與災共生（五）：利用光纖的橋樑預警系統

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

本文由台灣康寧贊助，泛科學策畫執行

在上篇文章「可撓式玻璃能怎麼玩？來看看教你穿衣服的智能行李箱和透明停車場樑柱」中，泛科學介紹了兩組指定示範組團隊將 Willow 可撓式玻璃分別應用於行李箱和交通情境，來改善使用者體驗的概念作品，分享他們如何從生活問題中發想、設計與實踐。這些創作皆來自康寧創星家 ─  創新應用競賽，它規定「使用材料」而未限制主題的獨特遊戲規則，催生了許多意想不到的創意。

這次我們訪問到臺灣科技大學設計團隊，他們所選用的特殊材料為「康寧 Fibrance 玻璃光纖」，透過其纖細、可彎曲、高彩度、高明度的特性，把場景延伸進「水」裡，提出兩種創新應用。

幫忙把關魚缸的水質狀態，給魚兒健康的家

大家應該看過河川或海口出現不同顏色的水流吧？一般人通常會很直覺地想，這水有特殊物質，可能不乾淨。但是無色無味的水就是乾淨的嗎？如果之中有我們看不見的汙染呢？「如同空氣品質對於人類健康的影響，對住在水族箱裡的魚來說，水的品質一旦超出範圍便會對魚的健康造成衝擊、甚至死亡。因此，水的溫度和 pH 值必須嚴加控管。」臺科大團隊的施同學與我們分享此想法的動機。

著眼於 Fibrance 玻璃纖維的特性：防水、明度彩度皆高，而且對雷射的顯色效果比一般塑膠光纖好，因此臺科大團隊決定利用這樣的特殊材料來做水質指示功能，進而達到水質控管，於是第一項作品「水底空調」誕生了。

水底空調的測量儀器旁邊裝有一塊光纖板，並於側邊接出雷射頭，在充飽電、水質正常的狀況下會持續發光，而當魚缸中水的 pH 值、溫度超過或低於正常範圍時，則會開始閃爍。談到產品設計過程的挑戰，他們表示，「當然也沒有整個設計過程都很順利，我們碰到最大的問題是『太熱』。平常大家用雷射筆用得很習慣，大概不會發現雷射發亮時其實會產生極高的熱能，讓整個測量監控系統變得很燙。起先想用盒子把它包起來，但發現行不通；後來經過設計，我們將雷射頭部分掛在外面，並用長尾夾夾住方便散熱。」。

除了應用於水質檢測，Fibrance光纖的纖細和可彎曲的特性讓使用者能隨個人喜好設計出不同的形狀，裝飾自己的水族箱，展現出更趣味、客製化的產品樣貌。

你的光劍哪裡來的？不，這是我的釣竿！

第二種概念發想則出現在釣竿上，光纖釣竿感應器 ─ Night Flash 夜漁玩家。

「釣魚是一件很花時間的事，夜釣尤其有趣。一般專業釣客通常會有兩三支釣竿，以竿架固定同時使用，那麼夜釣時，要怎麼知道魚有沒有上鉤？是哪一支釣竿中獎？除了仰賴釣客的感官經驗外，就是用釣竿警報器。在這種既有產品的基礎上，我們想設計出更炫、更便利的應用。」臺科大團隊的林同學如是說。

他們將警報器別在釣竿竿頭上，並串聯至 Fibrance 玻璃光纖、再掛上釣線，魚一旦吃餌，拉動了感應器，光纖就會發亮。Night Flash 夜漁玩家在配色設計採用現有的雷射模組 RGB 三種基礎色（紅、綠、藍），搭配基本的黑色，讓釣竿在黑夜中像光劍一般搶眼，或許也能讓夜釣過程更有趣。套句臺科大設計團隊的話，就是「很炫、很好玩啊！」

設計講求實踐，可行性是成功關鍵

特別的是，兩款產品的負責同學都不是電子背景。林同學表示，「過去我只要碰到電子領域就會選擇放棄，這次算是突破了以前的障礙。雖然我們的作品是買現成晶片板來修改程式，一開始還是什麼都不懂，甚至只能土法煉鋼地一個個戳電路板，觀察反應。但後來慢慢摸索、學習，實際去做之後，才發覺好像也沒有想像的那麼難。」而這次經驗也讓他們想了解更多不同的領域，接觸更多設計的可能性。

