利用協同互動擴增實境［Collaborative Augmented Reality］製造音樂旋律

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

本系列以往藉由講解真實案件，來分享鑑識科學；這篇則摘要免費電玩的虛構情境，鼓勵讀者親自體驗辦案。2023 年 1 月的《國際法醫期刊》（International Journal of Legal Medicine），介紹了一款德國漢堡開放線上大學（Hamburg Open Online University）的遊戲，名叫「Adventure Legal Medicine」（非官方中譯：法醫歷險）。論文詳述開發過程與教學功能，還強調玩家不管有無醫學知識，皆能輕易上手。^[1]

＝＝＝＝＝＝＝＝＝微劇情，防雷線＝＝＝＝＝＝＝＝＝

（想避開遊戲情境簡介的讀者，請跳過圖片後的第一段，謝謝。）

情境設定

依照學習的領域，此遊戲有下列 5 個故事情境，可供選擇：

1. 估計死亡時間（time of death estimation）：有人死在公寓裡。玩家必須選取正確的驗屍工具，例如：直腸體溫計（rectal thermometer）或神經反射錘（reflex hammer），來推估死亡時間。^{[1, 2]}
2. 體外驗屍檢查（external post-mortem examination）：河岸上死者的某些身體部位，藏有非自然死亡的線索。^[1]像是顱骨和手肘擦傷等，都有待玩家一探究竟。^[2]
3. 鑑識人類學（forensic anthropology）：森林裡，散落著人類骨骸。觀察並測量骨頭，以推估年紀、性別和身高。將結果拿去跟失蹤人口的檔案比對，玩家或許就能找出死者的身份。^[1]
4. DNA親子鑑定（DNA analysis/paternity test）：不知從哪迸出 4 個人，想繼承情境 2 那名死者的巨額財產。^[1]玩家得從唾液樣本，分析他們的 DNA，判斷誰才是真有血親關係的子嗣。^{[1, 2]}
5. 解剖、酒精與藥物（autopsy/alcohol and drug influence）：玩家幫車禍死者體外驗屍；解剖以檢查器官；並進行毒物學分析。最後，判讀以上檢查所得的結果。^[1]

開發過程

這個遊戲是鑑識病理學家、鑑識人類學家、心理學家、醫科學生、遊戲工程師和插畫藝術家，共同合作的結晶。類似於商業開發的線上遊戲，產品正式釋出之前，得先找人來封閉測試。2 名分別為 25 和 49 歲的男性；以及 21、25 與 54 歲的 3 名女性，率先嘗試情境 1 和 2 的前期測試版。研發團隊根據他們的感想與建議，改進遊戲，並設計情境 3。接著，請 40 名醫學系的學生，操作情境 1 至 3 的測試版。另外，其他不同教育程度的學生，作為一般大眾的樣本，也受邀試玩。最終統合大家的評論後，團隊設計出情境 4 和 5 的遊戲。^[1]

嚴肅遊戲

德國研發團隊將產品定位成「嚴肅遊戲」（serious game），以教學而非娛樂為主要目的，而且在視覺上多採灰階，來保持中性。^[1]筆者試玩了一小部份，又觀賞攻略影片，覺得繪圖和音效雖不華麗，但頗為用心。由於遊戲全程都有電子版的課本唾手可得，玩家本身無須具備專業知識。每個階段結束後，還能透過小測驗，了解學習成效。對相關科系而言，也可用於輔助教學或自學。從 2020 年 1 月在 Google Play 上架以來，有數千人下載，並獲得平均 4.5 星的評價；可惜不曉得線上網頁版的使用人次。^[1]下面是此遊戲的基本資料、連結與攻略，歡迎讀者分享闖關心得。

Adventure Legal Medicine

• 名稱：Adventure Legal Medicine^[1]（英文別名：Forensic Medicine Adventure；德文名稱：Abenteuer Rechtsmedizin）^[2]
• 對象：醫學相關科系的學生及一般愛好者。^[1]
• 語言：英文和德文。^[1]英文版的故事敘述，用字不難；但基於辦案的情境，勢必會出現骨骼、基因等，鑑識科學常見的專有名詞。
• 行動裝置版：僅支援Android系統的平板電腦和手機；沒有 iOS 的版本。請點超連結下載，或上Google Play搜尋「Abenteuer Rechtsmedizin」。^[1]
• 線上網頁版：http://elearning.uke.de/HOOU/RechtsmedizinSeriousGame/ （完全載入後，可以按下方代表德文的「DE」，將語言改為英文「EN」。）^[1]

