國王的安全帽－隱形自行車安全帽

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

你騎自行車時會戴安全帽嗎？

今年 4 月起日本新規上路，所有騎士不分年齡，騎自行車都必須戴上安全帽，自行車用品店安全帽的銷量直線上升，熱門產品更賣到缺貨。

台灣目前道路相關法規僅規定機車、電動（輔助）自行車要戴安全帽，一般沒有電力輔助的腳踏自行車，還未特別規定要戴安全帽。

自行車的安全帽到底防護效果如何，得要從設計看起；最近的新科技 MIPS 號稱能降低側撞與旋轉衝擊，什麼是旋轉衝擊？什麼是 MIPS 呢？

都柏林大學腦創傷模型

想要知道這樣摔、那樣摔會有什麼下場？這就需要用假人頭來分析；最著名的實驗模型就是「都柏林大學腦創傷模型」（University College Dublin Brain Trauma Model , UCDBTM）。

UCDBTM 最初發表在 2003 年，是使用男性屍體的腦袋進行「電腦斷層掃描」（computed tomography , CT）和「核磁共振」（magnetic resonance imaging , MRI），開發模擬頭部幾何形狀及頭內部壓力反應的模型，透過一系列屍體衝擊測試，進行參數調整，觀察不同衝擊對於大腦和腦脊液（CSF）體積和剪應力的影響。

在研究的 3D 有限元素模型（three-dimensional finite element model），以大約 2 萬 6 千個六面體元素，來代表頭皮、顱骨、軟腦膜、腦鐮、腦幕、腦脊髓液、灰質與白質、小腦以及腦幹，也就是整個頭部重要的組成都涵蓋進去了。

安全帽衝擊測試

2022 年 5 月在《Scientific Reports》上的一篇研究，團隊利用先前提到的 UCDBTM 假人頭模型試砸，目的是想了解頭部撞擊的旋轉加速度。為什麼要那麼在意旋轉衝擊？

在全球車禍直接撞擊造成腦部損傷的機率較小，相比之下，側撞和旋轉衝擊才是最可怕的傷害方式，這是因為人在車禍中會有自主閃避的反應；物理上來說，我們就是身處在移動中的慣性狀態，所以旋轉衝擊，特別是導致腦部受損和致命傷的主要原因。

而在這篇安全帽衝擊研究，團隊選了 3 種已上市的自行車安全帽 ，每種各買 4 頂來 PK，這三款安全帽分別是：

1. 一般有「貼合棘輪機制」、「EPS 保麗龍」內襯的自行車安全帽。為最常見的安全帽規格，而棘輪的位置在後腦杓，轉動可以調整鬆緊，讓安全帽貼合頭部不會任意鬆脫。
   
2. 採用「多向衝擊保護系統」（Multi-Directional Impact Protection System）簡稱 MIPS，MIPS 是一層安裝在安全帽內部的保護裝置，當頭部受到衝擊時，減震層可以提供 1 到 1.5 公分  多方向的移動空間，利用在安全帽內部滑動，緩衝側面撞擊或是旋轉所造成的作用力。
   
3. 安裝數個裝著低黏度無色「礦物油」的「熱塑性胺甲酸乙酯 TPU」囊袋，利用這些囊袋緩衝頭部衝擊。

戴著安全帽的假人頭依序被送上「單軌掉落支架系統」之後，再分別以每秒 6.5 公尺的衝擊速度（時速每小時 23 km）自由落體撞擊貼上 80 粒度（grit）砂紙、45 度角的鐵砧表面上，模擬自行車摔車時的高摩擦衝擊狀態。

以實驗的結果來說，作為對照組的【一號】安全帽表現整體來說比較差，雖然一號傳統安全帽在線型加速度控制能力，不輸【二號】，但【二號】與【三號】所加持的旋轉控制科技，表現明顯出色；【二號】的減震層和【三號】的礦物油囊袋，不僅降低了線性和旋轉加速度的峰值（最大值），還減少腦部灰質與白質所受的衝擊。顯然 MIPS 以及類似這類防側撞和旋轉衝擊的新科技，確實有明顯的保護效果。

