錄影機（Super Hi-Vision）每秒可以拍下120張3300萬像素的影像，精細程度相當於IMAX電影。

什麼是感光元件

互補式金氧半導體（CMOS）感光元件是一種影像感應器，已取代多數行動電話、網路攝影機和數位單眼相機中的CCD。CMOS感光元件利用像素上的微小電晶體來個別捕捉每個點。電晶體會吸收並放大捕捉光點轉換而來的電荷，接著再透過電線傳送。

CMOS感光元件將影像處理和捕捉的功能整合在同樣的裝置上，耗電通常小於CCD，遲滯現象較少，也比較不涉及昂貴的製程。CMOS感光元件也因此常見於手機相機裡，因為手機正需要更便宜、省電的元件。CMOS感光元件因其線路很容易產生影像雜訊，畫質通常遜於CCD，因此後者常用於較高端的影像技術。

類比 VS 數位

數位與類比攝錄影機之間的最大差異在於資料的記錄方式。類比攝錄影機通常利用VHS磁帶記錄磁圖案，但有兩個最大的問題：需要大量的實體空間來存放卡帶，也需要硬碟上的虛擬空間；此外，類比資料每複製一次，就會「褪色」一些。相反地，資料數位化可以壓縮影像，在記憶卡或固態硬碟中所佔的虛擬空間少了許多。資料也可以原封不動地複製，不會像類比資料一樣隨時間褪逝。

本文選自《HOW IT WORKS知識大圖解 中文版》第01期（2014年10月號）