參考資料

1. Anders S, Steen A, Müller T, et al. (2023) ‘Adventure Legal Medicine: a free online serious game for supplementary use in undergraduate medical education’. International Journal of Legal Medicine, 137, 545–549.
2. SLY MobileGaming (15 JAN 2021) ‘Forensic Medicine Adventure Abenteuer Rechtsmedizin | Point and Click Game Walkthrough’. YouTube.

想像一下，早上打開冰箱，眼前跳出根據現有食材以及健康狀況設計的餐點，並一個一個步驟帶著你烹煮；家中改裝潢不用拿型錄和量尺慢慢比對，只要在手機上輕點，沙發和茶几擺在客廳是什麼模樣快速呈現；到門市買衣服，不用再花大把時間穿穿脫脫，只要在神奇的鏡子前憑空點選，就能快速看到自己穿上不同款式或顏色的衣服的模樣；出門旅遊，透過手機看著眼前的街景，哪處是景點、哪裡有餐廳一目了然，還能在遺跡前上演歷史小劇場。

這就是擴增實境（Augmented Reality, 簡稱AR）與混合實境 （Mixed Reality, 簡稱MR）技術帶來的新生活。

科技部 2018春季「展望」系列演講「全面啟動的未來世界 – 人類2.0社會的科幻成真」第一場，請來清華大學工業工程與工程管理學系教授瞿志行，分享 AR/MR 的現在應用與未來趨勢，泛科學整理演講與專訪內容，邀大家一起探索過去只存在科幻作品中的世界如何實現！

虛擬實境和擴增實境的差別？

提到擴增實境，除了「寶可夢Go」，你可能還會聯想到最近火紅的電影《一級玩家》，主角們只要帶上穿戴式裝置，就能進入虛擬實境（VR）的世界。其實 AR 和 VR 是很不同的概念，反而是 AR 和 MR 的定義差別比較模糊。

通常將它們分成大致三大類：VR指的是全數位打造的環境，使用者與外界的感官會斷開，脫離真實世界的體驗；AR以真實世界的經驗為基礎，把數位資訊透過文字、符號的呈現，覆蓋在實物上。MR 則是更進一步，把豐富的 3D影像與實際世界整合，使用者可以同時對實際物件虛擬物件進行互動。

1994 年 Milgram 等人則提出了現實-虛擬連續系統（Reality-Virtuality Continuum），系統的一端從完全真實感官的現實（Reality）、在真實世界嵌入虛擬元素的擴增實境（AR）、混合了更多虛擬物件的 MR、將真實世界的訊息，加入虛擬環境的「擴增虛境」（Augmented Virtuality，簡稱 AV），一直到所有物件都是虛構的「虛擬實境」（VR）

根據Digi Capital 《2017年增強現實和虛擬現實報告》指出，2021 年擴增實境與虛擬實境產業的總產值將達到 1080億美元，其中擴增實境與虛擬實境的市場佔比約為8:2。瞿教授表示，VR 在遊戲、教育與娛樂等三大領域備受期待，但是和以真實世界為基底的 AR 相比，VR 可能會因為感知不協調導致使用者的身體不適（例如，看見自己在移動，身體卻沒有真的移動）外，視覺上的封閉與行動被拘束也較容易對用戶產生壓力和不安感，因此在未來發展與相關產業應用上，可能性會比 AR少。

擴增實境有哪些呈現方式？

現階段的AR呈現技術大致可分為三類，一是透過穿戴式裝置（如智慧型眼鏡的鏡片），同時看見外在環境與附加在上的虛擬資訊、二是透過攝影機捕捉實際的人物與環境，再結合數位元素共同呈現在螢幕上，三是透過視網膜投影或腦部植入晶片，直接在人的感官中創造新知覺。

為了追求更真實的體驗，已有團隊嘗試打造能將虛擬物件直接投影到視網膜上的智慧型眼鏡，但瞿老師認為，視網膜投影最大的挑戰其實不是技術，而是心理障礙，即使裝置的光線強度、能量等都符合醫學與人體安全標準，就看一般大眾能否克服恐懼。