科學證實戴帽更安全！

2018 年刊登在《事故分析與預防》期刊（Accident Analysis & Prevention）的薈萃分析研究，從 1989 年至 2017 年的 55 項研究，共 179 個效果估計；結果顯示，使用安全帽可將頭部損傷減少 48％，嚴重頭部損傷減少 60％，創傷性腦損傷減少 53％，面部損傷減少 23％，造成死亡或重傷的總數減少 34％。

總之，科學實證強烈建議騎自行車必須佩戴安全帽。

只是在台灣這種亞熱帶氣候，夏天悶熱考驗也是避不掉的，另外也有不少反對強制立法配戴安全帽的人表示，不想要在騎 Ubike 時被強制戴「共用」安全帽，覺得很不衛生。而且覺得強制規定戴安全帽，反而會降低大眾使用自行車替代汽機車的都市減碳目標。

回到開頭，日本新規已上路，所有騎士不分年齡，騎自行車都必須戴上安全帽，而台灣目前還只有機車、電動自行車要戴安全帽；台灣該跟上，還是維持現況呢？

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在臺灣被國寶級的藍鵲巴頭，是無上的榮耀；^[1] 但在澳洲遭喜鵲攻擊，卻是送醫的前奏。^[2] 每年 7 月到 11 月，^[2] 澳洲喜鵲的季節性暴力行為，以及當地居民的壯烈犧牲，總是貢獻不少素材給國際新聞版面。^{[3, 4]} 為確保筆者生命安全與本專欄的續存，以下整理了預防澳洲喜鵲襲擊的專業建議，順便跟將來有興趣赴澳旅遊、留學或打工度假的讀者分享。

澳洲喜鵲的攻擊行為

澳洲喜鵲（學名：Cracticus tibicen）是澳大利亞極為常見的鳥類，^[5] 平時待人親和，但一到繁殖季節，地域性就變得特別強烈。^[6] 鳥巢附近方圓 100 到 150 公尺內的自行車騎士，是最頻繁的攻擊目標；^[6] 其次為行人；再來則是跑者。 ^[7] 具侵略性的多為公鳥，且僅佔澳洲喜鵲總數的 9% ；^[2] 然 而每年仍有數以千計的人受害，其中近 15% 受傷，^[7] 包含少數被狠啄耳朵或眼睛。^[2] 2021 年澳洲全國有超過 5,300 例的相關通報案件。^[7] 媒體報導有一名 5 個月大的女嬰，從倉皇躲避的母親手裡墜落，最後死於頭部重傷。^{[4, 8]}

研究顯示喜鵲認得超過 100 張人臉，一般傾向把陌生人當作威脅。值得注意的是， COVID-19 疫情期間，澳洲鳥盟（BirdLife Australia）的專家 Sean Dooley ，擔心有些封城地區的防疫政策，會造成更多人類受害。因為澳洲喜鵲若是認不得戴口罩的熟面孔，或許會展開一視同仁的無差別攻擊。^[9]

「喜鵲警報」民營通報系統

2013 年的時候，一名騎自行車被澳洲喜鵲攻擊的網站工程師，察覺沒有全國性的通報系統，可以舉發喜鵲的惡行，便自行架設一個供大眾使用。^[7] 如今，他的「喜鵲警報」（Magpie Alert）網站，每年發佈統計數據，並成為博物館與媒體不時引用的資料來源。^{[4, 6, 7]} 若比較該網站近年的圖表，某幾州的攻擊次數，在 COVID-19 疫情期間的確有成長的趨勢。^[7] 然而，這到底是因為民眾戴口罩，或是網站愈來愈熱門，還是大家突然比較有時間上網通報，就不得而知了。

各種失敗的預防方法

澳洲有個非常厲害的單位，叫做「聯邦科學與工業研究組織」（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，簡稱CSIRO），曾研發出 WiFi 、塑膠鈔票，還有連英國女王都用過的 Aerogard 防蚊液。^{[10, 11]} 2010 年的時候，某隻兇猛的澳洲喜鵲，搬到國立澳洲大學和 CSIRO 黑山園區之間的通道上。該喜鵲不顧先來後到，便鳩佔鵲巢，還唯恐別人侵門踏戶。牠居高臨下鳥瞰新居周圍的疆域，敏捷地驅逐任何過境者。讓 CSIRO 的科學家們逮到機會，進行了一個非正式的動物實驗。^[12]

