大量資料即時處理

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

在這裡介紹過了牛津大學網路研究所教授麥爾荀伯格（Viktor Mayer-Schonberger）和《經濟學人》（The Economist）雜誌資料編輯庫基耶（Kenneth Cukier）的《大數據》（Big Data: A Revolution That Will Transform How We Live, Work, and Think）這本好書，他們探討大數據（巨量資料）是什麼碗糕，大數據有什麼意義，還有大數據將如何改變我們的生活，對經濟、社會和科學會帶來什麼影響，我們又能如何趕搭上這波新潮流，如何懂得保護自己，避免個人資料和隱私受到侵害等等（請參見〈快準狠的大數據〉）。

這次他們把魔爪…哦不…觸手伸到了「教育」，寫了這本《大數據：教育篇：教學與學習的未來趨勢》（Learning with Big Data: The Future of Education），因為跟據他們的觀察，大數據正在跨入教育體系，對於全世界的教學與學習活動，勢必將產生極為深遠的影響，因此在這本書就是要談談大數據將如何改變教育。

他們舉出「大規模開放式線上課程」（MOOC）、可汗學院（Khan Academy）、Duolingo語文學習網站等案例。雖然這些線上課程早已不是新聞了，可是他們要再進一步告訴我們，當大數據的時代來臨，教育就不只 是上課聽講、讀書考試打成績、或是輕易選修更多科目而已。透過大數據，我們可以擁有史上最強大、具實證效果的工具，能夠瞭解「誰在學習」、「怎樣教學」與 「如何學習」這些重要的課題。

大數據讓我們前所未有的方式和觀點，看到究竟什麼有用、什麼沒用，以前不可能觀察到的種種學習阻礙，現在有辦法一一化解，大幅改善學生的學習成效，顛覆傳 統教學模式，造福更多學子。課程可以依據學生個人的需求做調整，真正做到因材施教，因為教師可以透過學生在線上學習時不經意的行為來判斷成效、調整教學內 容和順序，以及多次複習會造成學習瓶頸的困難觀念，甚至即時因應學生的反應而出招等等。教師的工作不會被教學網路和影片取代，而會變得更有效益、也更有 趣，因為能夠更專注針對學生作個人化的指導。

他們也認利用大數據分析，學校領導者和政府決策官員，也能用更低的成本提供更多教育機會，這些正是減少社會貧富差距、讓社經階層流動的重要因素；社會大眾 也能夠知道「學習」應當是怎麼一回事，打破教育主管機關和學校的壟斷地位，從而讓教育的本質和體制徹底翻轉。他們主張，大數據時代正是不斷學習的時代、翻 轉教育的時代！

不過大數據的應用是雙面刃，我們可能會把相關性誤判為因果，而且如果學生的個資無法被保護，其舊學習歷程被曝光，可是會影響日後的升學與就業。關於這方 面，《大數據：教育篇》引用了《大數據》的許多觀念和案例，例如誤將相關性當因果以及個資保護等等，所以建議也要去讀《大數據》這本書。

不過，盡信書不如無書，作者在西方遇到的問題，和我們在東亞遇到的，有很大的差異。最大的差異有兩點。

一個大差異，在一張很多網友在臉書分享的圖表清楚表達出來：圖裡有兩條軸線，第一條軸線為「歐美人才養成」，而第二條則是「台灣人才養成」，軸線將學習生 涯分成「學前」、「小學」、「國中」、「高中」以及「大學」等五個階段。「歐美人才養成」各階段的學習目標相當明確並且不同，學前做好生活管理、小學探索 環境、國中要開始找尋自己的夢想、高中則要面對生涯抉擇，而到了大學就要開始培養實務能力。

台灣人才培養的軸線，從「學前」一直到「高中」生涯，全是「讀書考試」，一直到「大學」時期，才要將「生活管理」、「探索環境」、「找尋夢想」、「生涯抉擇」以及「培養實務能力」一次統統完成，其中當然還少不了「讀書考試」。

歐美的教育偏向素質教育，相對於偏重考試的應試教育而言，較為注重體育、藝術能力和多元智能的培養，而真正的素質教育，目的在於讓學生能發揮個人潛能，各 展所長，並培養良好的品格，並不局限於學術上的才能。台灣的教育能夠篩選出很會考試（甚至還不見得會「讀書」哦）的學生，連公務系統都極度依賴考試，雖然 有好些公家工作幾乎不需要考試的技能。可是因為考試實在太浮濫，使得疲於奔命的教師能好好用心出題的時間都被嚴重壓縮，連有沒有認認真真地好好考考學生各 方面的學術能力都成問題，更甭提學術能力也非社會所需的全部。

另外一個差異是，台灣的教育太過注重標準答案，可是嚴重扼殺學生的創意。但是歐美的教育很注重個人的啟發，所以頂尖的人才在歐美的教育環境，往往可以更容 易發揮出他們的潛力，表現出他們充沛的創造力。可是他們的對素質一般的學生，反正做得不見得比台灣好。台灣的教育環境，讓學生拚命練習考試、練習考試再練 習考試，讓學生的程度比起歐美整齊的多。以我和朋友們在美國唸博班當助教的經驗來看，台灣學生的程度差異在一個班中，算是比較整齊的，成績優劣幾乎憑個人 努力付出多寡。可是在美國大學，尤其是公立學校，大部分的學生，在數理方面真的很不行！