臺科大團隊指出，「創星家競賽一定要做出實品這點也是有所成長的原因，我們必須考慮設計可否『實現』，以及產品有沒有市場。這很符合現況，現在設計領域很講求實踐，產品可行性是成功的關鍵。」接著他們補充，做使用者研究也很有趣，負責到釣具行買測試用釣竿的林同學回憶，他隨口向店裡一個五、六十歲的伯伯介紹團隊的新設計，伯伯竟然表示有意願購買，直接問一個要賣多少錢，讓他相當驚訝，「原來從舊有產品中做改良，因為消費者已經很熟悉了，所以會更有共鳴，更容易接受。」

「我們想透過 Fibrance 光纖，把看不到的東西視覺化。」

聊到產品理念，兩位同學說他們的發想起點同樣是材質本身。在魚缸和釣具之前，兩人考慮過很多主題，例如測量空氣品質和配電盤，最後決定從身邊的議題下手。「不過這些想法都圍繞著同一個概念，」他們說，「Fibrance 玻璃光纖明度、彩度高，在視覺上非常漂亮，希望能做出能充分凸顯這項特點的應用。Making the value / action visible 是我們的設計初衷，就好像蒲公英的種子讓人『看見』風的存在，我們想把看不到的東西視覺化，送到大家眼前。」

本文由台灣康寧贊助，泛科學策畫執行

文／梁晏慈

由台灣康寧舉辦的第一屆「康寧創星家」希望培育創新人才，並期許企業在營利的同時能回饋社會，因此他們深入校園，向台灣大專院校的學生發放英雄帖。有別於其它創新競賽以某一議題進行概念發想，「康寧創星家」的參賽者從生活中找尋好點子，並利用康寧的特殊材質－玻璃、陶瓷、光纖為命題方向，構思可以改善人類生活的新產品。本次活動共235團隊投件，其中20組團隊憑藉著他們的創新點子，獲取進入11月28日複賽暨工作坊的入場券。

台灣康寧深知唯有創新才能帶領產業的發展。然而，好點子不會從天而降，更可惜的是一般人在靈光乍現時常常思考的卻是：「這個怎麼可能做到。」、「應該很貴吧！」。康寧創星家為了鼓勵學生不只停留在發想，而是能夠考慮實作的要件，特別在複賽中安排參賽團隊與康寧科學家及奧美導師對談：前者帶領同學了解材質、改進設計，讓發想更有機會變成產品；後者則提供企劃上的建議，指導參賽者將產品包裝得更能吸引受眾與投資者。

有想過產品要賣給誰嗎？沒有，因為你只想到你自己

在複賽簡報暨提問中，各團隊有7分鐘時間向評審分享自己的創新點子。評審們除了就投影片的呈現方式給予初步建議，也教導參賽者釐清產品的受眾。例如同樣是和飲食相關的設計，其中一組計畫利用康寧的可撓式玻璃製作出能依據食物重量持續播放影片的幼兒餐墊，讓專注力不足的孩子乖乖吃飯。另一組則將目光聚焦在單身外食族，以康寧的大猩猩玻璃（Gorilla glass）打造具有點餐服務、影音功能的個人化餐桌，降低單身者外食的尷尬。

針對幼兒餐墊的設計，評審詢問同學：「你們知道2至4歲的孩子吃甚麼嗎？」、「如果孩子碰碰碰地拍打餐墊，是否會干擾重量的偵測？」，藉此提醒參賽者永遠別忘了「誰要用」，當產品使用對象是嬰幼兒時，就不能以大人的角度去評估適用性，而要將嬰幼兒的行為研究透徹，並依據可能發生的狀況來更動產品設計。另一方面，評審們則提醒單人餐桌的團隊，雖然受眾是單身族群，但買家可是餐廳，因此產品行銷的困難是如何說服餐廳願意投資這項技術。再者，若影音功能太過精彩，客人一直滯留在店內，反而會影響餐廳最重視的翻桌率。由此可知，該如何吸引業者願意投資新產品，並在買家及受眾的需求間取得平衡，也是規劃產品功能時很重要的一環。