除了上述三者外，也有人會透過投影（Projecting）呈現較大範圍的AR技術，把3D立體影像投影到實際物體上與人互動，這種呈現方式的難處在於精準定位與附加於物件的技巧，不但要確保實物與虛擬影像的位置精確重疊，還要掌握物體的凹凸曲面或不規則形狀，才能讓數位影像和實際物體的互動感栩栩如生。

尋找痛點，才能發揮AR最大效益

瞿教授指出，AR 是一種輔助人與人、人與環境，以及人與機器之間互動的的介面技術，其核心價值在於運用AR提升產品或工作效能。所以產業在面對這項新科技時，可以思考現有的流程或內容中，哪一個環節可以透過AR提升效用或再創新，不該「為了使用AR而使用AR」。

以前陣子火紅的「寶可夢Go」來說，並不是單純因為採用AR技術而爆紅，而是因為透過 AR強化了捕捉寶可夢的體驗及趣味，因此獲得廣大迴響。

企業或團隊應該先找到市場需求（痛點），再尋找相對應的技術，說不定現有技術就能達成要求，真的不夠用再繼續開發。如果只顧著「發展強大技術、再尋找市場與需求」，可能會像個人用運輸載具賽格威（segway）一樣，雖然具有驚人的高科技，但如果要說相似的體驗，低技術含量的「直排輪」就能達到，而且價格還便宜很多，最終導致賽格威的銷售額只稍稍超過研發成本。

瞿教授舉其合作的案例：在醫美產業中，曾發生過醫師因為經驗不足，在沒注意的情況下針對病患單一部位的肌膚過度施打雷射治療，導致嚴重的後果。因此有醫美公司找上瞿教授的團隊合作，希望打造一款結合熱感測技術的AR應用，幫助醫美醫師在手術過程隨時關注病患臉部的溫度狀況，進而降低醫療疏失的發生機會。

台灣在全球 VR/AR市場的定位

全球擴增實境產業正在蓬勃發展中，各大科技企業無不摩拳擦掌，想成為第一個稱霸市場的標準制定者。如 Goolge 推出了 ARcore 平台、Facebook期盼透過 AR 增加社群互動、微軟的穿戴式裝置 Hololens 來勢洶洶、Apple 不但端出 ARkit 平台，也正在研發更輕巧的AR眼鏡，連中國電商大廠阿里巴巴都喊出要把電商AR、VR化。

瞿教授分析，目前台灣的 VR/AR 相關產業大致可分為硬體裝置代工、硬體裝置開發（如HTC VIVE）、基於後製、動畫與電影產業而蓬勃發展的VR數位內容、AR數位內容和高擬真建模等領域。而相關硬體產業鏈完善、高科技人才願意投入、軟體與設計人力成本較低，以及有和中美接軌的經驗，都是台灣發展 AR 的優勢。

然而，AR橫跨物聯網、資訊工程、高擬真建模、視覺分析和 UX 設計等多項領域，需要擅長跨領域整合的人才，但軟體整合正好是台灣的弱項。再加上台灣市場小，較難推出代表性的商業模式，這些則是台灣要面臨的挑戰。

與AR 同行的世界，會是什麼模樣？

現在有科學家透過科技，將視障或精障者的世界傳遞給社會大眾，讓更多人有機會認識他們的想法與困難。而瞿教授表示自己期待AR 能創造出新的溝通方式，例如，在課堂或講座上，老師透過AR裝置，看到原本不擅於言詞表達或害羞不敢舉手的學生的提問，降低過去的互動障礙。又或是透過人工智慧與AR載具，創造類似超自然感知的陰陽眼功效等。

在科幻小說或電影中，有時會描寫當科技發展到了一個程度，數位建築出來的虛擬世界變得非常真實，幾乎與現實沒有差別、甚至更好，人們因為在現實和虛幻之間來回穿梭，開始難以區分什麼是真、什麼是假。這樣的事情真的可能會發生嗎？

瞿教授坦言這個問題現在無法下定論，他基本上認為人類是可以分辨虛實的，但長期進行虛實互動，或用五官體驗虛實混合的世界後，是否會在心理或大腦留下後遺症，又或是大腦有沒有可能因為使用這類型科技產品開啟了「新感知」，都還需要更多的研究。