興高采烈的幾位 CSIRO 科學家們自告奮勇，以千奇百怪的造型騎著自行車，接近這隻澳洲喜鵲；一邊再由同事錄下整個過程，作為是否遭受攻擊的證據。他們測試的重點以戴或不戴自行車安全帽，還有應該增添何種安全帽配件為主，例如：在上面黏假眼睛、綁毛根（絨毛鐵絲）或束線帶、綑上兩台攝影機、裝上假喜鵲、蓋上誇張的假髮，甚至完整露出灰髮稀疏的禿頭，期望喜鵲寬待長輩等。^[12]

雖然上述裝扮大多不具實質效果，純粹把騎士搞得像隻花俏的驚弓之鳥，其中倒是有幾個嘗試略顯成功：一是整頭真髮，不戴安全帽；二是在騎乘途中脫帽，暴露禿頭；三則是在安全帽外包上非洲捲假髮，以致完全看不到帽子。^[12] 總之，好像外表看起來沒有安全帽，反而能倖免於難；但要是假髮滑動影響騎士視線，或是倒楣發生車禍，頭部卻缺乏保護，那豈不是更加危險？

假如真的不幸碰上澳洲喜鵲攻擊，自行車騎士該做的就是下車，步行離開牠的勢力範圍，並用帽子、眼鏡和雨傘保護自己的頭部與眼睛。^[2] 不過千萬也別跑得太快或是反擊，否則會導致情勢惡化。^[6]

化敵為友

既然連國家級的智囊團介入都無效，難道人類就只能任憑澳洲喜鵲追著跑嗎？澳洲新英格蘭大學的動物行為學榮譽教授 Gisela Kaplan ，可不這麼覺得。根據 Kaplan 教授的說法， 80% 順利繁衍後代的澳洲喜鵲，住在人類社區，^[13] 牠們的平均壽命約在 25 到 30 歲之間。^{[6, 13]} 基於喜鵲擅長認人又有良好的記憶力，人類不妨近水樓台，化敵為友，跟牠們培養長期的親善關係。^[13]

友誼是雙向的。對人類來說，能保障人身安全，還有無須照顧的喜鵲陪玩，簡直比養寵物還划算。然而，牠們何必跟我們攀關係？針對這個問題， Kaplan 教授解釋，澳洲喜鵲有置產壓力，偏偏適合的育幼環境有限，造成嚴重的市場競爭。多數的喜鵲 5 歲以前，無法鞏固屬於自己的勢力範圍，而最終能成功繁衍後代的成鳥也僅佔 14% 。所以，與澳洲喜鵲交友的方法很簡單，完全沒有必要用食物利誘，光是當個人畜無害的鄰居，就別具吸引力。^[13]

一旦澳洲喜鵲認證您是位和平的人類，牠們可能會正式把自家的孩子介紹給您認識，允許牠們在周遭玩耍。此外，還會就近觀察您的一舉一動，並積極模仿。比方說， Kaplan 教授的喜鵲朋友，就曾趁她不注意，偷敲鍵盤，再看看螢幕上出現什麼結果；或是當她在院子裡除草時，於一旁跟著堆土。^[13] 人類與動物本來就不一定得相互敵對，如果哪天真遇上了澳洲喜鵲，不妨花點時間彼此瞭解，試著交個朋友吧！

參考資料

1. 台灣藍鵲護巢巴學生頭 文大教授拍下精彩一刻（中央通訊社，2021）
2. Stay safe from swooping magpies (Queensland Government – Department of Environment and Science, 2021)
3. 澳洲「恐怖之鳥」今年傷人特別多 疑與口罩有關[影]（中央通訊社，2021）
4. Baby dies in Australia after magpie swooping attack (CNN, 2021)
5. Australian Magpie (BirdLife Australia, accessed in 2022)
6. Why do Magpies swoop? (Australian Museum, 2021)
7. Magpie Alert (Jon Clark, 2022)
8. Parents of baby girl who died after magpie attack thank community for ‘overwhelming kindness’ (ABC News, 2021)
9. Magpie-swooping season could be worse in Victoria this year as face masks confuse birds (The Guardian, 2020)
10. We Are CSIRO (CSIRO, 2022)
11. Aerogard (CSIROpedia, 2011)
12. You make me wanna swoop: dispelling magpie myths (CSIROscope, 2015)
13. Magpies can form friendships with people – here’s how (The Conversation, 2019)