簡報提問結束，同學表示：「我們以為產品只要能解決某個問題就大功告成了，卻沒想到還有那麼多人的意見需要被納入考量。」透過與評審的對答，同學們學會從業者、一般大眾、受眾等不同角度切入產品設計，使他們產品能更完整，更有可行性。

「這樣可行嗎？」問，就對了！

為了創造更自由的設計環境，康寧創星家初賽強調發想，但這次的複賽可不只是提案競賽，更重要的是讓每件作品的設計都能將材料的特質和現實環境狀況納入全盤考量，因此台灣康寧特別在複賽中加入了與科學家對談的關卡。在這個關卡中，科學家會給同學更多實務上的建議，一一化解大家腦中滿山滿谷的問題。例如有一組團隊為了解決駕駛人視線被汽車A柱擋住的問題，決定拿掉原本的金屬A柱，利用堅固透明的大猩猩玻璃，將前擋玻璃一路延伸到前座車窗。他們想知道：「製作一體成形、彎曲形狀的大猩猩玻璃會很困難嗎？」、「大猩猩玻璃可以承受的撞擊力如何？」。

科學家首先讚許該團隊的大膽創意，另一方面也提醒同學，汽車工業的材料要求非常嚴格。現在的玻璃製程技術可以將玻璃塑造成他們所設計的，但金屬A柱仍為必要，因為當意外發生時，金屬可以吸收碰撞力道，並撐起車蓋，避免駕駛受到更大的衝擊。同學的發想雖然可以解決視線死角的問題，可是在車禍的撞擊力太大時，大猩猩玻璃仍有可能會碎裂。破裂的玻璃將造成乘客的二度傷害，不僅如此，在講求輕量化的時代，玻璃的重量勢必會成為很大的問題。類似的設計是利用攝影機將死角的影像播放給駕駛，若同學想利用玻璃A柱的設計，避免轉播影像有視差的問題，那就得解決碎玻璃的危險性。在兩片玻璃間夾入聚碳酸酯纖維層，達到防彈玻璃的效果，也許是可行的方法。

透過「康寧創星家」創造的自由發想平台，以及科學家強大的技術支援，參賽者天馬行空的發想才有機會成為影響人類生活的重要設計。

以好故事包裝好產品

好點子及技術支援都到齊了，一項產品能否吸引買家及投資者，還要依賴設計者們說故事的能力。包裝產品的能力就靠奧美導師幫忙了！首先，每組團隊先向奧美導師分享其對於產品包裝的想法，導師便會藉此確認產品的賣點，接著深入地協助同學重整簡報的架構，並引導同學找到適當的報告邏輯。透過投影片順序的調換、內容融合，強化這些賣點。導師不斷提醒同學，製作及使用簡報的每一刻都要想到聽眾，目標是帶領他們理解「這項產品為什麼重要？」、「我為什麼要在乎？」。

尤其當聽眾是投資者時，更要把產品和對方企業做連結。因此簡報中需要強調康寧材料的獨特性，並且努力說服對方相信只有「我們」可以把材料的特性發揮至淋漓盡致。

願「創星家精神」永遠與你同在

我們常以為好點子像中樂透一樣，是幸運兒的專利。但事實是累積完整的思考流程（問題是什麼？這個問題中我可以扮演的角色？），才可能在適當的時機抓住靈感。從發想到實現的每個階段都得時時分析產品是否具有市場競爭力。設計者還須跳脫框架，從贊助者及一般大眾的角度審視產品的價值；同時，以說故事的力量讓產品的行銷更貼近每個人的心。

「康寧創星家」引導同學完成一趟創新思考的流程，並幫助大家實現好點子成為好產品，期許這個活動在同學心中埋下一顆種子，比賽過程中培養的「自主發現並解決問題的能力」可以伴隨著這群創星家繼續在臺灣各產業發光發熱。