舉個例子來說，我們常常看到學生在實驗數據中，他們嘗試要把上噸的鹽溶在小燒杯裡，或者把實驗桌上的小鉛球射上火星，因為連單位都搞錯了Orz 有位老師在普通生物學考題上問學生什麼是pH值，居然有四分之一的學生選擇「它不存在」；還有老師指出，大四的學生，居然有兩成回答果蠅的基因數量是小於 一，另外兩成寫無窮大（正確數目大約是一萬多），他說那四成學生基本上是「完全的廢物」；還有很多搞笑的事，真是罄竹難書。面對這些學生，教授們的態度往 往是「放棄」，可是大數據或許能讓這情勢反轉。

台灣的教育環境，往往比歐美更善待中上程度的學生，用嚴酷的練習考試來磨練他們的能力，可是卻嚴重地忽略了頂尖人材的教育，而且也幾乎完全沒有為培養社會 各界的領袖所準備。台灣的大學，就算連頂尖的台大和清大，大致上都還是停留在訓練優異的幹部為主，教授的教學方式和內容，和其他大部分的大學幾乎沒差太 多，頂多深度有一些差異而已。可是，就拿美國來說，頂尖大學的目標是在培養頂尖的領袖！一流大學的目標是在培養社會各界菁英、二流大學的是在培養優異的幹 部、三流大學的是在培養良好的基層員工等等。所以，很不幸的，台灣的大學可能在培養優異的幹部上很稱職，可是要成為社會各界菁英，就只能靠學生自己的努力 和見識，領袖的話就算了。

要培養出優異的幹部，大數據的應用應該有其優勢，可是社會菁英和領袖的培養，大數據或許無用武之地，因為大據數無法告訴你過去未曾發生的事情，也無法預測 和產生出創新，因此對於台灣的教育，大數據可以提高學生的學業，可是五育的訓練，以及領袖和社會菁英的培養，我們可能先不要去思考什麼大數據之類的，先從 整體教育環境下手才比較實際。

關於教育，這裡只能點出冰山一角，我也沒有標準答案，但請容我在此私心介紹一位好友謝宇程在商周的高人氣專欄「學與業壯遊」，裡頭有很多很多問題，我們必須繼續思索。

台灣教育問題多如牛毛，不過我們不必對台灣教育灰心，看了以下影片，你應該會很感動，希望還是在的：

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

在紐約、倫敦、阿姆斯特丹或是其他任何一座現代大型城市中，數百萬棟建築聚在一塊兒，而每年總有幾千棟會被大火吞噬。消防隊有沒有可能事先預知哪一棟建築將竄出火花？有關部門又該如何決定資源的配置以因應潛在的嚴重意外？
 
過去看似無解的難題，巨量資料時代的來臨與資料探勘（data mining）技術的發展，或許帶來解決問題的一道曙光。
 
巨量資料時代
 
巨量資料在當今諸多領域都是熱門話題。用最簡單的話講，巨量資料就是數據資料的資料量大到難以進行分析、搜尋或是處理。目前我們的社會正以爆炸性的速度產生各種資料。根據IBM的報告，自人類有歷史以來，有90％的資料是在過去的兩年中被創造出來。
 
巨量資料主要來自電腦、智慧型手機、社群網站、各種錄影設備以及網路。不過隨著電腦運算能力與時俱進、軟體逐漸高度專業化，我們開始有能力處理並使用這些大海般的資料數據，也就是能開始進行資料探勘的工作。
 
資料探勘
 
回到火災的話題上，利用新科技與新軟體，各地消防部門的風險管理員得以分析一拖拉庫的資料數據。透過整合建築物、街道、水路、運輸管線、貧窮、屋齡、空屋、有無電氣問題、灑水器數量與位置、有無電梯等等與火災相關的資訊，與消防意外事件數、火災傷亡人數疊合，便能製作出一份「災害風險地圖」。
 
這張地圖對於消防部門助益極大。首先，消防部門能有效部屬應對不同事故所需的資源，例如化學火災或車禍，在災害發生第一時間就擁有正確的救難設備與資源。
 
其次，各地區消防員的訓練能依照各地災害風險的不同量身打造；進行例行性的消防檢查時，消防員也能從中得知哪些是風險最高的建築物，需要優先拜訪。而在此之前，消防員的例行檢查都是隨機進行的。
 
第三，對於那些住在災害風險高的建築物的居民，消防部門也能提供他們如何提升安全指數的改善建議。
 
最後，這套系統能作為消防部門決策的依據，根據風險高低制定救災優先順序。風險最高的地區需要最短的救災反應時間。同時，災害風險地圖也能協助指揮救災資源的配置。
 
不過，一切才剛開始，防災地圖未來有十足的發展可能性。比如說，未來消防車上將配置能顯示技術資訊與風險資料的螢幕，從社群媒體上取得資料也是考慮中的方案。
 
目前消防部門碰上所有推動防災工作的人都會遭遇的問題：他們無法證明火災發生次數的下降是否為災害風險地圖的功勞，某些「原本」應該付之一炬的建築，是否因為這份地圖而被拯救。或許只有透過長期的追蹤，這份火災的風險地圖才能在持續下降的數據當中，展現它的價值。

（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2014年/3月）
 
責任編輯：鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！